水体n、p富营养化对氯代苯甲酸光解的影响

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天津科技大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。除文中特别加W标注引用的内容外,本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果内容,也不包括为获得天津科巧大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文研究做出重要贡献的个人和集体,均己在文中W明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名;曰期;年如巧w/^知识产权和专利权保护声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师具体指导下并得到相关研究经费支持下完成的,其数据和研究成果归属于导师和作者本人,知识产权单位属天津科技大学;所涉及的创造性发明的专利权及使用权完全归天津科技大学所有。本人保证毕业后,W本论文数据和资料发表论文或使用论文工作成果时署名第一单位仍然为天津科技大学。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名曰孤w比年月^曰^学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版,同意公布论文的全部或部分内容,允许论文被查阅和借阅。本人授权天津科技大学可W将本学位论文的全部或部分、内容编入有关数据库进行检索,可W采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密""□(请在方框内打V),在年解密后适用本授权书。本学位论文属于""不保密(请在方框内打v)。[3、作者签名:龙一日期:比年3月|^8日导师签名:曰期;^化年月曰j/^ 摘要一种重要化王原料和中间体被广泛使用氯代苯甲酸作为,由于具有致癌、致崎、"生态致突变致效应,其排放使地表水体环境受到严重污染。光化学转化是有机污染物在水体环境中去除的重要方式。本文针对地表水体严重的富营养化现象,研究水体中氮、磯对氯代苯甲酸光化学降解转化的影响具有重要意义。Ti化光催化氧化技术降解邻氯苯甲酸;(1)本文采用,主要包括下几个部分首先采用凝胶溶胶法制备Ti〇2,考察制备过程中各个因素的影响。运用XRD和TG对催化剂进行表征(2)利用自制Ti〇商业P25,并用亚甲基藍测试其光催化活性;2与型Ti〇2在相同实验条件下光催化降解邻氯苯甲酸,根据其去除率来比较两种催化剂的光催化性能。考察光解邻氯苯甲酸过程中,采用催化性能较好的Ti化来进行后续试验初始浓度,3)、催化剂投加量和溶液pH值的影响确定最佳降解条件;(在水体N、P富营养化的情况下考察邻氯苯甲酸的光解效果;(4)利用醇类做为姪基自由基的捕(5)获剂,初步检验超基自由基理论;采用液质联用来检测邻氯苯甲酸光解的中间产物,W推断邻氯苯甲酸的光解过程。-:(1)i450600.锻实验结果显示自制T,其中化的晶型受锻烧温度影响显著:C烧制备的Ti〇2为锐铁矿型,对亚甲基蓝光催化降解2.5小时后降解率高达95%左右;(2)在相同实验条件下商业P25型Ti〇2比自制的Ti化对邻氯苯甲酸光解4小时后,其降解效果差距较大,相对比之下最终选择P25型Ti〇2作为后续实验的催化剂,确定了光解邻氯苯甲酸的最佳条件,当溶液初始浓度为30mg/L时催化剂投加量为0.1g/L、溶液初始pH值为3.5;(3)在最佳光解条件下当水体中N、P呈现不同程度的富营养化状态时,均会对邻氯苯甲酸的光解产生抑制作用。其中,溶液中5mg/L的--N02-CBA的去除率下降了近27%0H-.5m/LPOCBA的去除率下降3使,g的24使2-5%。(4)CBA的去除效率明显降低-了近2实验体系中加入异丙醇导致2,表明2CBA。光解过程中起主要作用的是径基自由基,初步验证了経基自由基理论(5)通过液-质联用的检测结果得知2-CBA光解中间产物为邻氯苯酪2CBA降解过,初步推断出程为先脱錢而后径基化。本实验研究为面代芳香酸类在水体环境中的迁移转化,尤其是在富营养化水体中的光解转化机理提供了重要依据。关键词:邻氯苯甲酸;N、P水体富营养化光化学转化Ti〇2;光降解机理 ABSTRACTBeingasakindofimportantchemicalrawmaterials,chlorinatedbenzoicacids(CBA)"havebee打widelusedinvariousi打dustriesandalsoowintothecarcinoenicity,;ggyk,,nmutaenicitandratoenicilytheiremissionshavebee打resultisevereollutio打to化egyg,gpsurfacewater-bodenvtTtrtttyironmen.heho化chemisransformaionisbasicallhemainpyyweoaroacroranicoutantsandbecauseoftheseriouseutrocatio打oftheipffpphfogllip,phsurfacewater-bodtecessatstttheefttriis化ereforenroinveiaeecofnioenandy,yg呂phosphoruseutrophicatio打on化ephotolysisofCBA.Inthisthesis,Ti〇2phoU)catalyticoxidation化chnologywasusedtodegradethe2-CBAandseveralartshadbeenincludedas1;hefbllowm:1firstofallTi〇waspg(),2*-pieparedbythesolgelme1:hodandfurthercharac化rizedbyX民DandTG.Also,efectsof*wvarious技ctorsonthepieparationprocesswereinvestigatedindetailduringhichlenebtttcatattt.2tmethyluewasusedoespho化lyicaciviyofTi〇2Comariso打ofhe()p-madeTTi〇phot;ocatalyticperformancebetweenselfi〇2andcommercialP252fbr化et打of2-wastesterthesameexerimentaconddeitio打sandthebettemdaioGBAdundeplrg,*se--onewaschonforthefollowuptestaccordingto化ehigheriemovalrateof2CBA.Theoptimaldegradatio打CO打ditio打wasdeterminedbythei打vestigatio打ofseveralefectfactorstecatats-incinanttandthesolutionHdurinhotolsisteludinghlsdogquipgpy2CB八.3hyy()-lttwastestedwtttttNpho;olysisdegradaionefecof2CBAihheaddiionofeurophicaionandP.4Thehdroxlfreeradicaltheorwasverifiedreliminarilbusinalcoholas()yyypyyghydroxfreeradicascavener.LC/MSmethodwasusedtodet;ectthemainyllg(5)-intermediateroductintherocessofphot:olsis2CBAwhichwasfbrtherusedtodeducepp,y2-thehot:oIsismechanismofCBA.py-madeTTheexperimentalresultsshowedthat:(1)Theselfi〇2wassignificantly〇tecacneratureanataseTrearedunder450-Cinfluencedbhwas.eylinig化mpi〇600Th,2ppcatalyticdegradatio打rateofmethyleneb山ewasashighas95%i打2.5hoursbyusing-madeTt-selfi〇2Thelaredifeire打ceofremovalraeof2CBAwasobviousl2;()gyde1dwiusTi〇afte4hoursclsisunderesameexerimen:erminethvario2rphrtoythpt!condBterc5wascset-itions.comarinhecommialP2Ti〇honashefollowuypg,2pexermentalcatasteotimaloolsisconditionwasidentifiedasthecatalstdosinpilyt,hpphtyygquantityof0.1/LandtheinitialHof3.5whe打theinitialCO打ce打tratio打ofsolutionwasgp-30m/L.3Undertheotimalhotolsisconditionthehotolsisrocessof2CBAwasg()ppy,pyprestranedwithheaddiionofthewatereutrohicationofNPinvarindereesofwhichittp,ygg,,"t-5%wtonNOheremovalrateof2CBAdecreased27%and2ithaddiiof5mg/La,0.5'mg/LH2PO4resectivel.4Thehdroxlfreeradicaltheorwasreliminarverified,py()yyypy -whent;heremovalrateof2CBAdecreasedobviouslybyaddinalcoholasthehydroxylgfreeradicalscavenerwhichfurthedemonstratedthatthehdroxlfreeradicalmihtlag,ryygyp-amainroei打therocessofhoU)lsis2CBA.Themainintermedliateofhotolsisppy(5py)-a-chus2CBAwasdetec化dsolorohenolbin/MSthrouhwhichitcouldbepygLC,gdeducedthatthedecarboxylatio打firstandthe打hdroxylationmightoccurdurintheygderada-tionprocessof2CBA.gHereitshouldbeaddressedthatresultsshowni打thisthesiscouldrovidea打,pmortantbassfortransformationanteofaloenatedaromaticacdsesecaipihetdfahgipillyphotolysismech江打ismi打eutrophic泣tio打waterenvironment.Keywords:chloroben之oicacidN/Pwatereutrohicatio打hotochemicaltransformation,p,p,Ti〇deradatio打mechanism2,g 目录1前胃11.1氯代有机污染物对环境的污染11.1.11有机污染物的污染现状11.1.2高级氧化法降解有机污染物1.1.3氯代苯甲酸的来源31.1.4氯代苯甲酸治理情况31.2Ti〇2光催化氧化法研究现状51.2.1纳米Ti〇2物理化学性质51.2.2纳米Ti〇2制备方法61.7.23纳米Ti〇2光催化机理1.2.4纳米Ti〇2在环境方面的应用81.3水体富营养化与有机污染91.4本课题的研究意义及内容102Ti〇2催化剂的制备及结构光学性能表征122.1实验仪器与试剂12'2.2Ti〇2制备方法及工艺流程122.2Ti〇2制备影响因素调查132.3Ti〇2结构表征132.4Ti〇光催化性能测试1322.5结果与讨论142.11Ti〇2制备影响因素调查14215.5.2温度对Ti〇2制备的影响2.