TiO2/PAN碳化纳米纤维的制备及其光催化降解腐殖酸的研究

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纳米TiO2(nano-TiO2)光催化技术在废水处理及空气净化方面显示出广阔的应用前景,负载型TiO2光催化剂可以解决催化剂回收难的问题,还能够克服悬浮态体系催化剂稳定性差和容易中毒的缺点。静电纺丝技术制备的纳米纤维直径小、吸脱附速度快、物化性能稳定,将其作为载体,可以使被降解物与催化剂接触几率增加,实现在同一反应器内,吸附和催化的有机结合,大大提高催化效率。本文将静电纺丝与溶胶一凝胶相结合制备出TiO2/PAN碳化纳米纤维复合催化剂,并研究其对难降解有机物腐殖酸(HA)的光催化氧化去除效果。本文考察了不同纺丝液浓度、预氧化温度、离心时间、浸渍时间等条件下制得的复合催化剂对HA的光解效果,采用SEM、DSC、XRD等方法对催化剂的表面形貌、热性能、TiO2的晶型和晶粒尺寸进行了表征,并采用灰分法测定了TiO2的负载量。研究了不同反应条件下复合催化剂光催化降解腐殖酸的效果,对腐殖酸溶液UV254和TOC的去除率进行了比较。为了了解TiO2/PAN碳化纳米纤维复合催化剂对腐殖酸的吸附特性以及更好地控制操作参数,本文还考察了pH、反应液初始浓度对HA吸附性能的影响,在此基础上,对吸附动力学进行了研究。研究结果表明,纺丝液浓度质量分数为3%,预氧化温度280℃,能得到直径细、形态完整的纳米纤维,纤维直径大部分集中在120nm左右;离心时间和浸渍时间分别为1min和2h时,TiO2负载量为22%,平均粒径为10.9nm,具有较小的尺寸,保证了其具有较高的光催化性能。催化剂投加量为1.6g/L,反应液初始浓度为5mg/L,光反应2h,腐殖酸的UV254值可去除93%;研究发现,催化剂重复使用也能够保持较高的催化活性;采用Langmuir-Hinshelwood(L-H)模型对TiO2/PAN碳化纳米纤维光催化降解腐殖酸的动力学进行模拟,相关系数在0.99以上。复合催化剂对腐殖酸的吸附研究表明,pH是影响吸附性能的关键因素;本文用Langmuir和Freundlich吸附方程及Lagergren准一级动力学方程拟合腐殖酸在催化剂表面的吸附过程,相关系数较高,随着浓度的增大,吸附速率常数减小,说明较小的浓度会有更高的腐殖酸去除率。静电纺丝与溶胶-凝胶相结合制备的复合催化剂可以同时发挥纳米纤维的强吸附性与TiO2的高活性,使两者产生很好的协同作用。光催化反应的动力研究,为预测各种化合物的降解规律提供理论基础,又为设计高效、可行的光化学反应器提供参考依据。
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