改性二氧化钛的制备及其光催化降解氨氮研究

随着社会的快速发展,环境问题也愈加突出。其中,氨氮的污染问题较为严重,氨氮在水中大量存在导致水体富营养化,破坏生态系统,造成动植物死亡,严重危害水环境安全和人体健康,因此污水中氨氮的达标排放成为了一个亟待解决的问题。而光催化氧化技术相比于其他水处理技术具有高效、氧化性强、降解彻底等优点,利用光催化氧化技术去除水中氨氮有望取得良好的效果,所以对于光催化剂的制备以及光催化过程中影响因素等问题都值得深入探究。

其中主要研究结果如下:

(1)利用水热处理和半导体复合的方式制备出经水热处理的TiO2(CY-TA15)以及负载Ag2O的TiO2(CY-TA15),对催化剂进行XRD,XPS,FTIR,TEM,UV-vis DRS,BET,PL等表征分析;对不同催化剂进行性能研究,结合反应动力学和正交法探究不同影响因素对于模拟氨氮废水中氨氮去除率的影响,包括初始p H值,光照时长,水热处理时间,掺杂比,催化剂投加量,氨氮初始浓度,共存离子等;探究催化剂的稳定性和以实际氨氮废水为待处理废水时的性能。

(2)通过表征分析发现水热处理会破坏TiO2(CY-TA15)的结晶度,导致其比表面积下降。TiO2(CY-TA15)表面羟基官能团,光响应范围,平均孔径和总孔体积均增加,催化剂光子吸收能力和催化剂活性提高。负载Ag2O的TiO2(CY05)中的Ag 都是以Ag2O的形式存在,且均匀附着在TiO2(CY-TA15)的表面。负载改性使得催化剂在紫外光区和可见光区都有较强的光吸收能力,构成的异质结会增强催化剂电子空穴分离能力。

(3)通过实验发现水热处理TiO2(CY-TA15)最优水热时间为6 h,反应5h后氨氮的去除率为43.32%。正交试验中各单因素的主次关系为:初始p H>催化剂投加量>初始浓度>水热时间>光照时长,最优组合为:光照时长6 h,p H=10,水热时间12 h,初始浓度100 mg/L,催化剂投加量1.0 g/L,氨氮去除率为44.86%。结合反应动力学可知p H=10时反应速率常数k值为1.439×10-3·min-1,是p H=6.67时反应速率常数k值的近36倍。共存离子中Cl-对于氨氮的去除在实验浓度范围内无响,SO42-,CO32-,HCO3-对于氨氮的去除起抑制作用,其中HCO3-的抑制现象最明显,催化效果相比于不外加阴离子下降52%。在光催化反应去除氨氮的过程中h 、·O2-和·OH依次起到降解作用,其中h 其主要作用,贡献比为58%。

(4)通过实验发现半导体复合TiO2(CY-TA15)掺杂比为5%时催化效果最好,去除率达到78.76%。正交试验中各单因素的影响大小为:初始p H值>掺杂比>催化剂投加量>反应时间>初始浓度,其中初始p H值为最大影响单因素,结合动力学分析可知在p H=12时,反应速率常数为4.951×10-3·min-1,为不调p H值时的约62倍。通过单因素试验和正交试验确定最佳实验条件为光照时长5 h,p H=12,掺杂比5%,氨氮初始浓度75 mg/L,催化剂投加量0.75 g/L,去除率达到81.33%,反应速率常数k值为5.112×10-3·min-1。在浓度范围为0 mmol/L～5.0 mmol/L时,Cl-对于氨氮的去除率无影响;SO42-和CO32-对于氨氮的去除都存在抑制作用,其中CO32-的抑制效果更强。当CO32-浓度为5.0 mmol/L时,去除率相比于不外加CO32-下降了38%。在体系中起降解作用的自由基主要是·OH、h 和·O2-,其中·OH贡献比为58%。复合催化剂循环四次之后氨氮去除率由78.76%下降为70.95%。以实际水体中氨氮为待去除目标时,反应5 h后氨氮的去除率为66.56%,相比于模拟水样下降12.20%。