光催化--膜蒸馏体系协同去除重金属和有机污染物的研究

摘要

随着社会发展，水污染问题越来越严重。水中的重金属和有机物是主要污染物。很多时候炼油厂，化工厂等工厂的有机污染物和重金属离子都接被排放到人们的生活环境中。通过食物链对各种生物包括人类都造成了不可逆转的伤害。工厂废水中含银污染物的残留高达90％以上。因此协同去除重金属和有机污染物显得非常必要。 目前研究者在污染物去除上做了大量工作。去除有机物污染物的方法包括吸附法和高级氧化等。去除重金属离子的方法包括沉淀法，电解法，活性炭吸附和离子交换等，但大多数方法都是用于去除一种污染物。单独去除一种污染物不能够满足人们对纯净水的需求。因此，协同去除方法的研究吸引众多学者的关注。虽然要实现协同去除很困难，很少有关于协同去除重金属和有机物的方法被报道。而传统的协同去除重金属和有机污染物的方法包括:电化学方法，选择性吸附法和使用零价铁化合物等。这些方法都有其独特的优势，但是高成本，容易造成二次污染和重复再利用等问题依然没有得到解决。因此，有必要开发新的协同去除重金属和有机物的方法来解决污染问题。 光催化可以实现在协同去除重金属和有机物，但是光催化速率会随着反应物浓度的降低而变慢。另一方面，膜蒸馏技术，可以有效地浓缩污染物，但不能去除污染物。污染物在溶液中富集会导致膜污染。而两者结合之后，光催化可以去除水中的污染物防止膜污染和堵塞，膜蒸馏则控制污染物浓度在一恒定值，使光催化速率维持在较高的速率下进行。光催化膜蒸馏反应体系具有在协同去除重金属和有机污染物的潜力。针对以上问题，本论文主要开展以下工作: (1)光催化膜蒸馏体系协同去除重金属和有机污染物的研究 在光催化膜蒸馏体系中同时引入金属离子（银离子）和有机污染物(4-CP，对氯苯酚)模拟污染物，在该反应体系中，光催化和膜蒸馏分别对银离子和4-CP有不同的作用，光催化还原溶液中的银离子，氧化有机物。膜蒸馏浓缩反应物，使光催化反应速率维持在恒定值。银离子在反应中与光生电子反应，促进光生空穴与电子分离，另一方面，被还原的单质银在光催化剂表面通过Plasma效应进一步促进4-CP的降解。接着，对加银前后反应体系中的活性物种进行了捕获实验，发现反应体系中的活性物种在加银后从·O2-变为空穴。据此，提出了可能的反应机理并通过EPR和定量捕获实验对反应体系中的活性物种进行了进一步的捕获。此外，用光电流测试对反应体系中不同反应步骤的电子贡献百分比进行了估算。 (2)光催化膜蒸馏体系中协同去除复合金属离子和有机物的研究 在光催化-膜蒸馏体系中同时引入两种重金属离子（金离子和银离子）和有机污染物4-CP。在该反应体系中，光生电子同时还原并回收金离子和银离子，还原的双金属在催化剂表面，通过plasma以及电子阱效应促进光生空穴的产生，从而提高光生空穴氧化有机污染物。在该反应体系中，对溶液中的银离子对金离子的作用，金离子对银离子的作用，金离子和银离子对反应活性物种的影响进行了探究。金离子主要通过还原成金纳米颗粒后Plasma效应来促进光催化降解有机污染物，银离子通过还原成银纳米颗粒的Plasma效应和改变污染液中活性物种的作用来促进光催化反应的进行。所以在金离子，银离子和有机物同时存在的光催化膜蒸馏反应体系中，再回收贵金属的同时，光催化降解速率可以得到提升。针对光催化-膜蒸馏体系中，金、银两种离子和有机物的有效协同去除研究为今后的潜在应用提供了理论依据。

目录

摘要

1．1前言

1．2半导体光催化的应用概述

1．2．1光催化在新能源方面的应用

1．2．2光催化在环境治理上的应用

1．2．3光催化在其它方面的应用

1．3半导体光催化原理

1．4半导体光催化材料研究现状

1．4．1铋系列光催化剂的研究进展

1．4．2 BiOX的研究进展

1．4．3光催化薄膜材料

1．5光催化反应器的研究进展

1．5．1反应器的类型

1．6膜分离技术介绍

1．6．1膜分离技术的应用概述

1．6．2膜分离技术在食品工业中的应用

1．6．2膜分离技术在工业废水中的应用

1．6．3膜分离技术在食品行业的应用

1．7膜分离技术的研究进展

1．8光催化膜分离反应装置的研究进展

1．9立题依据

2．1原料与试剂

2．2催化剂的制备

2．2．1制备BiOBr光催化剂

2．3材料表征

2．3．7电感耦合等离子光谱(ICP)

2．3．8荧光光谱(PL)

2．3．9电化学测试(Electrochemical Measurement)

2．3．10电子顺磁共振(EPR)

2．4催化剂性能测试

2．4．1光催化-膜蒸馏反应器中降解4-CP测试

2．4．4反应样品的标记

2．5活性物种的测试

第三章光催化膜蒸馏体系协同去除重金属和有机污染物的研究

3．1引言

3．2结果与讨论

3．2．1 PMR中协同去除重金属和有机污染物

3．2．2 PMR体系中反应结束后催化剂的表征

3．2．3 PMR中协同去除重金属和有机物的机理探究

3．3本章小结

第四章光催化-膜蒸馏体系协同去除复合金属离子和有机污染物的研究

4．1引言

4．2结果与讨论

4．2．1光催化-膜蒸馏体系中引入Au3+

4．2．2光催化膜蒸馏体系中Au3+和Ag+的之间相互作用

4．2．3 Ag+与Au3+的协同机理

4．3本章小结

第五章结果与展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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