稀土掺杂磁载纳米CeTiO2ZnOFe3O4的制备及电助光催化降解染料废水研究
稀土掺杂磁载纳米CeTiO2ZnOFe3O4的制备及电助光催化降解染料废水研究[20200411174840]
摘要
本文采用超声化学沉淀法制备出磁性纳米Fe3O4，并通过溶胶凝胶法将稀土铈、纳米Fe3O4以及纳米ZnO掺杂到TiO2中制备出Ce/ZnO/TiO2/Fe3O4磁性纳米复合材料。通过X射线衍射(XRD)、UV-Vis漫反射等对样品的微观结构进行分析。结果表明：稀土Ce、ZnO及Fe3O4的掺杂使TiO2的晶型结构转变为高活性的锐钛矿、UV-Vis漫反射曲线有红移现象。产品的光催化活性以降解染料深红bpf为评价模型探究了催化剂的浓度、外加电压、电解质浓度、溶液的pH值、降解时间以及催化剂的回收利用对降解染料bpf的影响。研究结果表明：在弱碱性的深红bpf溶液中，催化剂加入量为10g/L、电解时间150min、外加电压8V、电解质Na2SO4的浓度0.15mol/L、溶液初始浓度10mg/L，深红bpf的降解率能达到95%.
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:铈掺杂纳米TiO2光电催化降解
目录
1.引言 1
1.1印染废水的来源、特征及危害 1
1.2印染废水处理研究现状 1
1.2.1物化法 2
1.2.2生化法 2
1.3 纳米TiO2处理有机污染物的缺陷 3
1.4纳米TiO2光催化剂的改性 3
1.4.1 金属离子掺杂 3
1.4.2 非金属离子掺杂 4
1.4.3 共掺杂 4
1.5 光电催化氧化 4
1.5.1光电催化氧化基本概念 4
1.6 本文研究的目的意义、采取的思路和主要内容 5
2. 实验部分 6
2.1 仪器与试剂 6
2.2 实验步骤 7
2.2.1 实验准备 7
2.2.2纳米Fe3O4的制备 7
2.2.3 Ce/ZnO/TiO2/Fe3O4光催化剂的制备 7
2.2.4 Ce/ZnO/TiO2/Fe3O4性能表征 8
2.2.5 Ce/ZnO/TiO2/Fe3O4纳米材料电助光催化降解有机染料 8
3结果与讨论 10
3.1 光电催化降解机理 10
3.2 XRD分析 11
3.3紫外分析 12
3.4 Ce/ZnO/TiO2/Fe3O4光催化剂的性能研究 13
3.4.1 染料bpf的最大吸收波长 13
3.4.2降解时间对光电催化降解率的影响 13
3.4.3外加电压对光电催化降解率的影响 15
3.4.4催化剂浓度对光电催化降解率的影响 16
3.4.5溶液pH对光电催化降解率的影响 17
3.4.6溶液初始浓度对光电催化降解率的影响 19
3.4.7电解质浓度对光电催化降解率的影响 20
3.4.8催化剂的回收利用 21
3.4.9 COD测定 22
4.结论 24
参考文献 25
致谢 27
1.引言
水是人类赖以生存和发展的基础，同时也是限制社会发展的一个重要因素。我国是世界上缺水国家之一，虽然水资源总量丰富，但是由于人口众多，人均量少，同时南北差异大，分布不均，所以我国许多地区水资源异常匮乏。自改革开放以来，中国的工业化进程加快，水污染日益加重。纺织业是我国传统产业，具有悠久的历史，随着工业化的推进，我国的纺织业也快速发展，印染废水的排放量也逐渐增加，2012年，印染废水的排放量位列工业废水总排放量的第2位，排放的染料废水给人类的健康及生存造成严重地威胁[1-3]，当前人们迫切的需要开发新技术来处理水污染。
1.1印染废水的来源、特征及危害
印染废水主要来源于染料行业和染料中间体行业，包括预处理、染色、印花、整理等工序。其中预处理的工序包括退浆、煮炼、漂白和丝光，整个工序排出来的废水统称为印染废水[4-5]。
印染废水的特征有以下几点：(1)色度很大，有机物所占的比例高；（2）水质水量变化大；（3）生物毒性强。通常情况下，印染废水水质pH为6-10，COD为400—1000mg/L，SS 100-200mg/L，色度为100—400倍。所以从成分上来看，印染废水是一个非常复杂的废水，由于各种污染物物质的性质差异性非常大，很难用同一种化学方法解决，因此多方法联合处理印染废水是现在研究的热点。