氏3Ti〇2光解亚甲基蓝及动力学分析172.6本章小结193Ti〇2光催化降解氯代苯甲酸影响因素及动力学分析203.1实验试剂及仪器20-3Ti〇.2自制2降解2CBA203.3P25型T21i〇2的降解效果3.4自制Ti〇2与P25型Ti〇2催化性能对比分析223.5光解影响因素筛选及动力学分析243.5.1投加量的影响243.5.2pH值的影响253.6本章小结28I -4水体N、P对Ti〇2光催化降解2CBA的影响294.1实验试剂与实验仪器29-4.2水体中N对Ti〇2光催化降解2CBA的影响30-4.3水体中P对Ti〇2光催化降解2CBA的影响334.4本章小结355T-i〇2光催化降解2CBA机理分析365.1实验试及仪器365.2哲基自由基理论验证365-.32CBA光催化降解与矿化38-142CBA光催化中间产物测试分析38-5.52CBA光催化途径机理推导40t6本章小结416结427展望348参考文献449攻读硕±学位期间发表论文情况5410致谢55II 天津科技大学硕止学位论文1前言1.1氯代有机污染物对环境的污染1.1.1有机污染物的污染现状持久性有机污染物(Persistentoranicpollutants,简称POPs)即人类合成的、能g持久存在于环境中并可W通过生物食物链累积对人类健康造成一定伤害的化学物质。与常规的污染物质性质不同,持久性有机污染物的滞留时间更长、不易降解、环境中含量较低、毒性较强、能够通过大气、水和生物迁徙在全球范围内传播。近些年来,W随着科技的不断发展,有机污染物造成的环境污染日趋严重。万年升等人通过对阿特拉津生态毒性的研究发现其在止壤和水体环境中存留时间长、具有生物富集性且不易生物降解一垃圾中含有多。涂晨等人的研究验证了这现象,他们的研究表明电子氯联苯等POPs,,如果处理方式不当则会对突然环境W及水体环境造成严重污染。它的危害具体表现为,在大气当中,POPs附着于颗粒物上,随着大气的沉降作用WP及大气的扩散在全球范围内进行长距离的迁移。在±壤环境中,POs可W吸附于沉。积物或悬浮物上经过雨水冲刷或地表径流进入水体环境,对水体生态环境造成危害W氯代有机污染物为例,而且当生物摄取含有污染物的食物后,由于大部分POPs都具有亲脂性,通过生物链不停地放大毒性,最终导致人类的健康受到威胁。W氯代有W2机污染物为例iver.,Ol等人研究发现,六氯苯辛醇水分配系数为5,其在湖水和沉■4nKu。积物中的浓度有很大差别,分别为化0g/g和0.2g/Kg这就表明,氯代有机污染物进入水体后,大部分被水体中的沉积物所吸附,在生物体内富集,即使水体中的氯代有机污染物浓度很低,但是通过食物链的富集放大作用在生物体内的浓度水平较局。1.1.2高级氧化法降解有机污染物POP一s的治理直是环境领域的重点研究谏题。一水体中有机化合物大致可W分为两类,类是主要由腐殖酸组成的天然有机物,一类是由人工合成的有机化合物、、大气污染、城另,主要来源于工业废水生活污水W市与农田径流等。人工合成的有机化合物是水体中有机污染物的主要组成部分。,虽然这些有机污染物在环境中的含量少,但是其毒性大而且大多都具有生物放大作用,常规的水处理工艺很难起作用。例如当用微生物法处理这类污染物时,需要培养筛选特殊的菌种,有时还需要多种菌种进行协同作用,微生物法不仅降解周期长而且降解不彻底,此外微生物对有毒物质敏感,容易导致降解组织失活,甚至可能导致微W生物死亡。所W对水中有机污染物的深度去除引起了国内外各界广泛的关注。Adv一高级氧化技术ancedOxidationProcesses,AOPs是种去除有机污染物的新()。技术,近些年来备受人们的关注高级氧化法利用反应中产生的强氧化性径基自由基W一来氧化分解水中的有机污染物。高级氧化法就是个通过不同途径产生酱基自由基1 1前言的过程一旦反应体系中形成了哲基自由基就会诱发一。系列的自由基链反应无选择地攻击水体中的各种有化污染物,直至其降解为二氧化碳、水和其他矿物盐。因此可WW说高级氧化技术的标志就是经基自由基的产生。离级氧化技术主要包括(1)Fentonenton法(2)3)湿式氧化法。法和类F;臭氧氧化法;(;(4)电化学氧化法等一()Fenton法和类Fenton法4年F189,法国科学家enton发现芬顿试剂,该方法已经被人们普遍用作处理工W业废水中的有机污染物。大量研究表明,Fenton法之所W能够将水中的有机污染物2+很要的氧化去除是由于当pH足够低时,在Fe的催化作用下,&化就会分解产生超一而且F基自由基,从而引发系列的反应;enton反应中所产生的Fe(0H)3W胶体形态W存在,具有凝聚和吸附性能,可除去水中部分悬浮物和杂质。例如冯俊生等人在2+==口113,11(&〇2):11评6)15:1时,对苯酌进行降解60〇1111后,去除率为68.7%。显然传统的Fenton法在具有很多优势的同时也存在诸多弊端。例如,在反应过程中所用试2+剂量大,Fe;其次对降解环境pH要求较高处理时间过长;另外在反应体系中引入可能会造成对水体的二次污染。由于传统的Fenton法有W上缺点,人们开始尝试将紫外光照射、过渡金属等引入传统Fenton体系,并试图通过实验研究找寻其它过渡金属2+代替Fe。大量实验证明上述方法均可W增加Fenton法对有机污染物的氧化降解能[W==力,这些改进的技术被称为类Fenton法气例如孙等人在pH3,n(吐化)102+F=-mmol/L,n(e)0.05mmol/L时降解0.0720.217mmol/L对硝基苯胺,30分钟后降解率达到了98%W上。研究表明,.利用Fe(III)、MnII等均相催化剂亦或者是铁粉、()-OH石墨、铁儘氧化物、含水层物质等非均相催化剂同样可使H202分解产生,达到IW氧化去除有机污染物的效果。二臭氧氧化法()臭氧氧化法主要是W臭氧为氧化剂来处理那些有毒有害且无法生物降解的有机污染物。臭氧操作简便,无二次污染,在废水处理中可W起到消毒、除色的作用,已有大量研究人员对臭氧氧化法降解有机物的机理进行了深入研究。例如Somensi等运用臭氧对印染废水进行预处理。实验结果显示在pH为9的条件下处理4h后,废水的色度去除率为67.5%,COD去除率为25.5%。此外废水的可生化性(BOD/COD)=tW有所提升。研究发现臭氧氧化法产生経基自由基的途径主要有种;1在碱性条件()一些下(2)在紫外光照射下(3)在金属催化下。然而单独使用臭氧处理废水也存在弊端,例如臭氧含量和利用率低、氧化能力弱、处理成本高等问题,这样看来臭氧氧-化法对有机物污染物的降解存在选择性处理。曾俊吁等人将Co/MCM41分子筛用于催化臭氧氧化水中对氯苯甲酸.6,结果表明降解率高达%%,是单独使用臭氧的1倍。(三)湿式氧化法湿式氧化法是在高温高压下W空气中的氧气为氧化剂将水中的有机污染物氧化分解为C〇2和H20等无机物或小分子有机物。欧洲普遍采用湿式氧化法来处理石油2 天津科技大学硕±学位论文废水、城市污泥W及垃圾渗滤液等。例如,Katsoni等人采用WAO法、工业废水对食品加工废液进行降解发现在最佳降解条件下废液中酪类的去除率为100%,色度去除率可达到90%。(四)电化学氧化法电化学氧化法降解有机污染物的途径主要是依靠电极作用产生过氧化氨、超氧自由基和経基自由基等活性基团来氧化有机污染物。该方法没有催化剂的参与,可W有效地避免了造成二次污染。电化学氧化法具有处理效率高、操作简便、实验条件温和、凝聚、杀菌等优点,备受国内外的关注。例如,Zhu等人测惨杂的金刚石作为阳-2?-极对焦化废水进行深度处理,060mAcm时实验结果显示当电流密度为2,在=??H311,温206(rC的条件下可将有机物完全矿化。但是该方法也存在很多p度,问题,如能耗大、设备成本高、新型电极材料的研发等问题。1.1.3氯代苯甲酸的来源一持久性有机物的个重要来源就是有机氯农药,类似于氯取代苯酪、难生物降解的氯化物溶剂、农药和表面活性剂等氯代有机化合物长久W来都被认为典型的难降解氯代有机化合物。美国环保局早在1976年率先公布了129种优先污染物,在黑名单中氯代有机污染物占据大约60%。他们在自然界的广泛存在,在生活当中经常被用在制药和个人护理品当中,它可W导致细菌抗药性,造成不育亦或是造成水生动物的激素水平分泌不最终致雌性化。氯代有机化合物所造成的危害W及它的潜在风险使它的U7’W降解及管理受到广泛关注。此外,大量的使用氯代有机化合物致使其在自然水体0—22pi或废水中浓度不断上升,传统的水处理技术无法将其彻底去除。一氯代有机化合物的来源有两种一,种是人工合成另种是由自然界自身作用产生的目前来说,与人工合成的氯代有机化合物相对比,对自然作用产生的氯代有机PW一一化合物的研究较少。Ha化er等人通过研究发现在定条件下CPO酶通过些列作用可W产生H氯乙酸。通过查阅文献可知绝大部分的氯代苯甲酸都是人工合成有机物,但是目前己有多位学者在实验室条件下验证了氯代苯甲酸是多氯联苯的降解产物pypsi-二氯联苯。郑菌萍等人采用肠杆菌LY402对多氯联苯进行降解发现,23在代谢,’3-2--过程中转出成2氯代苯甲酸,2而,氯联苯则被降解为2氯苯甲酸。陈蕾等人,-3利用5mg/LHA在模拟太阳光照射下对PCB1进行光降解实验,室温下反应36小时--氯苯甲酸后经GCMS检测发现其降解产物中含有4。对于氯代苯甲酸这种危害性大的有毒污染物,我们首先需要从生产源头加强管理减少其进入自然环境的机会;其次,还需要对自然环境中现存的氯代苯甲酸进行彻底降解来保护我们的生态环境。1.1.4氯代苯甲酸治理情况2004年3月我国正式执行有关持久性有12机物的斯德哥尔摩公约,公约中对种POPs:(1)农药:DDT、氯丹、艾氏剂、狄氏剂、^:氯、异狄氏剂、灭蚁灵、毒杀酶和六氯苯(HCB);(2)工业化学品:六氯苯(HCB)和多环芳轻(PCBs);(3)3 1前言PCDF副产物:二恶英(PCDD)和巧喃()的生产、使用和处置等措施做出了严格规定。值得注意的是这12中POPs均为有机氯化物;因此对环境中氯代有机污染物的研PWW究也成为了目前环境科学领域和各国政府普遍关注的热点问题。"随着社会的不断发展,氯代有机污染物的污染情况越发严重。回顾日本的米慷"""""油事件、台湾的食用油中毒事件和加拿大的泄漏事件,人们开始关注氯代有机污染物的环境污染问题。作为降解氯代有机污染物的限速步骤,氯代苯甲酸的治理在近些年来也引起了国内外的广泛关注。大多数有机污染物可能经历光降解、水解、生物降解和生物富集等转化过程而被消除一。氯代苯甲酸作为种难生物降解的有机污一染物,般污水处理措施很难在短时间内对其产生较好的去除效果。例如er,Olivi-PIiLesage等人调用介质阻挡放电(DBD、化16gkWh)在空气中放电产生哲基自由基、臭氧、等活性物质来降解对氯苯甲酸(初始浓度为0.3mmol/L)60,反应进行分钟P2后对氯苯甲酸的去除效果很好。XukaiLi等人诗U用Ni负载活性炭为催化剂联合臭0L-脚氧可在6min内将10m/CBA氧化去除60%W上。AsmaMhemdi等人利用电gP-2-芬顿法结合BDD阳极氧化法来降解CBA,研究结果发现降解02CBA被18分钟后完全矿化P41。目前对氯代苯甲酸的降解途径有多种猜测,其中最为普遍的推测是;T.PyStella等人利用虎皮香茹对氯代苯甲酸的混合物进行降解,发现氯取代及的位置对降解结果无明显影响,但是氯离子对氯代苯甲酸的降解产生了明显的抑制作用。en口一V却tinaMassa等人哨拥单FG1菌体的W及人工培养的组合菌体化W340/FG1来一降解对氯苯甲酸,5,在相同的实验条件下作了比较发现单的FG1菌体需要大约2小时能够将对氯苯甲酸降解完全,而组合菌体PaW340/FGl只需要10小时左右便能一使其完全矿化。