泡沫镍负载 Fe-N 改性 TiO2光电催化降解废水中的罗丹明 B

发布时间：2016-08-20 06:14

第一章 绪论

在 1972 年，日本科学家 A.Fujishima 和 K.Honda[2]率先对外公布了他们的最新发现，在紫外光或自然光等的照射下半导体二氧化钛本身会对水产生一定的分解作用，生成部分量的氢气，两位研究人员的发现，在全世界范围内引起的强烈关注，引发了半导体相应的光催化技术在环保及其他工业生产领域的研究与应用。光催化技术的创新之处在于其主要是利用自然光产生的光能量对其氧化降解有机物的提供推动力，光催化技术可将许多大分子有机物无二次污染地氧化转化成二氧化碳气体和水等无机产物，该技术已成为全世界科研人员共同研究的环保绿色技术之一。随着全球各地科研人员不断深入，人们对于光催化技术的了解逐步加深，现在已发现并比较掌握的部分半导体光催化剂主要有 CdS、WO3、ZnO、TiO2、SnO2等[3]。半导体 TiO2催化剂是当前发现的各类半导体类型催化剂材料中研究较多的一种光催化剂，由于 TiO2具有无二次污染、耐酸碱腐蚀、光催化活性高、稳定性能较好、制备工艺简单、价格比较便宜、重复使用率高等诸多优点[4,5]。

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第 2 章 实验材料与研究方法

2.1 实验试剂及仪器

考虑到实际工业的生产应用，为进一步探究在动态环境中 TiO2电极光电协同催化氧化降解罗丹明 B 的最优条件，在一定的基础上，利用研制的三相流化床光电催化反应器，进行对最佳进水流量、最佳曝气量等的研究。反应器的底面直径为 15 厘米，高约为 80 厘米，，容积约为 15 升，容器内底部放置曝气盘，容器底端连接蠕动泵控制流量，上部设置溢流口，形成三相流态化反应条件。

2.2 光电催化反应装置

实验采用有机玻璃自制的光电催化实验反应装置，如下图 2.1，该反应装置的总容积是 2.5L，在容器里面放置功率为 9W 的紫外灯做为光源、用自制的泡沫镍做为反应的正极（不同掺杂改性的 TiO2负载在泡沫镍），以石墨为负极。泡沫镍电极和石墨电极分别于外部的电化学工作站连接，利用电化学工作站调控施加的外加偏电压。

第 3 章 改性 TiO2电极的制备及光电催化性能研究.........27

3.1 引言........ 27
3.2 催化剂的制备................... 27
3.3 负载型改性 TiO2催化剂的表征及分析.............28
第 4 章 Fe-N 共掺杂改性 TiO2电极光电催化降解罗丹明 B 的优化研究 ............34
4.1 改性 TiO2催化剂最佳 Fe-N 配比的确定....................34
4.2 Fe-N 共掺杂 TiO2电极降解罗丹明 B 的研究 ........35
4.3 动态条件下改性 TiO2电极降解罗丹明 B 的研究.............39
第五章 Fe-N 共掺杂 TiO2电极光电催化降解罗丹明 B 的动力学研究 ................44
5.1 引言..................... 44
5.2 Fe-N 共掺杂 TiO2电极降解罗丹明 B 的动力学研究 .......................45
55.3 反应动力学模型的建立................ 52
5.4 本章小结.................. 53

第五章 Fe-N 共掺杂 TiO2电极光电催化降解罗丹明 B 的动力学研究

5.1 引言

为更深入性地探究不同因素对化学反应速率的影响，通常会采用反应动力学建模的方法对该反应过程进行更准确地研究。一般目标物的初始浓度、外在压力、反应体系的温度以及发生催化反应时的催化剂的浓度和种类都会影响反应速率，反应动力学的模型主要是表达反应速率与其影响该化学反应的各因素之间的函数关系。通过研究对应化学反应的动力学模型，我们可从中进一步了解其反应的内在规律，通过调节相关的影响因素，进而提高反应速率，使此反应过程能更好地应用于实际的工业生产当中。针对于 TiO2催化剂相关的光催化氧化反应动力学的研究较多，但是对于其在光电协同催化作用下降解污染物的反应动力学的研究比较少。本章实验设计的Fe-N 改性 TiO2电极光电催化降解罗丹明 B 的反应动力学研究，此光电催化过程是一个包含气体、液体、固体的多相反应体系，在各相及相界面之间都会发生一定的反应，是一个相对比较复杂的反应过程，目标反应溶液初始浓度的变化，反应溶液 PH 的变化，外加电压的变化以及反应过程中生成的各种中间产物都会对整个反应过程的降解速率造成影响。

5.2 Fe-N 共掺杂 TiO2电极降解罗丹明 B 的动力学研究

从图 5-1 可知，在低浓度范围为 5-25mg/L 内，改性 TiO2电极对罗丹明 B 的降解效果伴随其溶液的浓度增加表现出先提高后下降的过程。可能是由于初始罗丹明 B 的浓度过高，其溶液的颜色变得很深，进而影响 TiO2电极表面对紫外光的吸收量，催化剂本身被激发跃迁的光电子数量相应的减小，参与反应的光子数量下降，无法产生更多的羟基自由基，从而导致其催化性能的下降[61]。如表 5-1 所示Fe-N 改性 TiO2电极在不同的初始浓度情况下的光电催化反应动力学特征。从 5 个实验组中可知线性相关度 R2分别为 0.9685、0.9497、0.9642、0.9684、0.9497，时间 t 与 ln(ct/c0)表现出较好线性关系，可知该反应过程遵循一级动力学规律。

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第 6 章 结论

本文通过对泡沫镍负载 Fe-N 改性 TiO2光电催化降解废水中的罗丹明 B 的相关试验研究和理论探讨，采用溶胶-凝胶法制得负载型 Fe-N 改性 TiO2催化剂，并在自制的光电催化反应装置中，对进行了模拟单一印染废水的光电催化实验，分析各因素对光电催化性能的影响，主要得出以下结论：（1）以钛酸丁酯、无水乙醇、尿素、硝酸铁为制作的原料，泡沫镍为负载载体，采用溶胶-凝胶法（Sol-gel）成功制备出了金属元素 Fe、非金属元素 N、Fe-N 共掺杂不同种类的改性 TiO2催化剂。（2）以罗丹明 B 为模型单一印染废水，使用无掺杂改性的 TiO2电极、单独 Fe、N 以及 Fe-N 不同掺杂的 TiO2电极进行对比光电催化降解实验。实验结果证明，Fe-N共掺杂 TiO2电极的降解率为 95.7%，是无掺杂 TiO2电极的 2.7 倍。对不同改性的TiO2电极进行的 SEM、XRD 同样也表明了改性后催化剂电极拥有很好的催化氧化性能。

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参考文献（略）

本文编号：98611