印染废水的主要危害：印染废水色度大，水体外观污染严重，废水染料能吸收太阳光，水体的透明度下降，影响水体的自我净化以及水中生物的生存。甚至一些有毒害的染料：比如燃料中含有有害重金属；一些具有致癌性的芳香胺染料；含甲醛的处理剂和印染助剂对人体具有很强的毒害作用等[6-7]。这些污染废水没有经过处理就直接排放不仅直接危害人们的身心健康，还会严重破坏水体，土壤以及生态系统的自然平衡。
1.2印染废水处理研究现状
现今对于废水的处理主要集中于物化法和生化法
物化法主要包括吸附、电化学法、混凝法、膜分离等。生化法主要利用微生物的新陈代谢作用，降解废水中的有机污染物，主要包括厌氧法和好氧法。由于印染废水的生产工艺的多样性，废水成分复杂，单一的处理方法很难达到排放标准，所以需要采用物理、生物相结合的组合工艺，其中生物法主要用于去除水中的COD、BOD、氨氮等，物化法主要用于处理废水中的悬浮物以及降低色度。
1.2.1物化法
（1）吸附法：吸附法主要是采用多孔性的固体物质吸附剂，多孔物质的颗粒或粉末与废水混合，使废水中的污染物质被吸附在多孔物质的表面上或被过滤除去的方法[32]。吸附处理的吸附剂的种类多种多样，目前主要采用的是活性炭做吸附剂。吸附法需要设备投资少、操作简便、选着性较高等优点，但是吸附剂有一定的容量，吸附后再生困难，所以只适合处理浓度比较低的废水。
（2）膜分离技术：目前常用的有四种方法：反渗透法、超滤法、微滤法、纳滤法[8]。膜分离法操作方便，能实现资源的再生，适应性强，分离率高。但膜具有一定的通量，对于分子很小的有机物无法进行有效分离而且膜易受到污染，维护清洗成本高。
（3）混凝沉淀法：在处理印染废水的过程中混凝法是比较廉价的方法之一。常用的混凝剂分为无机混凝剂和有机混凝剂两种，混凝沉淀对分散染料、硫化染料、还原染料等疏水性染料处理效果较为明显。因印染废水中染料种类繁多，常采用多种混凝剂混合使用，这样能获得比较好的效果。混凝处理后的废液一般达不到排放标准，实际应用中经常将混凝法与其他生产工艺结合，以提高废水的处理效果[9]。
（4）电化学技术：电催化氧化处理印染废水的机理[10]是利用电解氧化来破坏分子结构或状态。20世纪80年代，科学家提出利用电化学方法产生羟基自由基·OH、臭氧等强氧化性中间物质来降解染料废水。该方法易实现自动化，操作简便，降解效率高等优点，在含氰化物、含氮等有机染料废水中，能发挥非常有效的作用。因此，近年来电催化氧化在处理染料废水方面越来越受到人们关注，成为研究领域的一个热点。
1.2.2生化法
（1）膜生物反应器：该技术的研究起始于20世纪60年代的美国，20年后才得到广泛的研究，蔡惠如[11]利用膜生物反应器处理COD1000mg/L左右的活性黑和活性黄废水，COD的去除率达到95%以上。
（2）生物接触氧化法：将填料放于反应池内，通过曝气对池底的废水填充氧气，并使反应池体内的污水处于流动的状态，以保证污水与污水中的填料充分接触[12]，该法中的微生物所需氧由鼓风曝气供给[13]。
（3）活性污泥法：以活性污泥为主体，通过增加曝气池内污泥的浓度和抗冲击负荷，降低单位数量活性污泥内细菌的降解量，从而提高系统有机物的去除率的生物方法[14]。活性污泥法以成为印染废水的主要处理方法，具有处理量大，受气候条件小等优点[15]。
1.3 纳米TiO2处理有机污染物的缺陷
半导体纳米TiO2作为一种新型的光催化剂，由于其价格便宜，原料易取，性质稳定和较强的光催化氧化能力而备受人们青睐[16]。但是它的缺点也显而易见：
(1)纳TiO2光生电子-空穴对的复合率太高导致光催化性能降低；
(2)TiO2光催化剂带隙能较宽，只能吸收波长小于或等于387.5nm的紫外线部分，太阳能利用率低；
摘要
本文采用超声化学沉淀法制备出磁性纳米Fe3O4，并通过溶胶凝胶法将稀土铈、纳米Fe3O4以及纳米ZnO掺杂到TiO2中制备出Ce/ZnO/TiO2/Fe3O4磁性纳米复合材料。通过X射线衍射(XRD)、UV-Vis漫反射等对样品的微观结构进行分析。结果表明：稀土Ce、ZnO及Fe3O4的掺杂使TiO2的晶型结构转变为高活性的锐钛矿、UV-Vis漫反射曲线有红移现象。产品的光催化活性以降解染料深红bpf为评价模型探究了催化剂的浓度、外加电压、电解质浓度、溶液的pH值、降解时间以及催化剂的回收利用对降解染料bpf的影响。研究结果表明：在弱碱性的深红bpf溶液中，催化剂加入量为10g/L、电解时间150min、外加电压8V、电解质Na2SO4的浓度0.15mol/L、溶液初始浓度10mg/L，深红bpf的降解率能达到95%.