JhgCong等人采用过硫酸盐与臭氧W摩尔比1:1来降解9umol/L一对氯苯甲酸,反应进行5分钟后对氯苯甲酸已完全矿化,而单采用臭氧进行降解,同样条件下其降解效果仅有一一49%。组合降解速度比单的臭氧降解快将近倍。通过查阅文献可知,目前主要采用改良的高级氧化法或改进的生物法对于氯代苯甲酸进行降解,相比较而言生物法的处理时间较长而且生物法对菌体的培养条件、降解实验环境都有严格的要求,并且实验设备复杂。而高级氧化法的处理过程相对简单易行、实验预处理过程简便、处理时间较短且最终处理效果较好。总体来说,高级氧化法比生物法更适合于处理氯代苯甲酸这类毒性高且难生物降解的氯代有机污染物。光催化氧化法作为一种新型的高级氧化法,不仅可不可逆地改变了有机污染物分子一,是个真正的污染物分解过程;同时与生物降解等方式相比,光降解反应条件一温和、限制条件少、应用范围广,因此光降解是有机污染物的重要降解途径之。其中半导体光催化氧化技术作为一种新型的现代化污水处理技术,对多种有机污染物有明显的降解效果。在众多半导体光催化剂中,Ti〇2光催化剂备受关注,是由于其具有化学性质稳定、高催化活性、安全、无毒和低成本等优点,因此被广泛用来处理有机一3839’[1污染物,是最有开发前途的绿色环保催化剂之。W1972年Fuishima和化nda喉现Ti化微粒受光照后可W使水分解发生氧化还原j4 天津科技大学硕±学位论文反应。这为光催化反应的研究奠定了基础,与此同时半导体的光催化技术得到了飞速"[1的发展。半导体光催化剂有很多种,Ti〇、CdS、W〇、ZnO、ZnS、Sn〇等。232其一。中由于Ti〇2的价带能级较高,照射后能够加速些吸热化学反应在其表面加速进行因此Ti〇2是目前公认光催化反应中的最佳催化剂在Ti〇2为催化剂的光催化反应中有很多影响因素,如溶液初始pH值,水体成H=分等。于秀娟等人在研究苯甲酸的光解过程时发现在p3.5的条件下,TOC的降=解速率最大,8降解效果最差。孟耀斌等人利用Ti〇2光催化降解对氯苯甲酸钢pH,并考察了初始浓度、催化剂投加量和光强对实验过程的影响。结果发现,当入射光强2为3mW/cm、溶液初始浓度为0.15mmol/L、催化剂投加量为0.4g/L时,对氯苯甲酸的降解速率为化06mmmo,I/LA。通过研究发现当反应溶液初始浓度较小时催化剂的投加量对降解效果影响并不大。GE等人发现水体中所含成分也会影响有机物在=水中的光降解过程。Halima等人研究了Ti〇2对种氯代苯甲酸的降解效果。研究发现当氯取代基位置不同时,其降解效果也有较大差异,氯代苯甲酸的H种同分异构-<-<--体在水中的去除顺序为3CBA2CBA4CBA,其中4CBA最容易降解。12Ti〇.2光催化氧化法研究现状1.2i.1纳米T〇2物理化学性质由于光催化在多个研究领域不同产品中都有所应用,特别是在环境和能源领域光催化的发展在近些年得到广泛关。1972年藤岛和本田两人对水分解的研究发现某些材料可W利用其光值化性能将照射到材料本身的光能转化为化学能,从而氧化或还原水体、大气、或者墙体表面的污染物和细菌,将他们移除最终获得含氨化合物或者碳氨化合物由于光催化材料的这一特性致使其在环境方面得到广泛的应用。光催化剂的种类繁多,目前为止光催化材料主要分为P型半导体材料、n型半导体和本征半导体。本征半导体包括娃、错的单晶体结构,受激发后它所能产生的载流子数量较少;n型半导体材料包括V2〇5、ZnO、CuO、W〇3、Ti〇2等,n型半导体中自由电子为多子,空穴为少子,依靠自由电子来导电,空穴用来氧化型半导体材;p料包括N、化0、MnO等,型半导体中空穴为多子,自由电子为iO、C化0、打2〇3Pstw少子,自。,依靠空穴来导电由电子用来还原目前广泛研究的半导体光催化剂大多数都属于n型半导体化合物,在众多n型半导体光催化剂中Ti〇2W其对有机污染物的强氧化性,超亲水性,化学稳定性,耐用性,无毒性,低消耗,透光性这些优点而被广泛应用Ti〇2共有H种晶型分别是板铁矿型、锐铁矿型和金红石型。不同晶型-的Ti〇2具有不同的理化性质(见表11)。5 1前言表MTi〇2晶型对比T-able11ComarisonofVariousTi〇2crystalsp晶型优点缺点锐铁矿型(Anatase)禁带宽度大、空穴更易捕获热稳定性差,高温已转化为金红石型ue-金红石型(Rtil)热稳定性高电子空穴复合速率快板铁矿型(Brookite)较为稳定结构复杂、对称性差122Ti..纳米化制备方法Ti〇纳米材料的种类繁多,其制备方法也是多种多样。目前纳米Ti〇2的种类有:2颗粒状的、纳米纤维、纳米复合材料、纳米管、纳米薄膜等。相应的制备方法也有很多、沉淀法、。根据不同的实验目的选用不,例如溶胶凝胶法微乳液法、水热法等等同方法制备的不同类型的Ti〇2。下面简单对提到的集中制备方法进行介绍;(1)水热法是在密闭容器内,W水为溶剂在高温高压的条件下进行化学反应。stwt景明俊等人利用水热法,纳米管铁酸做前驱体制备P惨杂的纳米Ti化样品其对,5511法制得丙巧的光催化降解活性较高1;王东波等人^^铁酸四了醋做前驱体,利用水热锐铁矿型纳米了记2且晶型结构较好。水热法制备的Ti〇2晶型结构稳定,无需经过高温锻烧晶化。但是其制备条件苛刻,能耗较大。(2)微乳液法是将反应物配成微乳液后采用离也或者加入表面活性剂、水,将1%粉体从微乳液中洗出,再通过高温处理得到纳米粉体。朱果诗0用离子液体微乳液体系制得单一锐铁矿型纳米Ti〇2,且其可与裡离子发生嵌入和脱嵌作用,可作为裡离子57t的电池电极材料J;贺进明等人哺用低温微乳液法制得了不同形态的金红石型纳米了仿2,研究结果表明,在制备过程中水与表面活性剂的比例对Ti〇2的形貌有严重的影。响,随着比例的增大产品逐渐出现团聚现象利用微乳液法制备的Ti化粉体热稳定性好,,溶剂不易洗脱。,粒子间不易团聚等优点但是微乳液法制得的颗粒较大(3)沉淀法是利用含铁离子的盐发生水解生成含有铁的前驱体沉淀,经过多次洗洛后锻烧得到粉体。郑品棋等人在380度下嫩烧利用化学沉淀法制备得到锐铁矿型Ti〇2,制备过程中随着氨水的浓度的升Ti〇2颗粒粒径逐渐变小。与其他制备方法相比法简单易行,但是制得的Ti〇粒子纯度较低。,沉淀2(4)溶胶凝胶法就是铁盐加入到水中先发生水解反应形成溶胶状态,然后脱水缩聚形成凝胶,再经过高温锻烧后即得到Ti〇2粉体。铁醇盐为例,主要反应过程如下所示。水解;—n-m+TiORn+m战0TiORmOHm民OH()()()6 天津科技大学硕I:学位论文缩聚:—-2Ti0Rn-m0HmiORn-mOHm()()[T()()l]2〇+H2〇P9NVenkt.aachalam等人哺用锭酸异丙醋做前驱体用溶胶凝胶法制备成纳米T--i〇2,用其来降解双齡A。经过紫外灯照射6小时后,双酌A的TOC去除率高达100%;KyeSangYoo等人采用溶胶凝胶法来制备纳米Ti〇2粒子,并用离子液体做模版剂,发现加入BminPF6的TK)粒子比表面积较高、晶型结构更稳定。与上述制[]2备方法相比,溶胶凝胶法制备过程简单、制备条件简易、能耗小且得到产品纯度较高。W,62总的来说,利用溶胶凝胶法来制备Ti化被应用的范围最广l1.2.3纳米Ti〇光催化机理2Ti〇2由导带(ConductionBand)和带有电子的价带(ValenceBand)构成,导带V。当的带能要高于价带,二者的禁带宽度为3.2e光能大于3.2eV的紫外光照射到Ti〇2颗粒表面时,具有较高能级的价带上的电子受到激发后跃迁是导带使导带带负-,电并在价带上形成带正电的光生空穴,继而形成光生电子空穴对,其中化学反应示-1意过程见图1。.++RH一RH\t+3bV)(/。。^.+A州广V+HP一〇H:+HS1-i-.. ̄+e〇一〇+〇>〇/"2222JIV?文*-e+H〇?>OH+DOH"22s/A-?-leectron=ohole1-1T图i化颗粒经紫外光照射后的反应过程F-currnTarUVexig.11Processesocigonbarei〇2rticlesaftecitationp受到光照后,价带上的光生空穴的氧化还原电位为2.53VTi化表面吸附了,如果水分子或者氨氧根离子,那么当光生空穴扩散到Ti〇2表面时可与其发生反应生成経基自由基,生成的径基自由基的氧化还原电位略低于光生空穴,但是二者的氧化能力4863,,均高于臭氧t^,且二者皆可将有机物氧化分解成为C化、&0等无机小分子。-0V导带上的光生电子所具有的氧化还原电位为.52Ti〇,如果2表面吸附了氧分子,光生电子能够与其生反应将氧分子还原为超氧自由基,超氧自由基也可W与反应一体系中的水分子进步反应生成径基自由基,从而将有机物氧化分解掉,完成光催化降解。7 1前言,那么他们就会在反应过程中,如果Ti化表面的光生电子和光生空穴没有被捕获一发生复合,,且复合速率块这也是我们在光催化反应中需要克服的点。根据具体实验条件不同,光生空穴、哲基自由基、过氧化氮、氧气、超氧自由基均可W在光催化反应中起到重要作用。1.2.4纳米Ti〇2在环境方面的应用早在1980年就曾利用Ti化粉末来去除水体和大气中的有害物质,这项特性被医65—721[院和交通部口用来去除空气中的香烟气味和流动细菌。1W5年Fujkhima等人发现Ti化表面的接触角度取决于与之相接触的介质的表面光洁度,当Ti〇2暴露在紫,最终几乎变为零。基于送种特性外光下时,其表面与水的接触角逐渐变小,可将Ti化用作防水材料制作浴室中的防雾玻璃、涂料等。而没有紫外光照射时,Ti〇2表现出超一特点W及T亲水性,利用这i化的氧化性质,Ti化可W被视为自动清洁的材料,利用这一特质Ti〇2可W用作自洁玻璃。一除此之外,纳米Ti〇在水处理方面也有所应用。般来说2,地表水和地下水无的污染主要来自工业排放、过度使用杀虫剂、肥料和垃圾填埋等。对污水的处理方法目前为止有生物处理、物理和化学处理等手段,但是在实际的污水处理操作中只通过单一的处理方法很难达到排放标准,需要将W上几种方法进行组合,比如过滤、絮凝、一般来说利用微生物法来氧化有机污染物。,污水处理的最佳过程为过滤、清除颗粒悬浮物,最后采用微生物法对污水进行深度处理但是,不是所有有机污染物都可W进行生物降解,二次污染而且在处理过程中容易造成,这些具有抗生物降解能力的有机化合物成为了当前污水处理方面的重点研究方向。一般来说,因,工业废水中含有大量的有机氯化物这种有毒物质此利用生物降解法的效率不高,但是高级氧化法则是依靠产生径基自由基这种高活性物质来氧化分解一送些难生物降解的有机化合物。Ti化光催化技术作为高级氧化技术中的种,被广泛的应用于处理有机废水。利用Ti〇2光催化技法来处理有机废水,最典型的方法就是将Ti〇粉末投放到废水当中2,再通过紫外线照射使其完成光催化反应从而去除水体当中74tW的高压的有机污染物。章晓形等人印J用氮和姉修饰过的Ti〇2粉末在375束灯照射下降解造纸废水,实验结果发现,当氮和饰的惨杂比例均为2%时,废水的COD去P除率为72%。Yuan等人叫夺Ti〇2与ACF结合,在500W的高压束灯照射下,废水原COD值为215mg/L,加入TiCVACF反应40分钟后COD去除率可达100%。M.Nooi址an等人利用Ti〇2对H酸进行降解发现,随着降解过程的进行反应体系中的jCOD明显降低.izao山等人,并且认为此方法可W用于工程化降解H酸废水。CT对二氯化惦酸进行光催化降解发现,当Ti〇2投加量为1g/L,溶液pH值为5时,利78t用紫外光对反应体系照射90分钟后可将二氯化巧酸完全去除。叶映雪等人啼J用Ti化对溶液pH值为6、初始浓度为10ppm的酸性兰A进行降解,实验结果显示,当光照100分钟后酸性兰的去除率高达94%,利用Ti化对溶液pH值为10、溶液初始8 天津科技大学硕-±学位论文浓度相同的酸性澄II进行降解发现00分钟后酸性澄H的去除率为89%。张,光照179t比较于单纯T志翔等人诗U用沸石负载了沿2光催化降解邻氯苯酪,相i〇2的处理效果stwJXee提高了60%左右。.i等人利用C对Ti化进行改性,当CeW摩尔比O.W%惨杂TK>2颗粒时,在同样的反应条件下惨杂后的Ti化对亚甲基蓝的去除率比未惨杂提高了将近30%。这主要是由于通过离子惨杂拓宽了Ti〇2的吸收光谱同时还对捕获了光生电子抑制了光生电子和空穴的复合。