發(fā)布時(shí)間：2016-08-20 06:14

第一章 緒論

在 1972 年，日本科學(xué)家 A.Fujishima 和 K.Honda[2]率先對(duì)外公布了他們的最新發(fā)現(xiàn)，在紫外光或自然光等的照射下半導(dǎo)體二氧化鈦本身會(huì)對(duì)水產(chǎn)生一定的分解作用，生成部分量的氫氣，兩位研究人員的發(fā)現(xiàn)，在全世界范圍內(nèi)引起的強(qiáng)烈關(guān)注，引發(fā)了半導(dǎo)體相應(yīng)的光催化技術(shù)在環(huán)保及其他工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用。光催化技術(shù)的創(chuàng)新之處在于其主要是利用自然光產(chǎn)生的光能量對(duì)其氧化降解有機(jī)物的提供推動(dòng)力，光催化技術(shù)可將許多大分子有機(jī)物無二次污染地氧化轉(zhuǎn)化成二氧化碳?xì)怏w和水等無機(jī)產(chǎn)物，該技術(shù)已成為全世界科研人員共同研究的環(huán)保綠色技術(shù)之一。隨著全球各地科研人員不斷深入，人們對(duì)于光催化技術(shù)的了解逐步加深，現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)并比較掌握的部分半導(dǎo)體光催化劑主要有 CdS、WO3、ZnO、TiO2、SnO2等[3]。半導(dǎo)體 TiO2催化劑是當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的各類半導(dǎo)體類型催化劑材料中研究較多的一種光催化劑，由于 TiO2具有無二次污染、耐酸堿腐蝕、光催化活性高、穩(wěn)定性能較好、制備工藝簡單、價(jià)格比較便宜、重復(fù)使用率高等諸多優(yōu)點(diǎn)[4,5]。

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第 2 章 實(shí)驗(yàn)材料與研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

考慮到實(shí)際工業(yè)的生產(chǎn)應(yīng)用，為進(jìn)一步探究在動(dòng)態(tài)環(huán)境中 TiO2電極光電協(xié)同催化氧化降解羅丹明 B 的最優(yōu)條件，在一定的基礎(chǔ)上，利用研制的三相流化床光電催化反應(yīng)器，進(jìn)行對(duì)最佳進(jìn)水流量、最佳曝氣量等的研究。反應(yīng)器的底面直徑為 15 厘米，高約為 80 厘米，，容積約為 15 升，容器內(nèi)底部放置曝氣盤，容器底端連接蠕動(dòng)泵控制流量，上部設(shè)置溢流口，形成三相流態(tài)化反應(yīng)條件。

2.2 光電催化反應(yīng)裝置

實(shí)驗(yàn)采用有機(jī)玻璃自制的光電催化實(shí)驗(yàn)反應(yīng)裝置，如下圖 2.1，該反應(yīng)裝置的總?cè)莘e是 2.5L，在容器里面放置功率為 9W 的紫外燈做為光源、用自制的泡沫鎳做為反應(yīng)的正極（不同摻雜改性的 TiO2負(fù)載在泡沫鎳），以石墨為負(fù)極。泡沫鎳電極和石墨電極分別于外部的電化學(xué)工作站連接，利用電化學(xué)工作站調(diào)控施加的外加偏電壓。

第 3 章 改性 TiO2電極的制備及光電催化性能研究.........27

3.1 引言........ 27
3.2 催化劑的制備................... 27
3.3 負(fù)載型改性 TiO2催化劑的表征及分析.............28
第 4 章 Fe-N 共摻雜改性 TiO2電極光電催化降解羅丹明 B 的優(yōu)化研究 ............34
4.1 改性 TiO2催化劑最佳 Fe-N 配比的確定....................34
4.2 Fe-N 共摻雜 TiO2電極降解羅丹明 B 的研究 ........35
4.3 動(dòng)態(tài)條件下改性 TiO2電極降解羅丹明 B 的研究.............39
第五章 Fe-N 共摻雜 TiO2電極光電催化降解羅丹明 B 的動(dòng)力學(xué)研究 ................44
5.1 引言..................... 44
5.2 Fe-N 共摻雜 TiO2電極降解羅丹明 B 的動(dòng)力學(xué)研究 .......................45
55.3 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的建立................ 52
5.4 本章小結(jié).................. 53

