納米TiO-,2-光催化材料的改進(jìn)及處理造紙廢水的研究.pdf

1、造紙廢水排放量大、顏色深、濃度高、污染物種類多，處理難度大，傳統(tǒng)的處理方法難以滿足行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)，而不少研究表明光催化氧化法處理造紙廢水能夠獲得比較令人滿意的效果。在諸多半導(dǎo)體光催化材料中，TiO2以其化學(xué)穩(wěn)定性好、光催化效率高、成本低、無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)外環(huán)境工作者在廢氣、廢水處理領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)。但分離、回收困難、易產(chǎn)生二次污染等是普通粉末狀TiO2在使用過(guò)程中普遍存在的問(wèn)題，因此對(duì)TiO2進(jìn)行礦物負(fù)載、改性逐漸成為新的研究熱點(diǎn)。采用

2、低品位的礦物原料制備新型環(huán)境材料是礦產(chǎn)資源高效利用的重要途徑，有利于節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展；改變TiO2的存在形態(tài)以便克服其難回收的缺點(diǎn)，同時(shí)保持其催化活性也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　 本論文主要包括三個(gè)部分：(1)褐鐵礦基納米TiO2晶體膜的制備、表征及性能研究；(2)過(guò)渡金屬摻雜褐鐵礦基納米TiO2晶體膜的合成、表征及性能評(píng)價(jià)；(3)納米TiO2光催化顆粒材料的制備、表征及用于處理造紙廢水研究。系統(tǒng)研究了制備褐鐵礦基

3、納米TiO2晶體膜的一些基礎(chǔ)性問(wèn)題，探索并優(yōu)化在褐鐵礦基材表面制備納米TiO2晶體膜的工藝條件，重點(diǎn)研究了制備的主要影響因素并進(jìn)行一定的理論分析；構(gòu)建了過(guò)渡金屬離子摻雜方式，通過(guò)對(duì)造紙廢水的光催化氧化處理，提出了工業(yè)化應(yīng)用的一些基礎(chǔ)參數(shù)；研究了顆粒光催化材料的制備條件，構(gòu)建了另一種形式的光催化材料的負(fù)載方式，將其用于造紙廢水處理并分析其回收重復(fù)利用的可能性。以上研究的主要內(nèi)容及結(jié)果如下：
　　 (1)褐鐵礦基納米TiO2晶體膜的

4、制備、表征及性能研究
　　 以褐鐵礦為載體，以鈦酸丁酯為前軀物，采用溶膠——凝膠法制備具有核/膜結(jié)構(gòu)的褐鐵礦/TiO2光催化劑，并利用低濃度造紙廢水來(lái)研究光催化劑的制備條件實(shí)驗(yàn)和降解條件實(shí)驗(yàn)，同時(shí)利用XRD、SEM等測(cè)試手段對(duì)樣品進(jìn)行表征分析。結(jié)果表明：
　　 1)單因素試驗(yàn)確定褐鐵礦/TiO2光催化劑的最佳制備條件為：反應(yīng)時(shí)間3h，反應(yīng)溫度40℃，焙燒時(shí)間2h，焙燒溫度500℃，負(fù)載物粒度-0.074mm；
　　

5、 2)正交試驗(yàn)確定制備褐鐵礦/TiO2光催化劑的各因素影響大小為：焙燒溫度＞反應(yīng)溫度＞反應(yīng)時(shí)間＞焙燒時(shí)間。確定最佳組合參數(shù)為：反應(yīng)時(shí)間3h，反應(yīng)溫度50℃，焙燒溫度500℃，焙燒時(shí)間2h。；
　　 3)廢水在紫外光影響下的脫色率為6％，基本可以忽略。褐鐵礦負(fù)載二氧化鈦后，其吸附能力有明顯提高，初次降解后回收的光催化復(fù)合材料，仍有較高的吸附能力；
　　 4)處理造紙廢水最佳工藝條件為：催化劑用量5g/L，廢水pH=4.0