目前大多数的光催化降解实验都处在实验室阶段,但是已经有人开始尝试将Ti〇2swstj光催化技术处理地表水工程化aemandez-anez。C.A.Murry和P.FIb等人均采用Ti〇光催化技术来处理被污染的地下水,前者实验结果表明TK)2在实验期间的光催2化活性有很大的变化,后者通过实验发现利用光催化技术可W将被污染的地下水中的腐皮嫌刀菌大量去除。因此,可W确定大规模的使用Ti〇2光催化技术在处理、净化地表水方面还是有很大潜力的。除了在水处理方面的应用,随着对Ti化的研究越来越深入,时至今日Ti化光催化技术的应用已涉及到环境的各个领域。Ti〇2在空气净化方面得到了广泛的应用。徐一安武等人利用Ti〇2乳液,通过紫外光照射来讲解空气中的氮氧化物,经过段反85t应时间后IJTi〇,氮氧化物的去除率高达97%。古政荣等人诗用负载在活性炭上的2一86来降解定浓度的Ht2S,经过6小时的净化发现也S基本净化完全。袁媛等人哺J备U-赶酸铅纤维纳米复合材料(TAS)来脱除烟气中的NO了Ti〇2、S〇2和Hg,实验结果表明,TASmS〇,在紫外灯连续照射1小时后对400pp2的去除率为40%左右在;相同的反应体系下利用紫外灯连续照射1小时后,NO的脱除率达到41%;由于TAS02+上负载的Ti化在紫外灯照射下能够产生活性自由基,能够将Hg氧化为Hg,因此30光照1小时后烟气中50u/mH的去除率高达85%。这说明Tggi化光催化技术在空气净化方面也能达到很好的效果,未来发展前景广阔。1.3水体富营养化与有机巧染W潮海为例讨论地表水体富营养化与有机污染物的现状,潮海属于我国的内陆海,是黄河、迂河和海河的汇聚点。由于潮海周边皆为港口工业园区,中国经济高速.发展的同时,也经受了大量的工业废水排放及漏油事故等影响。大量的工业废水经人为排放、地表径流进入潮海,造成赤潮、溢油等人为灾害,给勃海的生态环境造成很大的破坏。87it资料表明天津潮海区域有机污染严重,其中多氯联苯、滴滴涕、六六六和多环ssw’ti芳轻等典型持久性有机污染物均被显著检出。早在2004年潮海湾区域中多氯联苯和DDTs的含量已分别达到0.21u/L和化076u/Lgg,与国内外的污染水平相比潮海一PW湾区域的污染己达到了个较高的水平。研究发现多氯联苯和DDTs生物降解的主一是氯代苯甲酸要产物之,在其降解过程中有大量的氯代苯甲酸积累,并且氯代苯甲酸己成为了多氯联苯完全矿化的限速步骤由于氯代苯甲酸其本身结构含有氯原子9 1前言导致了苯环结构发生改变,使得其化物降解性大大降低;同时由于氯代苯甲酸水溶性较好,对水化生态系统W及人体健康都造成严重的影响同时,自20世纪90年代W来潮海区域赤潮现象频发,发生这种现象的主要原因是水体富营养化。资料分析表明,勃海海水中的可溶性无机氮(DIN)年均浓度在20一世纪70年代初到80年代中期,都维持在个较低的水平约0.04mg/L左右,属于贫一营养化阶段。在其后的15年间,可达化24mg/L左右,超过国家类海水水质标准(见4-2)达-表到中度富营养化水平。地表水体富营养化状态划分为若干等级(见表41)。根据近几年的调查研究表明,潮海富营养化情况严重,有些河流的氮含量可能严重超35一标,比如2005年海河中氮年均值为1.mg/L属于严重富营养化,经过定的治理手一2009?I段潮海富营养化状况得到定的控制,但是结果仍不乐观2012年潮海中DN。的水平都维持在化60mg/L左右,超过了国家海水水质指标中的第五类海水水质的标准,其中部分季节最大值可达到0.9mg/L。潮海海水中可溶性无机憐(DIP)年均浓一度在20世纪60年代初,都维持在个较高的水平,0L约.025mg/左右属于贫营养化水平,接近国家二类海水水质标准。根据近几年的调查研究表明,潮海富营养化情况严重,2005年海河段的总磯海量很高基本上维持在0.4mg/L左右,在雨季最高可一达0?.8mg/L远远超过富营养化水平。通过定的管理措施和修复处理,20092012年潮海DIP的水平有所下降均维持在化032左右,但仍属于富营养化水平。当水体出现富营养化状态时,主要表现为水体中的氮和磯送两种元素超标,这两种元素是构成生命体的必要营养元素一宜超过一,当该两种元素在水体中急剧增加定的范围(总氮含量超过0,.3mg/L总磯含量超过0.01mg/L)时,就会引发藻类等浮游植物迅速繁殖,水体溶解氧量下降、水体透明度降低,阳光难W穿透水层等现象,会一造成水体中的浮游植物疯长,,从而使水体呈现缺氧状态导致些水生植物、鱼类的死亡。由此大大削弱了微生物对有机污染物如多氯联苯和DDTs的降解能力,致使生SPl物降解不彻底,中间产物大量积累。由此可见,水体富营养化势必会对水体中的氯P4,W代有机污染物的浓度累积和降解消除产生影响。1.4本课题的研究意义及内容氯代苯甲酸作为一种典型的氯代有机污染物被广泛的应用于化工,医药等行业,其大量使用导致水体环境受到严重污染,引起了社会各界的广泛关注。采用普通的生物法污水处理技术达不到将其去彻底除的效果,而光解作用是将水体中污染物彻底转化去除的重要方式。同时由于近些年来潮海湾水体富营养化情况严重,送样的污染环一境势必会对氯代有机污染物的迁移转化产生定的影响,因此结合这个现状开展本研究具有重要意义。本研究W邻氯苯甲酸为目标物,采用TK>2光催化氧化法对其进行降解,考察降解过程中溶液初始浓度、催化剂投加量、溶液pH值、N、P富营养化这几种影响因素对降解过程的影响。除此之外还对Ti〇2光催化机理进行探讨,并通过对邻氯苯甲酸中间10 天津科技大学硕-上学位论文产物的鉴定推断氯代有机污染物的一般降解途径。具体研究内容如下:1.了沿2催化剂的制备及结构光学性能表征a)利用溶胶凝胶法制备TK)2粉末,并通过XRD和热重对制得的催化剂进行表征。=(2)探究溶液配比、锻烧温度、揽拌时间这个影响因素对Ti化催化剂结构及光学性质的影响。饼W亚甲基蓝做模拟污染物进行光催化降解实验,来验证自制Ti化催化剂的光催化性能。2.Ti化光催化降解氯代苯甲酸影响因素及动力学分析W考察溶液初始浓度、催化剂投加量、pH值这兰个因素对邻氯苯甲酸降解过程的影响,并确定了最佳降解条件。0)在相同的实验条件下利用自制的Ti化与P25型Ti〇2降解邻氯苯甲酸,比较两种催化剂的光催化活性。-3冰体N、P对Ti〇2光催化降解2CBA的影响(1)探究水体环境中N富营养化状态下对邻氯苯甲酸的光催化降解过程的影响W及具体影响因素。(2)探究水体环境中P富营养化状态下对邻氯苯甲酸的光催化降解过程的影响W及具体影响因素。4-.Ti化光催化降解2CBA机理分析(1)利用异丙醇和乙醇做経基自由基捕获剂来初步考察了伯2光催化降解机理。口)利用LC/MS对邻氯苯甲酸的中间产物进行鉴定,并推断其光催化降解途径。11 2Ti〇化剂的制备及结构光学性能表征2催2Ti化催化剂的制备及结构光学性能表征一Ti〇为了进步探索2制备条件与其结构形貌和光催化活性的关系,本研究采用溶胶凝胶法制备Ti〇2,并考察了锻烧温度对Ti化结构形貌的影响,利用亚甲基蓝为目标物来测试Ti化的光催化性能并对其进行动力学分析。2.0实验仪器与试剂T-i〇2制备及光催化性能测试实验中的试剂及仪器如表21所示。2-表1实验试剂及仪器T2-menab1民eaunexrenlegentsandinstrutssedi化epeimt实验试剂名称规格产地駄酸下醋(Ti(OC4H9)4)分析纯天津市大茂化学试剂厂C,亚甲基蓝(CHINS3H〇)分析纯天津市北方天医化学试剂厂i6|832无水乙醇(CzHsO)分析纯天津市江天化工技术有限公司盐酸(HCL)分析纯永飞化工厂电子分析天平AR1140奥豪斯国际贸易(上海)有限公司恒温磁力檢拌器85-2型上海司乐仪器有限公司-电热恒温鼓风干燥箱1013BS天津市华北实验仪器有限公司-节能型电阻巧SX-4103天津市中环实验电路有限公司台式离心机TGL16C型TGL16C型台式离心机-紫外可见分光光度计Lab-Tech北京菜伯泰科仪器有限公司热重分析仪TAGQ50美国Waters公司—=体化紫外线杀菌灯25W,:V254nm广东雪莱特光电科技股份有限公司2.1Ti〇制备方法及工艺流程2由于溶胶凝胶法制备Ti〇2粉末过程简单易行、且能耗较低,因此本实验利用駄酸,乙醇为溶剂T醋做前驱体,盐酸为抑制剂,并采用溶胶凝胶法來制备Ti化粉末,其制备的具体步骤为一:将定量的无水乙醇分为同体积两部分,将定量欧酸T醋溶于部分无水乙醇中作为A液,,再将蒸馈水、盐酸与剩余无水己醇混合作为B液。室温下将A液放置在磁力揽拌器上不断揽拌并将B液W1滴/砂的速度滴加到A液中,待滴21 天津科技大学硕-上学位论文’加完全后将溶胶于室温静置成凝胶。将凝胶置于烘箱中100C烘干成黄色颗粒,研磨3-后置于不同温度下锻烧小时,即得Ti〇2白色粉末。具体制备流程如图21所示。V/A"液;駄酸下醋I无水乙薛缓慢'超声分散'滴加/^I^黄色溶胶淡黄色凝胶…―搂拌B聽无水己醇真f抜吼」]細水J空V盐酸f^5旅‘娠碎']白色粉末Ti〇■2黄色颗检^亩温锻烧2-T图i化制备流程1-F.21PrirsfTiigrepaatonoceso〇2p2'.211〇串子周^2。畜景矣响因^、通过查阅文献可知,溶液配比揽拌速度、般烧时间和锻烧温度等因素会给Ti〇2的形态及其催化性能产生影响,想要提高催化剂的催化性能就要对W上影响因素进行优化调整。本实验设计了四因素-、H水平的正交试验表来研究各个影响因素对溶胶凝胶形成的影响。具体因素水平设计如表2-2所示。表2-2了化制备正交试验因素水平*T-able22OrthogonaltestfactorsandlevelsforiearationofTi〇2pp加水量°(mL)加乙醇量(mL)HCl(mL)般烧温度C()水平1124.20.35002219.40.3445031450.14.60.2452.3Ti〇结构表征2本研究利用热重分析仪对Ti化可能发生晶型变化的对应温度进行考察;利用X射线衍射仪(XRD)对催化剂的晶型分布进行表征。2.4Ti〇2光催化性能测试本实验W亚甲基蓝为目标物,采用自制Ti〇2光催化降解亚甲基藍,通过亚甲基蓝13 2Ti〇化剂的制备义结构光学性能表征2催。去除率来判断催化剂的光催化性能具体光催化降解实验过程为:将100mL亚甲基20-蓝溶液(mg/L)置于夹套式反应器中(见图22),称取定量自制Ti化粉末于亚甲X=基蓝溶液中,暗反应30分钟后,开启紫外灯(254nm,25W)进行光解反应。反一4mL应过程中不断揽拌,每隔段时间取样品,离也分离(9000r/min)7分钟,取-可见分光光度计在668nm处测量其吸光度值A。其中上清液利用紫外,亚甲基蓝光催化去除率计算式为:〇C-Cxl00/〇(〇)化。C〇C—o,/L亚甲基跑的初始浓度mg;C一亚甲基蓝的残留浓度,m/L。g巧.r34L—LiIII1图2-2光催化反应器F-i.22Pho化cataligytcreac化r()1.恒溫磁力檢拌器;2.紫外灯巧W;3.夹套式反应器;4.循环冷却水;5.铁架夹2.5结果与讨论2iI.5.1T〇串2J备影响因轰调查按照表2-2中溶液配比W及锻烧温度进行催化剂制备实验,并利用不同条件制备-的Ti〇2粉末光催化降解亚甲基蓝,实验结果见表23。,极差的大小反映了影响因素的重要程度对9组光催化实验结果进行极差分析,从表2-3中可W看出,单纯的增加盐酸的量,对亚甲基蓝最终的降解效果并没有太大的影响;单纯增加水量要比增加己醇的量对亚甲基蓝的降解率影响更大,当水量为1mL时,亚甲基蓝平均的降解率要高于另外两个水平。>结合极差数值可知在Ti化制备过程中的影响因素由强到弱依次为:椒烧温度加水量>加乙醇量>H化量。通过正交试验确定了Ti〇2粉末的最优制备条件为加艺醇量为’19水量为ImL、.4mL、HCL为0.34mL、般烧温度为550C。