磁性纳米TiO<,2>/SiO<,2>@γ-Fe<,2>O<,3>光催化剂制备及对苯酚光催化降解性能研究
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0.6 mol·L-1，50℃晶化3 h条件下制备的Fe3O4结构最好，其粒径约为23 nm，比饱和磁化强度为83.0 emu·g-1，比表面积为54.71 m2·g-1。经过SiO2包覆后制得的SiO2@Fe3O4为壳-核结构，SiO2层厚度约为9 nm。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@γ-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37～50 nm，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0.5 g·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。
二氧化钛;四氧化三铁;磁性纳米材料;光催化剂;苯酚降解;共沉淀法;含酚废水处理
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
季生福
2010
中文
TQ426.8;X703.5
89
2010-08-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）