活性炭负载二氧化钛复合光催化剂的制备及其光催化性能研究

摘要

悬浮相纯纳米TiO2光催化剂活性较高，但在使用过程中易凝聚失活，并且回收再利用比较困难。对二氧化钛光催化剂的改性研究具有广泛的意义。本论文采用煤质活性炭和椰壳活性炭为载体，通过水热法、sol gel A液B液法以及直接溶胶凝胶法制备出炭载二氧化钛复合催化剂。此外，用水热-溶胶浸渍法先将锰锌铁氧体负载在活性炭上形成磁性炭，再以该磁性炭为载体负载二氧化钛，得到了催化活性较高且具有较好磁分离性能的软磁性复合光催化剂。同时借助XRD、SEM和VSM等表征手段，讨论了活性炭来源、煅烧处理、钛负载量、锰锌铁氧体含量等对复合光催化剂的光催化性能的影响，以及以亚甲基蓝(MB)为目标降解物时的降解条件的优化。
　　研究结果表明：
　　(1)通过水热法、直接溶胶凝胶法和sol gel A液B液法均可以制备出炭载二氧化钛复合光催化剂，制备方法不同，活性也有差异，但均表现出比等量纯二氧化钛更高的活性。活性炭上负载的二氧化钛呈锐钛矿晶型，为纳米级，晶粒小，分布均匀。
　　(2)通过对煤质活性炭和椰壳活性炭这两种活性炭作载体负载二氧化钛活性组分所制得的复合光催化剂脱除水中亚甲基蓝进行活性评价，发现载体的结构对复合光催化剂的活性有着显著影响，椰壳炭由于孔体积更丰富、比表面积更大，能够为二氧化钛提供更多的负载场所，使其分布更均匀，并且表现出更优良的吸附效果，使得对亚甲基蓝的脱除速率更快，脱除能力更强。
　　(3)复合光催化剂制备中，煅烧对其活性有着明显的影响。经过煅烧或者增加煅烧次数，可以对载体活性炭起到扩孔作用，从而提高整体复合光催化剂的活性。随着煅烧温度的升高，载体扩孔越明显，活性炭上负载的二氧化钛的锐钛矿晶型越来越完善，复合光催化剂的光催化降解效果越好。并且，煅烧温度适宜，不会改变二氧化钛晶型。
　　(4)在一定范围内增加复合光催化剂中二氧化钛的负载量，可以增加光催化活性位，相应的光催化活性也随之提高，但负载量相对过高，TiO2粒径变大，出现团聚现象，反而会降低光催化效率，另一方面过多的TiO2会堵塞活性炭的孔洞，使活性炭的吸附性能也有所降低，进而降低了总的光降解速率。这个相对负载量与载体的孔体积和孔结构有着紧密联系。
　　(5)在光催化降解体系中加入双氧水，可以明显的提高复合型光催化剂的光催化降解能力。在强碱性条件下，有利于亚甲基蓝在复合光催化剂颗粒表面的吸附。随着亚甲基蓝溶液初始浓度的提高，表面上表现出的亚甲基蓝的脱除率是降低的，但实质上复合光催化剂脱除亚甲基蓝的实际绝对量是增加的。复合光催化剂投入量的增加，可加快对亚甲基蓝溶液的去除速率。
　　(6)以水热-溶胶浸渍法制备的软磁性Ti-FAC复合光催化剂，由于适量锰锌铁氧体的负载，不仅具有更高的光催化活性，而且赋予光催化剂良好的磁性能，能借助外加磁场有效方便地进行固液分离，实现复合光催化剂的循环再使用。经过6次“光催化降解-磁场分离”循环使用后对亚甲基蓝的光催化降解率仍然很高，即该复合光催化剂具有较好地稳定性。
　　本文的创新点是将锰锌铁氧体引入复合光催化剂中，不仅利用了活性炭的强吸附性能促进光催化降解的进行，还利用了锰锌铁氧体的软磁性来促进固液分离，这对复合光催化剂的分离、回收及再利用有重要意义。本文对复合光催化剂中引入锰锌铁氧体的相关研究，必然对以后的相关研究和环境保护工作有一定的帮助，同时将产生良好的社会效益。