14 天津科技大学硕上学位论文表2-3Tm;制备正交试验结果T-Rable23es山tsoforthogonaUestforreparationofTi〇2p试验号加水量(mL)加乙醇量(mL)HCl(mL)锻烧温度rC)降解率(%)1111195.32122290.5313339542123966.5223197.16231282.27313278.68321394.19332188.4KI2808270.52716280.8..K2275.9281.7275.5251.3K3261.1265.6270.7285.7=KK11/393.690.290.593.6()K=2K2/392.093.991.883.8()K=3K3/387.088.590.295.2()665416114极差....优方案119.40.345502节〇1.5.2温度对串备的影口向2]根据正交试验得出了制备Ti〇2粉末的最佳溶液配比条件,同时也得知艘烧温度对Ti〇2的制备产生的影响最为显著。为了探究般烧温度对Ti〇2光催化活性及其微观结一构的影响,进步利用热重分析仪测试Ti化样品,根据测试结果设计不同般烧温度影响单因素实验,并利用XRD对不同温度制备的催化剂的晶型特征进行分析,结果见--34图2和图2。15 2Ti〇2催化剂的制备及结构光学性能表征■102IP-100-0\I.8;92*_.i一\:P:妄:^〇.IM言^A:S2--0*日.2>/80-/:U^ ̄; ̄ ̄^;;->?70C ̄ ̄1—>?—?1 ̄._I11^=_I_.1111J0.20100200300400500600070080900TempreatureX^()图2-3TK)重曲线2热-Fi.23Th化rmreeogaviiccurveofgmetrTi〇2利用TG热重分析仪来检测Ti〇2样品质量和般烧温度的关系。整个测定过程有氮°’°气保护并W-10C/min的升温速率从30C升温至800C。由图23可知,Ti化样品’°质量随着温度升高逐渐下降。当温度从30C升温至200C时有7.17%的失重,可能是由于样品表面物理吸附水和立醇溶剂等挥发所致;或样品有机物的碳化W及化学结°°合水挥发的结果。样品在200C到270C附近有19.33%的失重,这可能是有由于样°一270C之后样品中有机物进步碳化的结果;在品出现了2.88%的失重,这可能是样°°品进一步脱去径基的结果C到C之间;在500700,没有明显失重但是失重速率有所变化,说明在此温度区间内可能发生了TK)2由锐铁矿型向金红石型的晶型转变,这一过程可W从图’4得到验证。根据热重分析结果将Ti〇2锻烧温度分别设置为450C、〇°°,,500C、550C、600C、650C和700C。-10000K誦——————Ie。。。一兰.600。AAAAAI完—入kw__一’— ̄—4000:A、^^‘bA^.誦-500CAAAAAA■-ffL、AA_.A0y^A^rI.I?I.■..IIII102030405060708026r)--2-4不同锻烧温度T图i〇粉体XRD图谱(A锐铁矿型民金红石型2)16 天津科技大学硕-上学位论文F2-4m--X民DrnsTrsnzederares(AA民民)i.ateofi〇owdes化esiatdiferent化tunataseutilegp2pyp利用XRD对不同锻烧温度下Ti化粉体晶型及平均粒径进行了分析,其中仪器电°-T压15kV、电流20mA1080,i&粉末平铺于玻璃板上,衍射角范围为将,利用-CuKa为射线源进行测定。-#---将本实验测试结果分别与卡片PDF211272和PDF#211276对比发现,由图°’-2-350,本实验样品中只包含锐锭矿型和金红石型的衍射峰,4C600C可见,其中般烧制备的Ti〇2为锐铁矿型,随着般烧温度的升高Ti〇2衍射峰变强变窄,峰形越尖°-锐,表明Ti〇2晶体的结晶度越好550C和600C锻烧制备的Ti〇峰峰形,其中2衍射最尖锐;当锻烧温度为65CTC时TK)2晶型开始发生变化,并出现金红石型,当锻烧温°度为700C时Ti〇2完全变为金红石型。Ti化晶型转变的温度区间与其热重分析结果一致。=KA根据XRD半高宽法,利用谢乐公式D/(cos0所算得出不同温度下锻烧p2-4可见了沿的粒径大小,本实验所制TKnm,2,由结果表)2粒径在11到40nm之间Ti〇随着锻烧温度的升高2粒径不断增大。2-4不同椒烧温度下T表i〇2粒径T2-4TheTmabiivarueraresle〇2artclesizecalcinedatios化ptup温度rC)450500550600650700’民nm115715.131221.8528.1239.32()..32.5.3TK)2光解亚甲基蓝及动力学分析an-she对于光催化反应的研究普遍认为符合LgmiinHinlwood动力学方程r=兰(2-2)dt式中—■r反应速率C一有抓物浓度通过积分可臥得到兰个反应方程:=(1)零级反应动力学方程:Ckt,C与t呈线性关系;—=^与(2)级反应动力学方程:Int呈线性关系;CC二丄-丄=i-丄(3)级反应动力学方程:知,与t呈线性关系。CCCC〇q°C锻烧制备的TW550i化为例,分别w反应过程中亚甲基蓝的C、ln(C〇/Q和1/C随反应时间的变化作图-n/。如图25所示,l(C〇C)与时间的线性关系更为显著,再由表22-5)0可知亚甲基蓝反应过程中ln(C〇/C)与时间的反应方程的相关系数(民为.950717 2no催化剂的制备及结构光学性能表征;一。要离于另外两种,因此Ti〇2对亚甲基蓝的降解过程更加符合级反应动力学方程525I-1/C3\尸妄賽。,胃0f1II_?—I1I—了■—?1—i0020406080100120140160时间(min)图2-5亚甲基蓝光解反应动力学级数确定*F-ig.25Determine化ereactantseries表2-5亚甲基避光催化降解反应动力学-Table25PhotocatalsisderadationKineticofmethleneygy-Ki反应级数反应方程恤in)^= ̄零级C0.115t+17.0590.78420.115—=0-级ln(C〇/C).0296t0."280.95070.0296=-二级l/C0.0289t.01071600289175.7.利用亚甲基藍为目标物对不同温度下锻烧的Ti〇2的光催化性能进行了测试,结果‘-26所示。-C如表由结果可知,450600锻烧Ti〇2对亚甲基蓝的降解效果较好,光降’°-解2.5小时后97%左右650C和700C锻Ti化对亚甲基蓝的降解率可达%,而烧光降解效果显著降低.5小时39%和18.7%。由此表明不同温,光降解2后降解率仅为度下锻烧Ti〇2的光催化性能有显著差异,其中,纯锐铁矿型Ti〇2的光降解效果明显’优于金红石型和混晶型Ti〇2。通过对比动力学速率常数发现在450C般烧的Ti〇2的’’光催化性能略低于500-600C。这是由于在450-600C锻烧的Ti〇2尽管均属于锐钦T-i〇4矿型,但是锻烧温度越髙,晶体的结晶度越化2的光催化活性越强。结合图22-6中瑕烧温度对T和表i〇2晶型巧晶粒的影响效果综合分析,确定锐铁矿型Ti〇2最’500-600C隹的锻烧温度区间为。18 天津科技大学硕±学位论文2-6不同澈烧溫度T表i〇2光解亚甲基蓝动力学分祈Tab-le26KineticanalsisofhotoderadationmethlenewithTi〇calcinedundevariousrypgy2temperaturesi-Ti〇椒烧温度rC亚甲基蓝降解率(%级动力学方程Kmiif2))()=45095.1lnC〇/C0.02279M).4巧0.02279()50095/=-.0lnC〇C0.02W7t0.412830.02957()=-55096.7lnC0/C0.02761t0.632860.02761()=-60096.9lnC/C0.02783t0.255480.02783(〇)65039.070018.72.6本章小结利用溶胶凝胶法制备Ti〇2过趕中猴烧温度对催化剂的晶型、粒径分布巧光催化活"性均有显著影响500-,其中锐紋矿型Ti〇2最佳的锻烧温度区间为600C,金红石型50-700C。自制锐钦矿型T对亚甲基蓝光解催化和混晶型Ti〇2锻烧温度区间为6i〇2效果较好。19 3ri〇2光催化降解氯代苯甲酸影巧因素及动力学分析3Ti〇2光催化降解氯代苯甲酸影响因素及动力学分析氯代有机污染物的研究表明,环境中的许多氯代有机污染物,例如多氯联苯(PCBs)和除草剂等,在自然生物降解过程中均能产生中间产物氯代苯甲酸,导致了氯代苯甲酸在环境中的积累,氯代苯甲酸已经成为PCBs完全生物降解的限速步骤。-本研究W2氯代苯甲酸为目标物,利用Ti〇2光催化降解法对其进行降解,对降解过程中的影响因素进行了考察。,并对其光解动力学进行了分析3.1实验试剂及仪器3--实验所用试剂如表1所示,实验仪器同表21。-表31实验试剂Tab-le31ReagentsusecUn化eexperiment名称规格产地氨氧化钢(NaOH)分析纯天津市风船化学试剂科技有限公司盐酸(HCL)分析纯永飞化工厂二氧化紋-(Ti〇2)P25大连h色光太阳能科技开发有限公司2-氯苯甲酸(C7战Cl〇)分析纯国药集团化学试剂有限公司2-3.2自制Ti〇降解2CBA2‘C下T-利用巧0锻烧制备的i〇2对2CBA(30mg/L)进行光降解研究,具体光催化。--降解过程参考2.4其中催化剂投加量为3m(Ti〇)/m(2CBA)2CBA溶液体g2g,一一积为100mL。毎隔段时间取定体积的反应溶液在12000r/min的条件下觀心,取2-CBA光其上清液在210nm处测量吸光度,解过程样品的吸光度、降解率随时间的-。变化如图31所示20 天津科技乂学硕上学位论文602.2I?UV^/-2。50-\j\?人--\//1.6巧却降解率责,。?<-丢〉v峨光度靖'^基./\:e/.…/i人";;L_I111■10__11?1108.050100102002503050时间(min)图3-2-1自制Ti化对CBA的光降解效果--Fidair.31Theefectiveofhotoderatonof2CBAwkhTi〇2ea化dbourrougp呂ppygp--13所示,经,2CBA在TK>表面的吸附量为98%,由图过半小时的暗反应过程2.02-CBA在T使i〇2表面吸附达到平衡。暗反应结束后W紫外灯为光源,对反应体系持-2-续照射,根据吸光度来计算2CBA的降解率。当光照时间4小时后CBA的去除,?55。率为.3%3.3P25型Ti〇的降解效果2P25型T-利用商业i〇2光催化降解2CBA,光降解过程与样品检测过程参照3.2。3-2所示实验结果如图,100「■80-/.;X尝40-/光催化降解&/-■-单独光照20-UY/■.■[X.TL■I—.星》-_^■I.I.I0,血I050100150200250300时间(min)-3-2T2图P25型i〇2对氯苯甲酸的光降解效果--Fig.32Thee祇ctiveofhotoderadationof2CBAwithP25Ti〇2pg21 3Ti〇催化降解氛代苯甲酸影响因素及动力学分析2光--在图32中可W看出,在紫外光的照射下,Ti〇2对2CBA有较好的光催化活性,-随着光解时间的延长,2CBA对应最大吸收峰处的吸光度逐渐减小,经过半小时的暗--2,i化表面达到吸附平衡后CBA的2%反应后2CBA在T,Ti02对表面吸附量不足,4-,2CBA的降解率可达到了89光降解小时后.7%,由此可W排除催化剂表面吸附对一光催化降解的影响。此外,本研究还采用了单独紫外光照做空白实验来进步证明-。-Ti化的催化性能由图32知,反应体系中单独使用紫外灯照射4小时后CBA的,2-去除率不足6%。由此可W证明,2CBA的去除率效果主要是由Ti〇2和紫外灯照射共同作用的结果。3.4自制Ti〇与P25型Ti〇2催化性能对比分巧2一P2Ti〇为了进步验证自制Ti〇2的催化效果,本章利用商业5型2在相同条件下--CBA进行降解比两种催化剂的催化性能2对2,对。两种催化剂对CBA的光解过程---结果对比见图33,动力学分析结果见图34和表31。100厂90-.?/80:,/70-^/60-A^受■iO50-自制T:谢—*—P25/*^***'.^.1.t..I.Q.1II050100150200250300时间(min)-图3-32氯苯甲酸光降解率随时间的变化曲线F-Pradar-ig.33latofdegadationtimevs.hotodertionateof2CBApg22 天津科技大学硕止学位论文自制Ti〇211^-?