6、，光照時(shí)間2h時(shí)脫色率達(dá)到85％，CODcr去除率達(dá)到70％；
　　 5)回收實(shí)驗(yàn)和表征分析顯示，褐鐵礦表面已經(jīng)形成一層較為均勻的銳鈦礦相TiO2膜，且核/膜結(jié)構(gòu)較為牢固。
　　 (2)過(guò)渡金屬摻雜褐鐵礦基納米TiO2晶體膜的合成、表征及性能評(píng)價(jià)在礦物負(fù)載納米TiO2晶體膜的基礎(chǔ)上，對(duì)褐鐵礦/TiO2光催化劑進(jìn)行Fe3+摻雜改性，結(jié)果表明：
　　 1)單因素試驗(yàn)確定褐鐵礦/Fe3+-TiO2光催化劑的最佳制備條件

7、為：摻雜量0.5％，反應(yīng)時(shí)間3h，反應(yīng)溫度40℃，焙燒時(shí)間2h，焙燒溫度400℃；
　　 2)正交試驗(yàn)確定制備褐鐵礦/Fe3+-TiO2光催化劑的各因素影響大小為：Fe3+摻雜量＞焙燒溫度＞反應(yīng)溫度＞焙燒時(shí)間。制備最佳組合參數(shù)為：Fe3+摻雜量0.5％，反應(yīng)溫度40℃，焙燒溫度400℃，焙燒時(shí)間2h；
　　 3)褐鐵礦/Fe3+-TiO2比摻雜前具有更高的光催化活性，在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下，光照時(shí)間2h時(shí)脫色率達(dá)到95％，CO

8、Dcr去除率達(dá)到80％，效果高于褐鐵礦/TiO2；
　　 4)回收試驗(yàn)和表征分析可知：通過(guò)摻雜，在提高催化劑光催化活性基礎(chǔ)上，褐鐵礦/Fe3+-TiO2光催化劑中褐鐵礦表面均勻地包覆了一層以銳鈦礦為主要成分的TiO2膜，核/膜結(jié)構(gòu)較為牢固。
　　 5)利用光催化活性最好的褐鐵礦/Fe3+-TiO2進(jìn)行絮凝—光催化試驗(yàn)處理造紙廢水原液，原液CODcr3000mg/L，經(jīng)光催化處理4h后造紙廢水CODcr去除率達(dá)到94％，廢

9、水剩余CODcr183mg/L，pH=6.3，達(dá)到國(guó)家行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)。重復(fù)利用實(shí)驗(yàn)研究顯示，在一定條件下，光催化劑回收率較高，可多次循環(huán)使用，有較好的重復(fù)利用效果。
　　 (3)納米TiO2光催化顆粒材料的制備、表征及處理造紙廢水研究
　　 以納米TiO2的光催化作用為前提，通過(guò)礦物負(fù)載，同時(shí)進(jìn)行造粒研究，使其具備較高吸附和光催化活性，解決粉狀材料回收困難的問(wèn)題。結(jié)果表明：
　　 1)負(fù)載材料累托石與粉煤灰的配比是

10、影響顆粒材料光催化活性的主要因素，造粒過(guò)程適量膨潤(rùn)土的加入有利于提高顆粒強(qiáng)度?；厥疹w粒經(jīng)加熱處理后，重復(fù)使用4次，仍具有很好的去除效果。
　　 2)采用絮凝——光催化氧化法聯(lián)合對(duì)造紙廢水進(jìn)行處理，當(dāng)硫酸鋁投加量8g/L，pH值6.5～8.5，顆粒材料用量0.12g/mL，流經(jīng)2個(gè)反應(yīng)柱，光照4.5h，COD去除率和脫色率均可達(dá)80％以上，處理后出水達(dá)到國(guó)家造紙工業(yè)廢水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB3544-2001)的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。處理過(guò)