第五章 Fe-N 共摻雜 TiO2電極光電催化降解羅丹明 B 的動(dòng)力學(xué)研究

5.1 引言

為更深入性地探究不同因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，通常會(huì)采用反應(yīng)動(dòng)力學(xué)建模的方法對(duì)該反應(yīng)過程進(jìn)行更準(zhǔn)確地研究。一般目標(biāo)物的初始濃度、外在壓力、反應(yīng)體系的溫度以及發(fā)生催化反應(yīng)時(shí)的催化劑的濃度和種類都會(huì)影響反應(yīng)速率，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的模型主要是表達(dá)反應(yīng)速率與其影響該化學(xué)反應(yīng)的各因素之間的函數(shù)關(guān)系。通過研究對(duì)應(yīng)化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型，我們可從中進(jìn)一步了解其反應(yīng)的內(nèi)在規(guī)律，通過調(diào)節(jié)相關(guān)的影響因素，進(jìn)而提高反應(yīng)速率，使此反應(yīng)過程能更好地應(yīng)用于實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。針對(duì)于 TiO2催化劑相關(guān)的光催化氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究較多，但是對(duì)于其在光電協(xié)同催化作用下降解污染物的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究比較少。本章實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的Fe-N 改性 TiO2電極光電催化降解羅丹明 B 的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究，此光電催化過程是一個(gè)包含氣體、液體、固體的多相反應(yīng)體系，在各相及相界面之間都會(huì)發(fā)生一定的反應(yīng)，是一個(gè)相對(duì)比較復(fù)雜的反應(yīng)過程，目標(biāo)反應(yīng)溶液初始濃度的變化，反應(yīng)溶液 PH 的變化，外加電壓的變化以及反應(yīng)過程中生成的各種中間產(chǎn)物都會(huì)對(duì)整個(gè)反應(yīng)過程的降解速率造成影響。

5.2 Fe-N 共摻雜 TiO2電極降解羅丹明 B 的動(dòng)力學(xué)研究

從圖 5-1 可知，在低濃度范圍為 5-25mg/L 內(nèi)，改性 TiO2電極對(duì)羅丹明 B 的降解效果伴隨其溶液的濃度增加表現(xiàn)出先提高后下降的過程�？赡苁怯捎诔跏剂_丹明 B 的濃度過高，其溶液的顏色變得很深，進(jìn)而影響 TiO2電極表面對(duì)紫外光的吸收量，催化劑本身被激發(fā)躍遷的光電子數(shù)量相應(yīng)的減小，參與反應(yīng)的光子數(shù)量下降，無法產(chǎn)生更多的羥基自由基，從而導(dǎo)致其催化性能的下降[61]。如表 5-1 所示Fe-N 改性 TiO2電極在不同的初始濃度情況下的光電催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征。從 5 個(gè)實(shí)驗(yàn)組中可知線性相關(guān)度 R2分別為 0.9685、0.9497、0.9642、0.9684、0.9497，時(shí)間 t 與 ln(ct/c0)表現(xiàn)出較好線性關(guān)系，可知該反應(yīng)過程遵循一級(jí)動(dòng)力學(xué)規(guī)律。

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第 6 章 結(jié)論

本文通過對(duì)泡沫鎳負(fù)載 Fe-N 改性 TiO2光電催化降解廢水中的羅丹明 B 的相關(guān)試驗(yàn)研究和理論探討，采用溶膠-凝膠法制得負(fù)載型 Fe-N 改性 TiO2催化劑，并在自制的光電催化反應(yīng)裝置中，對(duì)進(jìn)行了模擬單一印染廢水的光電催化實(shí)驗(yàn)，分析各因素對(duì)光電催化性能的影響，主要得出以下結(jié)論：（1）以鈦酸丁酯、無水乙醇、尿素、硝酸鐵為制作的原料，泡沫鎳為負(fù)載載體，采用溶膠-凝膠法（Sol-gel）成功制備出了金屬元素 Fe、非金屬元素 N、Fe-N 共摻雜不同種類的改性 TiO2催化劑。（2）以羅丹明 B 為模型單一印染廢水，使用無摻雜改性的 TiO2電極、單獨(dú) Fe、N 以及 Fe-N 不同摻雜的 TiO2電極進(jìn)行對(duì)比光電催化降解實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，F(xiàn)e-N共摻雜 TiO2電極的降解率為 95.7%，是無摻雜 TiO2電極的 2.7 倍。對(duì)不同改性的TiO2電極進(jìn)行的 SEM、XRD 同樣也表明了改性后催化劑電極擁有很好的催化氧化性能。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：98611