-P25241^圓\20-\—-\1?N18人\化言^^\\''-誦方-14\\。人"。、^、0-\1?:X6-\、^?’、、:'.2:......0L11II>I050100150200250300时间(min)-图342-CBA浓度与光照时间t的关系-化-i2iFg.34PlatofeconcentrationofCBAVS化eirradiatontime-3-2不同T2表i〇2光催化降解CBA反应体系动力学分析*--2Tailin2nble3KinetcanalysisofhotocatassderadatioofC良AusidiffeientTi〇2pygg-i2动力学模型K(min)动力学方璋.r-3-3=-2>1X1n2.91Xl〇xt858自制Ti〇2.90lC〇/C0.03007O.S()-3^P=-25Ti〇29.17X10ln(C〇/C)9.17XlOXt0.330630.95153-3可P22-由图知,随着光照时间的延长,自制Ti化与商业5型Ti化对CBA的降解过程及最终去除率差异较大。采用自制Ti〇2的反应体系降解过程较为平稳,光照-54小时W后对2CBA的最终降解率为5.3%,而P25型TK>2的反应体系中降解率随-.,25Ti0时间变化较大,对2CBA的最终去除率高达897%这说明P型2的光催化性能相对较好-4和表3-2可知。通过图3,将两种催化剂的光降解过程进行动力学拟合-发现,他们的降解过程均符合零级反应动为学。而且从图34中可从清晰地看出选用P25-CBA的浓度衰减明显快于自制T型TK)2为催化剂的实验过程中2i化的。出现这种像的原因是由于P25型Ti〇2是20%金红石型和80%锐镜矿型组成的混晶Ti化,自9697一的锐铁矿型[I制的Ti化为单,而通过张喃高等人怕实验研究发现,混晶型的Ti化的光催化性能要高于纯锐钦矿型的Ti化。因此,后续试验中的催化剂均选用P25型Ti〇2。23 3Ti〇2光催化巧解氮代苯甲酸影响因素及动力学分析3.5光解影响因素筛选及动力学分析-CBA进行在利用Ti〇2对2光催化降解的过程中还需要考虑催化剂投加量、溶液-CBA光初始pH值对2催化降解过程的影响,并对光解过程进行动力学研究。3.5.1投加量的影响2-CBA的浓度随时间的变化进行考察在不同催化剂用量的条件下对光解过程中,首先固定反应溶液的初始浓度为30mg/L,催化剂的投加量分别设置为0.05、0.1、0.15和0.25/L。g90广80.巧。3;-—A^O20.15050100巧02002饥时间(min)?3-5-图Ti〇2不同投加量对2CBA降解过程的影响-Fi-.35Thei打fluenceofdiferentdosinguantitofTi〇onthededationf2CBAraogqy2g表3-3不同惟化剂投加量下2-CBA降解率T-able33ThedegradationrateunderdifferentdosinuantitofTi〇gqy2催化剂投加量(g/L)降解率(%)0.0562.990.182.810.1566.800.250.29由图3-5和表3-3可知-CBA,随着投加量的増大,2的降解率呈现出先增大后减-小的趋势。当投加量为0.1/L时4小时的光2CBA82g,经过降解过程的去除率高达-%左右。相较于0.05§/1^的处理效果,2£8乂的去除率增长了25%左右,而当投加量一0-増大为.2/L2CBA5化29%,g时,的最终去除率仅为与前种情况相比下降了将近〇40/〇。当投加量为0.1g/L的时候光降解速率最大。出现这种现象的原因可能是:当Ti〇224 天津科技火学硕上学位论文投加量过少时,不利于光降解的进行,反应体系中能够产生的疑基自由基的数量较少;而当Ti〇2过多时,则可能结块、遮挡在液面使溶液透光率降低,降低了光子效率导致光降解效率降低。因此,选择0.1g/L为本实验的最佳投加量。-表3-4不同催化剂投加量下2CBA光解动力学分析*Tab-4Thenaminle3dyicsanalysisunderdifeentcatalystdosiguantitqy2'投加量(mg/L)反应方程民K(min)=x+05l/..004..0nC〇C00039t05096%0.0(09()=x-1ln/.10.05910.9793010.C〇C0007t.007()=x0.15lnC/C0.0049t+0.00130.94520.0049(〇)0=x.2lnC/C0.0027t+00420.98050.0027〇.()■0-.0070-.006-0.^.005gI■3X0-.004■0-.003■'?0I1?1■1i■f.0020000050105020025...0.1..投加量(g/L)--CBA图362光解动力学常数随Ti化催化剂投加量的变化F--ilatofho化catalsisdertionkin別itantsf2VSdoinuantT.36PadacconsoCBAsitofi〇gpyggqy2--3-6和表34通过对光降解过程进行动力学拟合(见图)得出W下结论:2CBA的光解过程符合一级动力学模型。并且催化剂投加量对光降解过程有很大的影响,投加量过大或过小都会相应的抑制光降解过程。3.5.2H值的影口向p考虑到2-CBA在水体中的解离-,2CBA在水体中W分子态和离子态两种形式存32-CBA在水中的解在,室温下离常数为1.2X1(T。由于本实验均在室湿情况下进行,一定温度下酸的解离常数是定值-,而溶液的pH值会对2CBA的解离产生影响。因此-CBA分子态和离子态的光解强弱为了具体考察2,需要定量分析溶液pH值对光解过程的影响。25 3Ti〇光催化降解氣代苯甲酸影响因素及动力学分析2通过查阅资料可知我国按照地表水环境功能和保护目标将水质划分为五个等级,B3838-2002依据地表水环境质量标准(G)中水体的pH值范围在6到9之间,结合-32CBA溶液初始阳值(.5)本实验使用NaOH(O.lmol)和H2SO4(O.lmol)将溶液-7--pH值分别调整为4.5、5.5、6.5、7.5和8.5,具体实验结果见图3,图38和表35。---7和表354结合图3可知,经过小时光照反应CBA,不同初始pH值反应体系中2-的去除率差异明显。随着溶液H逐渐增大,2CBA的去除率由82.81%下降至39.49p%,下降幅度高达523%。一--3.5为例CBA光解过程符合W初始pH值为,由表38可知2级动力学模型,(-通过对光解过程进行动力学分析,对比反应动力学常数可知结果见图38):^8Ane-(1)溶液辆始阳值对光解过程的影响很大,这与glaGiovannaRincon惭研究结论相同。-(2.2)溶液初始pH为3.5时CBA的光解速率最快828%。但当,去除率可达一6-.5到8.5之间时2CBA的溶液pH值在降解速率常数变化较小,即在这范围内溶2-CBA的降解过程影响较小液pH值对。通过查阅资料发现导致送种现象的原因可能"[]-Ka--是:由于2CBA的值为2.9H值大于2CBA的Ka值时,2CBAp,当溶液ppa值时溶液中的2-CBA主要分子态存在主要W离子态存在;小于pK。同时,溶液H值对TK)2的zeta电位也有很大的影响Ti〇zeta电p,2的位决定了粒子表面所带电荷。Ti化的等电点在6.5左右,当溶液阳值小于6.5时,Ti化表面带正电荷,大于6.5时inwwfTi〇。.表面带负电荷随着溶液pH从酸性变为碱性,Ti〇的表面电荷由带正电22--,2变为带负电,2CBA离子态的比例逐惭增加。因化随着阳的増加离子状态的CBA与T,,i化表面发生相斥现象导致光解速率下降。由此分析在酸性条件下分子态的2-CBA更容易被光解。80-6。-夕么*.-么g.V蜜X20-/A1乂/5/--6.T5.j一一—■4^心^7.5^.夺….85■I.I.I.I■I.Q100150200005025时间(min)-图3-7不同pH对2CBA降解过程的影响--Fi.37ThemfluenceofHon化ederadationof2CBAgpg26 天津科技大学硕±学位论文-表3-5不同溶液pH下2CBA的最终降解率-Table35ThefinaldegradationrateunderdifferentdosinguantitofTi〇qy2溶液pH值降解率(%)3.582.814.573.585.558.286.552.377.5428.539.49表3-6不同溶液H值下的动力学分析pTab-le36ThedynamicsanalsisunderdifferentsolutionHyp溶液阳反应方程2*RKmin()=3-.5lnC/C0.0071xt0.0巧10.979300071(〇).=x-4.5lnC/C0.0057t0.12040.97460.00巧(〇)=x5-.5lnC/C0,0024t0.02650名6840.0024(〇)=x+06.5lnC〇/C0.0027t,08790.94850.0027()=-7.5lnC/C0038xt0.98(〇).0.04640260.003885=x-f〇lnC/C0002t0053097500002.(〇).1...127 3Ti〇2光催化降解氛代苯甲酸影响因素及动力学分析■-0.007-0.006■00-.05300>.04乂■■0.003■■0.002-■3458789pH值图3-8动力学常数随溶液H的変化p-巧38巧atofhotocatals-isdeadationkineticconstantsof2CBAVltiHg.ygrSsouonpp3.6本章小结利用自制锐铁矿型T-i〇2与商业P25型Ti〇2对2CBA的光催化降解效果有所差异,一相比较之下P25型T-CBAi〇2光催化性能较好。2光催化降解过程符合级动力学模、H。式,而且溶液初始浓度催化剂的投加量W及溶液p值均会对光解过程产生影响H值偏碱性均会对2-CBA的光解过程产生抑制作用催化剂投加量过大或溶液p。通过2-CBA溶30m/L筛选条件、P25型Ti〇2投加量为O.l/L,,最终确定液初始浓度为gg后续试验均在此条件下进行。28 天津科技大学硕止学位论文4水体NP对TK)2-CBA的影响、2光催化降解为了模拟水体中氮、磯的富营养化情况,需要利用某些营养盐来代替水体中的氮+和磯。首先,氮在水体中氮WNH3、NH4、NCV和N(V等形式存在,当水体中氧含+2量充足的情况下,水中的细茜将N战、NH4氧化为NO请NCV,而当水体环境中的氧稀缺时,反硝化菌则将>^〇23日1^0/反硝化为>^2。通过送样的自然循环,使水体中产生大量的硝态氮;实验中主要是模拟水体环境中硝态氮富营养化的状态。其次,磯在水体中是通过微生物的分解作用将大量的无机磯酸盐转化为可溶性的磯酸盐从而被水体中的植物所吸收,所W为了模拟水体中磯的富营养化状态我们采用可溶性的稱酸盐来进行代替。而营养盐在水体中会水解成为阴离子和阳离子,因此,考察水体中一氮2-CBA光解的影响即考察水体中、憐富营养化状态对定浓度的硝态氮离子和可溶性磯酸根离子对2-CBA光解过程的影响。4.1实验试剂与实验仪器4--本章实验所用试剂如表1所示,实验仪器同表21。4-表1实验试剂Ta-menble41Reaentsusedin化eexperitg名称规格产地硝酸绅(kn〇3)分析纯天津市风船化学试剂科技有限公司磯酸二氨神(KH2PO4)优级纯天津市科密欧化学试剂开发中心二氧化铁(Ti〇2)P25大连屯色光太阳能科技开发有限公司2-氯苯甲酸(C7H5CIO2)分析纯国药集团化学试剂有限公司表4-2潜在性富营养化等级划分-化nTable42Classificationsoflevelsofotiale山rohicationpp级别营养等级DIN(mg/L)DIP(mg/L)N/P<02< ̄I贫营养.030.038-- ̄II.20.5中度营养0.30030.04830>> ̄III富营养0.30.045830- ̄>IVP磯限制中度营养020.330.VP磯中等限制潜在富营养> ̄-0.3306029 4水体N、P对T-i化光催化降解2CBA的影响VIP碟限制潜在性富营养化>0.3?