锶掺杂磁性二氧化钛光催化剂的制备及其对BPA的降解

【摘要】：随着国内工业化的粗放式发展和社会的迅速发展,工业及城市废弃物排放的增加,水体污染的问题日益突出。一些微量的难降解有机污染如EDCs、POPs、PPCPs等不能够被常规传统的水处理系统有效去除,随着污水的大量排放进入天然水体,对人类的生存造成了潜在的威胁。传统的处理污水技术不同程度上均存在见效慢、净化不彻底、容易产生二次污染等弊端。目前所有可利用的纳米半导体光催化材料中,纳米二氧化钛光催化材料由于其具有良好的光催化效果、降解速度快、化学稳定性强等优点而被广泛研究用于处理废水。然而粉末状的TiO2光催化剂的大规模工业化应用于处理污水,还需解决三大问题:(1)太阳能利用率较低。虽然TiO2对光较为稳定,但是其带隙能为Eg=3.2eV,只能利用太阳光中的紫外线部分;(2)光生电子与空穴容易复合,且量子产率较低,难以适应大规模的工业处理;(3)光催化剂粒径小,难以再回收利用。本论文针对目前TiO2光催化剂在实际应用中存在的三大问题,对TiO2光催化剂进行了改性研究,以内分泌干扰素BPA为目标污染物,测试改性后光催化剂的光催化活性和回收性能。具体研究内容如下:1、本论文采用溶胶-凝胶法合成了Sr掺杂改性磁性的TiO2光催化材料,利用镍锌铁氧体的磁性分离回收光催化剂。制备过程中采用淀粉为添加剂以减小晶体粒径,增大材料的比表面积。并利用了FESEM、HRTEM、XRD、BET、UV-vis、VSM等仪器方法对其晶体结构、物理性质和光化学性质等进行了表征。FESEM和HRTEM图谱显示出制备的光催化材料颗粒呈球状,粒径约18nm。XRD分析显示合成的为一种TiO2/Ni0.6Zn0.4Fe2O4复合光催化材料,存在锐钛矿相的TiO2和Ni0.6Zn0.4Fe2O4纳米材料。对比分析FESEM图、HRTEM图和N2等温吸附线等数据显示,由于淀粉的加入,合成的TiO2/Ni0.6Zn0.4Fe2O4复合光催化材料的粒径得到了有效的控制。UV-vis数据显示所有样品在可见光谱区都有较高的吸收性能。2、以内分泌干扰素BPA为目标污染物,测试了合成的TiO2/Ni0.6Zn0.4Fe2O4复合光催化剂在可见光和紫外光下对BPA的降解效率,并考察了溶液起始pH值对复合光催化剂降解BPA的影响。实验结果显示,紫外光照射下,反应3h后,BPA即几乎被完全降解;当硝酸锶与淀粉的质量比为0.05:1.0时制备的复合光催化在紫外灯下具有最高的光催化活性。而在可见光照射下,反应4h后,84%的BPA被移除完。当硝酸锶与淀粉的比例为0.02:0.5时,制备的复合光催化剂在可见光下的光催化性能最高。无论在可见光下还是在紫外光下,合成的复合光催化剂对比商业化二氧化钛P25复合光催化剂都显示出提升的光催化活性。测试反应液的起始pH对复合光催化剂降解BPA的影响的实验结果发现,较高和较低的pH值都可以促进TiO2对BPA的光催化降解,提高光催化活性。在光催化反应过程中,反应液的pH值随着反应物浓度的减小而缓和成中性状态。3、磁强计测试数据显示当硝酸锶与淀粉的比例为0.2:10时,制备的复合光催化剂样品饱和磁化强度(Ms)为19.04 emu/g,可以利用磁场对光催化剂进行磁性分离,方便、快捷,表现出可靠地分离回收性能。重复利用率测试结果显示:紫外光下,回收重复使用3次后的降解效率能达到84%,而在可见光下,回收重复使用3次后的降解效率能达到78%。利用镍锌铁氧体的磁性来改性TiO2光催化剂使其具有磁性,再用磁场来分离回收纳米级TiO2光催化剂可以有效的减少纳米级TiO2对环境生物的毒理学效应,还可以重复利用制备的TiO2/Ni0.6Zn0.4Fe2O4复合光催化剂,提高材料的使用效率。制备的TiO2/Ni0.6Zn0.4Fe2O4复合光催化剂在测试实验中显示出优异的光催化性能和分离回收重复利用性能,存在潜在的应用价值,为未来大规模工业化应用处理废水作理论铺垫。
【关键词】：Sr BPA 磁性 纳米TiO2 淀粉
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ426;X703