分子筛负载纳米TiO2的制备及其吸附与光催化性能研究

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纳米TiO2因光催化氧化还原能力强、价廉、无毒和物理化学性质稳定等优点备受人们关注。精细纳米TiO2粉末直接用于废水处理中尽管其降解效率高,但存在分离回收难且易失活等问题,限制了其实际应用。制备负载型纳米TiO2光催化剂,既可以解决催化剂分离回收的难题,还可以克服催化剂颗粒易团聚和稳定性差的缺点,甚至在载体-TiO2复合物表面产生一个底物富集环境,提高光催化降解效率。本文在查阅大量文献的基础上,综述了分子筛负载TiO2催化剂及其疏水改性的研究进展,确定了本文关于微孔HZSM-5负载纳米TiO2降解甲基橙的研究和含模板剂具有疏水性的MCM-41及其负载TiO2对有机氯化物的吸附与光催化降解研究在理论和实际中的意义。分别以钛氧草酸铵、钛酸丁酯和P25型TiO2为钛源,相应采用浸渍法、溶胶-凝胶法和固相扩散法制备了三种HZSM-5分子筛负载型纳米TiO2光催化剂,并在紫外光下对甲基橙(MO,methyl orange)进行了光催化降解性能考察。结果表明,采用方法简单易控制且无需有机溶剂的浸渍法制备的催化剂对MO的去除效果相较用溶胶-凝胶法和固相扩散法制备的样品更好。在此基础上,采用浸渍法制备催化剂,考察了TiO2负载量和分子筛的Si/Al比对甲基橙降解率的影响。实验表明,TiO2负载量为15 wt%、HZSM-5分子筛Si/Al=500时,TiO2/HZSM-5催化剂对降解MO具有更高的催化活性。应用X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射光谱(UV-vis DRS)和BET比表面积分析等技术对催化剂结构进行表征,结果表明,光催化剂具有较高的比表面积,并且TiO2在分子筛外表面分散良好,导致其具有高的光催化活性。以未煅烧含有机模板剂的MCM-41(记作MCM-41-dry)和已煅烧MCM-41(记作MCM-41-cal)为吸附剂对邻氯苯酚(o-CP,To-chlorophenolT)和邻氯硝基苯(o-CNB,To-chloronitrobenzeneT)进行吸附实验。结果表明,相比MCM-41-cal,MCM-41-dry对o-CP和o-CNB有更高的吸附能力,这可能归因于模板剂的存在使MCM-41-dry具有更高的疏水性。此外,还研究了吸附剂的用量、pH值、目标污染的初始浓度和共存离子等因素对MCM-41-dry吸附效果的影响。研究表明,pH值和共存的离子对MCM-41-dry的吸附效果影响较大,MCM-41-dry对o-CP的吸附容量高于o-CNB,MCM-41-dry对o-CP和o-CNB的吸附符合Freundlich吸附平衡模型。分别以MCM-41-dry和MCM-41-cal为载体制备负载型纳米TiO2催化剂,并在紫外光下对o-CP进行了光催化降解性能考察。结果表明,含模板剂的TiO2/MCM-41-dry催化剂对o-CP及其中间产物有更短的降解去除时间。此外,还研究了溶液pH值和o-CP初始浓度对TiO2/MCM-41-dry光催化降解o-CP的影响。结果表明,在pH值为211范围内,pH值越高,光催化完全降解o-CP的时间越短;反应物的初始浓度越高,相同反应条件下,其完全降解o-CP的时间越长。
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