>60IVN氮限制中度营养 ̄0.03 ̄0.045<8VN ̄氮中等限制潜在富营养>0 ̄.04548VIN ̄>0氮限制潜在性富营养化.045<4表4-3国家海水水质标准中氮、磯的标准Tab-le43The^andardofnitroenandhoshorusinseagppwaterualitstandardqy项目(mg/L)I类II类山类IV类无机氮0.20.30.40.5活性磯酸盐0.0150.03045.04-.2水体中N对Ti〇光催化降解2CBA的影响2本章实验采用kn〇3来代替水体中的氮。根据地表水体富营养化状态(划分为若-1)-干等级见表4,《海水水质标准》(GB30971997)中的四类海水水质标准(见表4-2)W及我国地表水体超严重的富营养化状态(2-,在实验降解体系中CBA初始浓=度为30mg/L,pH3.5,Ti〇2投加量为0.1g/L)分别加入0.5、1、2、3、4和5mLKN01003(-m/Lg,使反应体系中NO3的浓度分别达到0).5、1、2、3、4和5mg/L。70-——60-0■.55。吉:'I:1。^'.;I■I..0II■t050化0150200250时间(min)—-图41不同NO-3巧度对2CBA降解过程的影响F-i.41Theinfluence-gof出衔rentconcentrationofNCon出edradaV巧tionof2CBA30 天津科技大学硕学位论文-表4-4不同N02CBA的最终降解率3谦度下-Ta-4TdabiraeunderferennanfNle4hefinaldegratontdiftconce化tiooO3-0NO3巧度(mg/L)降解率(/0)067.530.25.563147.04242.83342.00442.70539.95表4-5氮富营养化情况下的动力学分析T4-5Thenamcsanaabiundernreurohationledyilyssitogentpic2-i氮浓度(mg/L)反应方程民Kmin)(二x-00.5n0.0879..l(C〇/C0.0024t093930024)=x-1nC〇/C0.00t0.08750.94770l()巧?00巧2nC=x-l(〇/C0.0028t0.13570.85700.0028)=x-3lnC〇/C0.0026t0.12160.%33000(.%)=-4C/C0.0027xt0.07017ln〇0省5990.002()=-093025lnC〇/C0.0022xt0.0669.00022().0=1x-0/C0.017%0071ln(C〇.007t巧0.90.)31 4水体N、P对T-i〇2光催化降解2CBA的影响0-.007g0-.006■-?0p.005乂0004-.■-0-.0的■■■————0002■————— ̄-——J■■..1II1.,012345浓巧(mg化)图4-2动力学常数随NCV巧度的变化.-F-i42Plafra.tohotocatalsisddationkindicntan2vscongpy巧costsofCBAcentrationofN03--1-由图4和表44可知,反应体系中的不同浓度的N对2CBA的光解过程均产生一-了定的影响,随着N浓度的不断增大,2CBA的去除率呈现逐渐降低的趋势,即一溶液中N对2-CBA的光解产生了定的抑制作用,5m/当N浓度为gL时,光解3小时后2-CBA的去除率仅为39%,与无氮的情况相比去除率下降了近27%。通过表4-5可知2-CBA浓度随,时间变化的线性关系较为明显,因此在N富营养化的情况下一-2CBA的光解过程符合级动力学模型-。从图42可W看出,随着溶液中N浓度的増大-,2CBA的去除速率基本上呈逐渐降低的趋势。102[]然而Sen出ilkumaar等人利用Ti〇2在有硝酸盐的情况下光解亚甲基蓝,发现体系中的硝酸根离子的存在对亚甲基蓝的降解产生了促进作用。送可能是由于NCV具有光化学活性,在波长小于340nm的紫外灯照射下可W产生氮氧化物和超基自由基,对有机物的光解过程也会产生一定的影响。反应过程如下;——+hvN0+N031/2022'—+hv++?N〇3H2〇N02OH+OH-本实验得到的结果是:与无氮的情况下相比,当体系中NO3浓度为0.5m/L时g,--2CBA的降解率变化很小0浓度增大-;而随着N3,溶液中N对2CBA的光解产生了一定的抑制作用?。这可能是因为:(1)氮氧化物在190260nm之间有吸收,这与T一Ni〇2的吸收光谱有定的重合Ci,导致V与T化的光解形成了光吸收竞争现象从而抑制了2-CBA的光解2T()i化是通过光生空穴和光生电子来氧化还原有机物,从而达到光降解的目的UW-,n〇3可能作为光生空穴的清除剂Ti〇,清除了2表面的光一生空穴-,在定程度上抑制了Ti化的光解能力,从而对2CBA的去除产生了抑制作用。32 天津科技大学硕±学位论文43-i〇.水体中P对T2光催化降解2CBA的影响-根据《海水水质标准》(畑30977-199)中的四类海水水质标准(见表42),其中无机磯浓度小于等于化045mg/L。实验中采用KH2PO4来代替水体中的磯,分别在=实验体系中(初始浓度为30mg/L,pH3.5,Ti&投加量为O.lg/L)加入0.5、1、2、LKH-3、4和5m2P(Ml〇mg/L),使溶液中战P〇4的浓度分别达到0.05、0.1、0.2、0.3、0.4和0.5mg/L。70-5。壬;faI,,,QI1,II501001502000250时间(min)--*.43P2CBA.图对降解过程的影响‘F--i4ThenPoneerig.3ifluenceof化dgadatonof2CBA'-表46不同HPO浓度下2-CBA的最终降解率24--TTab(rile46hefinalkadatonrateunderdifferentconcentratngioofH2PO4HzPCy浓度(mg/L)降解率(%)067.530.0562.040.162.460.252.650.352.600.44643.0.542.6033 4水-体N、P对Ti〇2光催化降解2CBA的影响表4-7磯富营养化情况下的动力学分析Tab-le47Thednamicssryanalysisunderhohouseutrohicationppp2磯巧度'(mg/L)反应方程rKmin()0=x-.5lnC/C0(〇.00%t〇.i〇480.89860).0026=x-04n..1..lC〇/C0003〇t0054093860.0030()=-0.3ln.(C〇/C00035^0.092O0.95700.0035)0=x-.2lnC/C01〇.0036t0.0990.91840.0036()01C/=00044x-0.lnC179809033(〇.t..0.0044)=x-0.05lnC/C0.0048t0.16400(〇).93550.00480=x-lnC〇/C0.0071t0.〇5910.97930.0071()■0007-.0-.0060-■p.0D5■I■0-.004■■-0.003■■■??0002I1111.111..0.100300..2.0.40.5浓度(mg/L)图4-4动力学常数随HPCV浓度的蛮化2—-巧-lho化catara.44Patoflsisdedationkineticconstansof2VncenrHPOgpygtCBAScotationof24一---由图43和表46可,P2CBA知溶液中的对的光降解产生了定的抑制作用,随着溶液当中P浓度的增大2-,CBA的去除。当P浓度为0率逐渐降低.5m/L时g,经过3小时的光催化降解2-CBA的去除率仅为42%P,,与无的情况相比去除率下降了近25%--。通过表47可知,加入P的反应体系中2CBA的浓度随时间的变化的一-线性关系更加明显-,因此2CBA的降解过程复合级动力学模型。图44可知,随着-反应体系中P浓度的增加,光解过程中2CBA的降解速率常数逐步降低。=产生这种现象的原因可能是:(1)KHsP化的ka2.1p,当溶液中加入KHJ化+—+后-,其便在水体环境中解离成H和H2PO4,2CBA在溶液中解离为H和带负电离子。34 天津科技大学硕-上学位论文;^-CBA在THP化与2i化表面产生竞争吸附2,减少了其在了似2表面的吸附量。减少了-2CBA接触的机会-径基自由基或光生空穴与,从而削弱了TCBA的光i化对2催化降解能力';(2)又或者是因为H2PO4作为光生空穴和径基自由基的清除剂,减少了Ti〇2表面的光生空穴和溶液中的姪基-自由基,而且H2PO4与哲基自由基反应生成的?[iM]HPO的氧化能力要低于経基自由基-24,从而也会导致2CBA的光降解效率降低。一个假设的结论相反而实验结果与第,KH2PO4在溶液中的解离并未造成竞争吸附现—-象2-。相反,加入H2PO4后CBA的吸附量有所增加,并且2CBA的光解效率不增反降-。这就说明本实验中P对2CBA光解的阻碍作用主要是依靠清除溶液中的径基自由基或光生空穴产生的。4.4本章小结本章考察了在反应体系中N-、P富营养化的情况下TK)2CBA2对的光催化降解情况-,实验结果表明当溶液中N、P浓度超出水体正常范围时2,均会对CBA的光解一产生抑制作用2-CBA的光解过程均符合,级反应动力学模型。而且抑制作用均主要是由于N03巧H2P化1乍为经基自由基或光生空穴的清除剂-,从而削弱了Ti化对2CBA的光催化降解能力。35 5T-i〇光催化降解2CBA机理分析25T-i化光催化降解2CBA机理分析5.1实验试及仪器-本章实验所用试剂如表51所示。表5-1实验试剂Tab-le51ReagentsusecHn也eexperiment名称规巧产地异丙醇(CsHgO)分祈纯天津市凯通化学试剂有限公司乙醇(CsHsO)分析纯天津市凯通化学试剂有限公司二氧化铁(Ti〇2)P25大连屯色光太阳能科技开发有限公司2-氯苯甲酸(C7H5CIO2)分析纯国药集团化学试剂有限公司醋酸(CHCOOH)色谱级北京京科瑞达科技有限公司3甲醇(C&OH)色谱级北京京科瑞达科技有限公司表5-2实验仪器Tab-le52Apparatususedintheexperiment名热规格进样系统waters2767累waters2545沃特世科技(上海)有限公司紫外检測器waters2998质谱waters3100TOC分祈仪Sieveis900实验室型通用电气分析仪器公司5.2泻基自由基理论验证Ti〇2光催化技术主要是依靠姪基自由基来氧化还原水体中的有机污染物。对于一Ti〇2的光催化机理有很多说法,般认为,当Ti〇2粒子受到小于387mn的紫外光照射后,Ti〇2价带上的电子受到激发跃迂至导带,成为光生电子,相应的在价带上形成了光生空穴。光生电子、空穴分别跃迁至Ti〇2表面,与Ti〇2表面吸附的有机物发生36 天津科技大学硕±学位论文氧化还原反应。普遍认为Ti〇2存在H种降解有机物的途径:(1)光生空穴直接氧化降解反应体系中的有机物(2)TK>2价带上的光生空穴与Ti〇2表面吸附的水分子或者氨氧根离子发生反应生成径基自由基,通过経基自由基来氧化降解有机物。(3)Ti〇2iM[J表面的光生电子与氧分子反应生成超氧自由基,从而还原降解体系中的有机物。+-"*Ti〇2+hvh+e5-式(1)+-—?h+OHOH式-(52)-+22-+H—?+HV?h2〇+〇OH〇式5-3)(+^—?h+H〇+H-2OH式(54)?—Oran+0H+0C〇+H〇+其他产物式-g222(55)在反应体系中加入醇类可帮助我们更好地理解光催化反应机制,醇类作为良好的电子供体,可W与光生空穴和経基自由基发生氧化反应,但是由于醇类在Ti〇2表面的吸附量过小,与光生空穴发生反应的几率很小而且不会与有机物产生竞争吸附,因此在此反应体系中与醇类发生反应的主要是経基自由基。在这样的前提下,如果光反应过程中降解2-CBA的主要物质为径基自由基,那么反应体系中醇类的存在会抑制整个反应的进行。本章实验中我们利用异丙醇和乙醇作为径基自由基的捕获剂,来初步验证Ti〇2的光催化反应机理?80-无醉类醇6。