磁性纳米TiO2/SiO2@γ-Fe2O3光催化剂制备及对苯酚光催化降解性能研究

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炼焦、炼油、合成氨等化工生产过程中的废水常含有苯酚类有机污染物,如果不经处理任意排放会污染地下水源,对人类造成严重危害。目前,在含酚废水的净化处理中,光催化法以其成本较低的特点使具有良好的应用前景。但该法大多采用纳米TiO2的悬浮液相体系,存在催化剂回收困难等问题。近年来,人们对以Fe3O4等磁性材料为载体的光催化剂展开了广泛的研究,但关于磁性光催化剂结构与性能关系的研究相对较少。本文以共沉淀法制备的磁性纳米Fe3O4为核,先后以Na2SiO3和TEOS为硅源,通过溶胶-凝胶法制备壳-核结构的SiO2@Fe3O4纳米颗粒,再以钛酸四丁酯为钛源,通过溶胶-凝胶法将TiO2负载于SiO2@Fe3O4上,经过300-700℃高温焙烧,制得了TiO2/SiO2@γ-Fe2O3磁性纳米光催化剂。采用XRD、TEM、VSM、BET和UV-VIS等对催化剂的结构进行了表征,考察各因素对结构的影响,并以苯酚溶液为模拟废水进行光催化性能评价,考察催化剂制备条件及光催化反应条件对苯酚降解性能的影响。经过正交试验优化及考察各制备条件对Fe3O4结晶度的影响得出,在Fe2+和Fe3+摩尔比为5:1,溶液pH=9.0,氨水浓度为0.6mol·L-1,50℃晶化3h条件下制备的Fe3O4结构最好,其粒径约为23nm,比饱和磁化强度为83.0 emu·g-1,比表面积为54.71m2·g-1。经过SiO2包覆后制得的SiO2@Fe3O4为壳-核结构,SiO2层厚度约为9nm。磁性纳米SiO2@Fe3O4颗粒负载Ti后,经300-700℃高温焙烧,Fe3O4核均转变为γ-Fe2O3。在500℃左右焙烧条件下制备的TiO2/SiO2@y-Fe2O3粒子,TiO2主要以具有较好光催化活性的锐钛矿晶型存在,其粒径范围为37-50nm,比饱和磁化强度为9.5 emu·g-1,具有良好的超顺磁性。通过考察TiO2负载量、SiO2含量、催化剂的浓度、苯酚溶液初始浓度及pH值、鼓泡O2等因素对苯酚降解效果的影响得出:室温条件下,当TiO2和SiO2质量分数分别为70%和11%的光催化剂降解0.2 mmol·L-1的苯酚溶液时,催化剂浓度为0.5g·L-1、溶液初始pH值为7.0左右,鼓泡O2条件下,光催化降解苯酚效果最好,其COD去除率可达70.9%。在最佳降解苯酚条件下,第1次使用磁性纳米光催化剂降解苯酚溶液时,苯酚COD去除率达到70.9%,催化剂回收率达到97.0%。催化剂经过8次循环使用,COD去除率降低了20.1%,而回收率可达91.0%,表现出了很好的可循环使用性能,这对有机废水的光催化研究有一定的借鉴作用。另外,经过Ni2+或Cu2+掺杂改性的磁性纳米光催化剂,对苯酚的光催化降解效果也有一定影响。
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