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:铈掺杂纳米TiO2光电催化降解
目录
1.引言 1
1.1印染废水的来源、特征及危害 1
1.2印染废水处理研究现状 1
1.2.1物化法 2
1.2.2生化法 2
1.3 纳米TiO2处理有机污染物的缺陷 3
1.4纳米TiO2光催化剂的改性 3
1.4.1 金属离子掺杂 3
1.4.2 非金属离子掺杂 4
1.4.3 共掺杂 4
1.5 光电催化氧化 4
1.5.1光电催化氧化基本概念 4
1.6 本文研究的目的意义、采取的思路和主要内容 5
2. 实验部分 6
2.1 仪器与试剂 6
2.2 实验步骤 7
2.2.1 实验准备 7
2.2.2纳米Fe3O4的制备 7
2.2.3 Ce/ZnO/TiO2/Fe3O4光催化剂的制备 7
2.2.4 Ce/ZnO/TiO2/Fe3O4性能表征 8
2.2.5 Ce/ZnO/TiO2/Fe3O4纳米材料电助光催化降解有机染料 8
3结果与讨论 10
3.1 光电催化降解机理 10
3.2 XRD分析 11
3.3紫外分析 12
3.4 Ce/ZnO/TiO2/Fe3O4光催化剂的性能研究 13
3.4.1 染料bpf的最大吸收波长 13
3.4.2降解时间对光电催化降解率的影响 13
3.4.3外加电压对光电催化降解率的影响 15
3.4.4催化剂浓度对光电催化降解率的影响 16
3.4.5溶液pH对光电催化降解率的影响 17
3.4.6溶液初始浓度对光电催化降解率的影响 19
3.4.7电解质浓度对光电催化降解率的影响 20
3.4.8催化剂的回收利用 21
3.4.9 COD测定 22
4.结论 24
参考文献 25
致谢 27
1.引言
水是人类赖以生存和发展的基础，同时也是限制社会发展的一个重要因素。我国是世界上缺水国家之一，虽然水资源总量丰富，但是由于人口众多，人均量少，同时南北差异大，分布不均，所以我国许多地区水资源异常匮乏。自改革开放以来，中国的工业化进程加快，水污染日益加重。纺织业是我国传统产业，具有悠久的历史，随着工业化的推进，我国的纺织业也快速发展，印染废水的排放量也逐渐增加，2012年，印染废水的排放量位列工业废水总排放量的第2位，排放的染料废水给人类的健康及生存造成严重地威胁[1-3]，当前人们迫切的需要开发新技术来处理水污染。
1.1印染废水的来源、特征及危害
印染废水主要来源于染料行业和染料中间体行业，包括预处理、染色、印花、整理等工序。其中预处理的工序包括退浆、煮炼、漂白和丝光，整个工序排出来的废水统称为印染废水[4-5]。
印染废水的特征有以下几点：(1)色度很大，有机物所占的比例高；（2）水质水量变化大；（3）生物毒性强。通常情况下，印染废水水质pH为6-10，COD为400—1000mg/L，SS 100-200mg/L，色度为100—400倍。所以从成分上来看，印染废水是一个非常复杂的废水，由于各种污染物物质的性质差异性非常大，很难用同一种化学方法解决，因此多方法联合处理印染废水是现在研究的热点。
印染废水的主要危害：印染废水色度大，水体外观污染严重，废水染料能吸收太阳光，水体的透明度下降，影响水体的自我净化以及水中生物的生存。甚至一些有毒害的染料：比如燃料中含有有害重金属；一些具有致癌性的芳香胺染料；含甲醛的处理剂和印染助剂对人体具有很强的毒害作用等[6-7]。这些污染废水没有经过处理就直接排放不仅直接危害人们的身心健康，还会严重破坏水体，土壤以及生态系统的自然平衡。