-二謂'S产^1/.11...0.11\050100150200250时间(min)--图51醇类对2CBA降解过程的影晌--Fi.51Theinfluenceoflcoholoneda2CBAgathdegrationof-51可知5-由图,100mL反应溶液中加入0.0mL异丙醇光解4小时后,2CBA溶-液的降解率仅有37%。与无醇类的单纯2CBA溶-液体系相比,异丙醇的存在使2CBA的光解去除率减小了将近50%。这表示异丙醇对2-CBA的光解过程有显著地影响。一-相比较而言在单的2CBA溶液中加入了同样体积的艺醇后对2-CBA的最终去除率起到了同样的效果-CBA的去除率维持在,光解4小时后251%不变,这说明乙醇同一-异丙醇样都明显抑制了2CBA的光解过程-,但是抑制程度有所差别。从图51看出-在相同的光催化降解条件下,异丙醇对2CBA光解过程的抑制作用要明显高于己醇,37 5T-i〇2光催化降解2CBA机理分析不同醇类对光解的抑制差异可W归结于不同醇类与経基自由基反应的速率常数不同iMtl9--1i,异丙醇与経基自由基的反应速率常数为1.9X10Ms相应的乙醇与姪基自由基9--1iiw]的反应速率常数为M[1.7X1〇s。异丙醇与経基自由基结合的反应速率常数明显要高于乙醇,因此,相同条件下异丙醇可W捕获更多経基自由基从而更好的抑制2-CBA的光解。从这两组添加实验中看出在tK-)2光催化降解2CBA的过程中起主要作用的是経基自由基。5-.32CBA光催化降解与矿化在第3章通过利用紫外分光光度计对2-CBA的光催化降解过程进行检测发现,-光解4小时后2CBA的降解率为82%左右-。作为比较,本章利用TOC分析仪对2CBA的降解过程中的总有机碳进行跟踪检测发现光解4小时后-2CBA体系的矿化率为仅--为%%左右(见图52)。TOC去除率小于2CBA的降解率-,说明2CBA的浓度降低并不能代表体系的无机化程度一。TOC的去除是要经历系列大分子的降解为小分子,然后经历小分子中间产物的氧化而实现2-,即CBA降解后并没有完全转化为CX)2一和战0,而是形成了些中间产物。80-;?。^降率解/T0C20-jr^X..■0I■IIII.I500100150200250时间(min)图5-22-CBA的降解率巧矿化率F-*52i.Thederadationra-gteand化emineiaUzatrgionateof2CBA5-.42CBA光催化中间产物测试分析利用LC-/MS对Ti〇2光催化降解2CBA的中间产物进行测定有利于了解其降解途径。液质联用的基本过程是样品先被送入色谱将混合物中的不同组分根据在色谱柱中保留时间不同进行色谱分离,再进入质谱在电场和磁场的综合作用下将样品物质离子化,按离子的质荷比分离,然后测量各种离子谱峰的强度。最终通过操作软件将W离子信号强度为纵坐标,离子质核比为横坐标制成质谱图。38 天津科技大学硕±学位论文一—2-CBA和利用T-将原始的定浓度的i〇2光催化降解2CBA段时间的反应溶液、0-作为检测样品。离屯后再经.45urn滤膜过滤后利用Waters27673100液相色谱仪串a-联质谱来检测降解过程中的中间产物。Wters27673100液相色谱仪配备自动进样器一0-和四元梯度亲.550ml/min3100,单累流速为,与之相连接的质谱检测仪为级质谱,采用四级透镜的大气压电离(API)监测器。检测条件如下:色谱仪器检测波长设置为254nm,米用的色谱柱为3.5urn,150mmX4.6mmWatersSimFireC18色谱柱。流动相为5mM醋酸(A)和甲醇(B),采用梯度洗脱:B体积10%维持5.6分钟,从5.61分钟开始B的体积变为60%,到10.61分钟时B的体积变为100%。流动相的流速为800uL/min,进样体积为20uL。检测结果如图5-3所示。3.'152M(I善巧R罕勝’"心-ai巧,—\JVIIIj.1.111II1III1I1IwMUUW.J■■.,..f■rti....lI11IIuII?IMniTrITtrrrim11IIIIIItnirII111II11111|j11,I,fI]I)|j|I1|jp1110.班0.巧!.孤..50.4屯1効2加23003.50.00班5说5.班8.班9mvm1J\气。,rifiLJAR孤"1.32fe於t.;r气J攻I"""-OMB?J11111111111111111111111111111111111111111111111111i111II11rrrxTi11111M1iM1TrJ111j1J111111I111|pf0溫0501.班1効m2胡m3劝m毛胡5孤m目湖5-32-图CBALC/MS巧描图--MFi.53Thescanof2CBALCgby/S-33-从图5中可W看出在.19分钟和2.85分钟有明显出峰。在53图a为未经TK>2一光催化降解的原始样品段时间的2-CBA,图b为利用Ti〇2光催化降解样品。通过一a图与b图的对比可W看出在原始的出峰位置旁边有个明显出峰2-CBA,初步怀疑为降解的中间产物。一为了进步确定在2.85分钟W及3.19分钟出的峰物质,将样品经过质谱分析仪进行检测-。由于2CBA由苯环(78)、氯离子(35.45)和駿基(45)组成,通过查-二苯龄阅文献发现,降解2CBA的中间产物有W下几、邻个可能,分别是邻氯对氯二酪、邻苯二酪。一为了进-CBA的降解中间产物的种类步确定2,经过质朴检测发现3.19分钟出-55/157-峰的质核比为1,因此确定3.19分钟出峰为原始物质2CBA(见图54)。从5-5可图见2.85分钟处的出峰负离子质核比为127极有可,经推测其为邻氯苯酪,这39 5T-i〇光催化降解2CBA机理分析22-CBA脱潑--能是因为(COOH)而后姪基(0巧化的结果,这符合我们上面所推断的基本降解途径。我们得到的实验结果与BrettJ.Vanderford、Helene时be、Asma3—i101P’WMhemdi、YOUNGKU等人的研究结果相同。S20t41-171050-2Ot410171_LBJSt1803.211:osn-t-(3)SESIT?.,2361S7.1St2■^18ft.1961fI191.3743化"…3^032"W^947,化33W",7,,巧?^_严的产六巧^*.,.f,—一^|(|f;〇--.'-..-''''''''''''''^^'^tll,;tlilotiiil^idie3AdAsSdidsAtehtstsolisi4o1652602-201410171i23-ttS£S-UAJSaCe|:owt-i5s.,ei?e〇5*?iQ?.’***’巧'。。154.1IM,'107巧71,2l2eST3^巧|.,627巧'IMl^公子,?,."】,?*.M,。.。''''''''^'''"■'''''''L丄ii5tidi2ftlidids%id149SidisdtoottAi^oi>5imli*liolia200图5-42-CBA质谱图F--ig.54TheMassspectrogramof2CBAS20-141015O17*20141017-11-U,BIB00{2^39)生SeanES?127^1?Z75?5,〇?i^.ass*2?OSt.442ftU7?1.t,9.1774"’…."。m'…I’l',叩......口■'I.;■■.r"*..叩r'|T‘,1|Tf■'''■山i山山,如1^4tie1占i由化i&etie,知1知lAa1山扣知图5-5中间产物质谱图巧-g.55TheMassspectrogramofintermediatematerial5-.52CBA光催化途径化理推导2-CBA的降解机理推导如下:40 天萍科技大学硕止学位论文T+2.0H一%ca+迅0(J&-式(56)*+H2O—V+>HClf?^KJ式-7)(5m+—?+1302口CQ26fWjH2O式-(58)--2CBA在径基自由基的作用下经过氧化脱駿降解成为邻氯苯酪(式56)邻氯;苯酌在経基自由基的作用下继续経基化,苯环上的氯离子被経基所取代成为邻苯二酪5-7(式)邻苯二酪在光解条件下继续分解,待W上反应完成,最终反应体系中只;—H5-。5-。剩下C1、0)2和20(式8)具体途径如图6所示氧化謙--+2OH?TfC〇^H〇2II脱氯々H经基化OHon开n环—-g〇夺O夺|"手2M2IaI图5-6-2CBA的降解途径F5-Tratt-2i.6hededaionahwayofCBAggpW3与苯甲酸进行对比可W发现,杨娟等人喘用自制的纳米Ti〇2薄膜做电极对苯甲酸进行降解,采用HPLC对其中间产物进行鉴定,结果显示苯甲酸的降解中间产物为苯甲醇。与我们的实验结果作对比,不难发现,氯离子对芳香化合物降解途径的影。2-CBA来说响很大对于,与苯甲酸相比氯取代基的存在有利于苯环发生脱竣而不是经基化。5.6本章小结(1)Ti〇2主要是依靠光生空穴与水或氨氧根离子反应产生的経基自由基来催化氧化2-CBA。-(2)通过测定发现2CBA光解的中间产物为邻氯苯齡,其光解途径是先脱簇后超基化。41 6结论6结论本研究在充分研究中外文献的基础上,利用Ti〇2光催化法对邻氯苯甲酸进行降解,考察了N、P富营养化对降解过程的影响,并对邻氯苯甲酸的降解机理W及降解途径进行了探究。具体结论如下:(1)本实验采用溶胶凝胶法制备Ti〇2,在制备过程中考虑锻烧温度、溶液配比等因,最终确定了锻烧温度为最大影响因素素,并确定了T沿2最佳制备条件:加水量为1°mL、乙醇量为19.4mL、盐酸量为0.34mL、般烧温度为550C。(2)利用自制T记2与商业P25型T-i化在相同条件下降解2CBA进行光催化性能对比,发现混晶P25型Ti化的催化性能要优于纯锐铁矿型Ti〇2并确定后续实验采用P25型Ti〇2。(3)在降2-CBA的过程中考虑溶液初始解目标物pH值、催化剂投加量,筛选出最=3-佳降解条件为溶液pH.5、催化剂投加量为0.1g/^光解4小时后2CBA的去除率可达82%-=(C〇(2CBA30m/L),)g;对光解过程进行动力学拟合发现光降解过程符合准一级动力学模型。(4)采用KN03和KH2PO4来代替水体中的氮和磯,模拟水体中氮、磯富营养化的-情况,考察了其对2CBA光解过程的影响,发现这两种阴离子均对光解过程产生了抑制作用。-(5)本实验还利用异丙醇和石醇来初步讨论了2CBA的降解机理,发现加入醇类后2-CBA的去除率明显降低步证明了2-CBA降解过程中起主,初要作用的是経基自由基。-(6)利用LC/MS检测2畑A降解过程中的中间产物为邻氯苯齡-,推测2CBA的降解途径为先脱竣后経基化。42 天津科技大学硕-上学位论文7展望尽管本论文已经做了较多实验研究,本课题深入开展还有多方面的工作:比如:-(1)本研究仅考察了水体富营养化中硝态氮(用KN03模拟)对2CBA光解过程的一影响,进步的研究需要考虑其他形态的氮如氨氮对有机物光解的影响。-(2)由于时间问题本论文仅对2CBA降解过程中的中间产物进行了简单定性分析,深入研究还应对是否产生其他中间产物,W及他们的先后顺序进行探讨,并对中间产一-CBA的光解机理和途径物的降解过程进行定量跟踪,进步确定2。(3)考虑到未来实际应用,还应将现有实验成果应用于实际情形中并解决出现的相应问题,如催化剂的混匀、水体pH值调节等。43 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天津科技大学硕止学位论文10致谢本论文是在指导教师贾青竹教授的精也指导下完成的,贾老师的专业理论知识渊博、实践经验丰富、科研态度严谨,在与老师相处的这段时间里在科研方面W及日常生活方面都使我受益匪浅。在整个论文的完成过程中,,不论是在选题上还是在实验设备的搭建、实验材料的确定W及表征方法的选择上,都得到贾老师耐屯、的指导,在此衷必感谢贾老师对我的精也培养和鼓励。论文工作还得到了课题组各位同学W及多位老师的指导和帮助,在此表示感一谢。特别要感谢同课题组的王麵、李桂菊、豆宝娟、郝庆兰、李光壁、赵瑞华和张武等老师对我的实验和研究课题给予的大力支持和热情帮助。同时!,深深地感谢我的家人、舍友W及朋友对我的大力支持和鼓励55

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