TiO2/铜藻基活性炭复合材料的制备及光催化降解PAHs性能的研究

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随着工业社会的高速发展,多环芳烃对水环境的污染问题日趋严重,对人体的健康也造成了极大的危害。TiO2光催化技术是用来处理多环芳烃废水的常见技术之一,但是在实际应用中纳米TiO2光催化技术还存在一系列问题,例如对光的利用效率较低,极易产生光生电子-空穴复合等问题。为了解决这些问题,本文以铜藻为原料、FeCl3、ZnCl2、FeCl3+ZnCl2(CA)为活化剂制备了不同的活性炭(AC),并以上述活性炭为载体制备了不同二氧化钛/活性炭(TiO2/AC)复合光催化材料,采用BET比表面积分析仪、X-射线衍射分析仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、X-射线光电子能谱分析(XPS)、紫外可见漫反射光谱(UV-vis DRS)等不同的方法对所制备的AC、TiO2/AC复合材料进行表征。复合材料被用于吸附-光催化降解典型PAHs污染物萘,研究了TiO2/AC复合材料催化剂的用量、溶液的pH对光催化降解PAHs的影响,对其降解动力学进行分析。研究结果表明:(1)活性炭制备过程中活化剂以铁的氧化物形式残留在活性炭上,铁组分为Fe2O3和FeO,铁组分以正三价为主。实验中制备的TiO2均为锐钛矿晶型,TiO2/AC-FeCl3和TiO2/AC-CA中的残留的铁组分与TiO2半导体复合,使吸收带边红移,禁带宽度减小,对可见光的吸收增强。同时,TiO2的细小颗粒非均匀的附着在活性炭的外表面,以及孔道的表面。TiO2/AC复合材料的比表面积相比于AC减小较大,而总孔容以及平均孔径有所增大。(2)活性炭的存在为光催化反应提供了特殊的反应通道,且对萘进行了一定程度上的富集,增大了催化剂活性位点附近萘的浓度,使光催化反应正向移动。TiO2/AC-CA在投加量为0.6 g/L时萘的降解的效率最高,TiO2/AC-FeCl3和TiO2/AC-ZnCl2投加量为0.8 g/L时,萘的降解效率最高;随着pH的增大,萘的去除效率逐渐降低。TiO2/AC-CA对萘的降解效率显著优于TiO2/AC-FeCl3和TiO2/AC-ZnCl2,也优于TiO2和AC-CA直接混合。(3)复合材料重复使用3次后萘的降解效率基本保持不变。TiO2/AC-FeCl3、TiO2/AC-ZnCl2和TiO2/AC-CA对萘的降解效率分别由65.0%降低到50.0%、71.0%降低到54.5%、77.5%降低到64.0%。(4)三种复合材料对萘的降解符合Langmuir-Hinshelwood模型一级动力学方程,TiO2/AC-CA对萘的降解反应速率高于TiO2/AC-FeCl3和TiO2/AC-ZnCl2。TiO2/AC复合材料中活性炭的吸附对光降解表现为协同促进作用。
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