1.2印染废水处理研究现状
现今对于废水的处理主要集中于物化法和生化法
物化法主要包括吸附、电化学法、混凝法、膜分离等。生化法主要利用微生物的新陈代谢作用，降解废水中的有机污染物，主要包括厌氧法和好氧法。由于印染废水的生产工艺的多样性，废水成分复杂，单一的处理方法很难达到排放标准，所以需要采用物理、生物相结合的组合工艺，其中生物法主要用于去除水中的COD、BOD、氨氮等，物化法主要用于处理废水中的悬浮物以及降低色度。
1.2.1物化法
（1）吸附法：吸附法主要是采用多孔性的固体物质吸附剂，多孔物质的颗粒或粉末与废水混合，使废水中的污染物质被吸附在多孔物质的表面上或被过滤除去的方法[32]。吸附处理的吸附剂的种类多种多样，目前主要采用的是活性炭做吸附剂。吸附法需要设备投资少、操作简便、选着性较高等优点，但是吸附剂有一定的容量，吸附后再生困难，所以只适合处理浓度比较低的废水。
（2）膜分离技术：目前常用的有四种方法：反渗透法、超滤法、微滤法、纳滤法[8]。膜分离法操作方便，能实现资源的再生，适应性强，分离率高。但膜具有一定的通量，对于分子很小的有机物无法进行有效分离而且膜易受到污染，维护清洗成本高。
（3）混凝沉淀法：在处理印染废水的过程中混凝法是比较廉价的方法之一。常用的混凝剂分为无机混凝剂和有机混凝剂两种，混凝沉淀对分散染料、硫化染料、还原染料等疏水性染料处理效果较为明显。因印染废水中染料种类繁多，常采用多种混凝剂混合使用，这样能获得比较好的效果。混凝处理后的废液一般达不到排放标准，实际应用中经常将混凝法与其他生产工艺结合，以提高废水的处理效果[9]。
（4）电化学技术：电催化氧化处理印染废水的机理[10]是利用电解氧化来破坏分子结构或状态。20世纪80年代，科学家提出利用电化学方法产生羟基自由基·OH、臭氧等强氧化性中间物质来降解染料废水。该方法易实现自动化，操作简便，降解效率高等优点，在含氰化物、含氮等有机染料废水中，能发挥非常有效的作用。因此，近年来电催化氧化在处理染料废水方面越来越受到人们关注，成为研究领域的一个热点。
1.2.2生化法
（1）膜生物反应器：该技术的研究起始于20世纪60年代的美国，20年后才得到广泛的研究，蔡惠如[11]利用膜生物反应器处理COD1000mg/L左右的活性黑和活性黄废水，COD的去除率达到95%以上。
（2）生物接触氧化法：将填料放于反应池内，通过曝气对池底的废水填充氧气，并使反应池体内的污水处于流动的状态，以保证污水与污水中的填料充分接触[12]，该法中的微生物所需氧由鼓风曝气供给[13]。
（3）活性污泥法：以活性污泥为主体，通过增加曝气池内污泥的浓度和抗冲击负荷，降低单位数量活性污泥内细菌的降解量，从而提高系统有机物的去除率的生物方法[14]。活性污泥法以成为印染废水的主要处理方法，具有处理量大，受气候条件小等优点[15]。
1.3 纳米TiO2处理有机污染物的缺陷
半导体纳米TiO2作为一种新型的光催化剂，由于其价格便宜，原料易取，性质稳定和较强的光催化氧化能力而备受人们青睐[16]。但是它的缺点也显而易见：
(1)纳TiO2光生电子-空穴对的复合率太高导致光催化性能降低；
(2)TiO2光催化剂带隙能较宽，只能吸收波长小于或等于387.5nm的紫外线部分，太阳能利用率低；
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