TiO2复合材料对对乙酰氨基酚的光降解研究

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对乙酰氨基酚(Acetaminophen,Ace)不仅属于典型的个人药品及护理品(PPCPs),还是目前使用得最为普遍的日常家庭消炎镇痛药之一。随着近年来个人护理品及药品生产消费总量的持续增加,使得大量含有Ace的废水进入到了自然水体环境中。但是传统的水处理工艺无法有效地完全将其从废水中去除,于是这也给人类、哺乳动物及其它生物的生命健康造成了巨大的威胁。光催化技术作为一项绿色清洁、处理速度快的环保技术手段,逐渐受到了人们的广泛关注。其中,二氧化钛(TiO2)以其环保无毒、优良的催化性及稳定的化学性能被广泛地应用于污水处理、建筑和空气净化等领域。本论文以TiO2材料为研究对象,探讨了不同半导体材料与TiO2的复合来研究改性后的复合催化剂的结构、晶型、形貌变化以及其对Ace的光催化降解去除效果。研究TiO2复合催化剂光催化活性的影响因素,进一步确定出最佳负载比例以及光催化运行条件,并推测其可能的光催化降解机理及路径。本论文的研究内容可概括如下:(1)利用溶胶/凝胶法和浸渍法制备得到WO3/TiO2/SiO2复合催化剂。采用傅立叶红外线光谱仪(FTIR)、X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射(DRS,UV-VIS)和扫描式电子显微镜(SEM)等手段对复合材料进行表征分析及催化性能评估。研究结果表明,复合催化剂主要以锐钛矿相存在,Si原子的存在抑制了 Ti原子相态的变化。同时,通过在复合材料体系中引入SiO2和WO3可以将复合材料的光谱响应范围拓展到可见光区,吸收光谱降低到低能带区域,从而提高了催化剂的光催化性能。(2)实验制备了不同WO3负载比例(1、3、5、7wt%)的WO3/TiO2/SiO2复合催化剂。其中3 wt%的WO3/TiO2/SiO2拥有较大的比表面积且无明显的团聚现象。在相同的实验条件下,3wt%WO3/TiO2/SiO2对Ace的去除效果最佳。并且经研究发现,采用长弧氙灯作为光源,当Ace浓度为5 mg/L、pH=9、复合材料投加量为1.5 g/L时,经过4 h的光降解,WO3/TiO2/SiO2对Ace的催化降解去除率达到95%。(3)复合后的WO3/TiO2/SiO2材料,其催化降解过程遵循一级反应动力学方程,其中3wt%WO3/TiO2/SiO2的反应速率常数最高。在整个光催化降解途径中,醌亚胺是首先被检测得到的中间产物,但它较为容易被进一步水解为苯醌。然后,这些催化产物通过进一步地开环,最终被氧化为CO2、H2O或其它无机小分子物质。(4)为有效地避免传统溶胶-凝胶法操作复杂、制备材料繁琐的缺点,本论文还利用固相烧结法来制备得到BaTiO3/TiO2复合光催化剂。通过XRD、FTIR、UV-VIS和SEM等表征手段发现二者的结合扩大了复合材料的光谱响应区域,成功地加强了其对可见光的吸收和利用。并且,相对于原始的TiO2来说,BaTiO3/TiO2复合材料光催化降解Ace的能力较改性前有了显著的提高。
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