三維TiO2納米材料構(gòu)建及其對(duì)重金屬的催化-吸附作用.pdf

1、“十二五”規(guī)劃以來(lái),水體重金屬污染的防治技術(shù),尤其是水體中重金屬的深度去除技術(shù)已經(jīng)成為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。本論文以水體中重金屬砷和鉻的高效去除為研究目標(biāo),制備了納米二氧化鈦材料和三維二氧化鈦納米材料,采用SEM、TEM、XPS及N2吸附-脫附等手段對(duì)材料進(jìn)行表征,并對(duì)水體中As(III)的吸附-氧化過(guò)程、Cr(VI)的吸附-還原性能和機(jī)制進(jìn)行了研究。工作內(nèi)容如下:
　　1)以鈦酸丁酯為前軀體制備了二氧化鈦納米材料,定性探討了納米Ti

2、O2顆粒粒徑、比表面積和表面羥基含量對(duì)As(III)的吸附和催化氧化過(guò)程的影響,結(jié)果表明金紅石相二氧化鈦具有催化氧化能力,表面羥基為其發(fā)揮作用的功能基團(tuán)。2)采用無(wú)模板法進(jìn)行三維金紅石相TiO2納米材料構(gòu)建,探討了反應(yīng)時(shí)間、溫度、前驅(qū)體濃度、干燥溫度以及攪拌方式對(duì)三維TiO2納米結(jié)構(gòu)和形貌形成的影響;采用SEM、TEM以及XPS分析手段對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)和組分進(jìn)行了分析,表明TiO2球?yàn)槲⒚准?jí)別,具有核-殼結(jié)構(gòu),其中殼結(jié)構(gòu)是由結(jié)晶度高的金

3、紅石相刺狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成,核結(jié)構(gòu)是由低結(jié)晶度金紅石相和無(wú)定形TiO2納米顆粒構(gòu)成。無(wú)模板法制備的TiO2具有大量的微孔結(jié)構(gòu),表面羥基密度約為18.9OH/nm2,產(chǎn)率可達(dá)97.8％。對(duì)TiO2三維納米結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制分析表明,材料生長(zhǎng)前期受生長(zhǎng)由動(dòng)力學(xué)和結(jié)晶動(dòng)力學(xué)控制,后期存在奧斯特瓦爾德效應(yīng)作用。
　　3)針對(duì)水體中As(III)和As(Ⅴ)、Cr(VI)和Cr(Ⅲ)的吸附過(guò)程,開(kāi)展了動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)實(shí)驗(yàn),考察了溶液pH值,共存離子對(duì)吸附

4、容量的影響,結(jié)合三維TiO2的微觀結(jié)構(gòu)闡明了重金屬的吸附機(jī)制。結(jié)果表明材料的結(jié)構(gòu)和組成促進(jìn)了砷和Cr(VI)的化學(xué)吸附過(guò)程;在pH=2-10的范圍內(nèi),pH值對(duì)TiO2除砷性能的影響較小,As(III)和As(Ⅴ)的吸附容量都保持在24和17mgg-1以上,吸附過(guò)程與配合物形成過(guò)程中H+和OH-的釋放相關(guān);材料對(duì)砷的吸附容量可達(dá)60mgg-1以上,5min內(nèi)可完成至少80%的吸附過(guò)程,并可將砷濃度降低到檢測(cè)限以下(0.02μgL-1)。隨

5、著pH值的升高,材料對(duì)Cr(VI)的吸附容量由28mgg-1(pH=2.1)降低到6mgg-1(pH=10.3),對(duì)Cr(Ⅲ)幾乎不吸附,吸附容量<1.5mgg-1。
　　4)在UV/TiO2系統(tǒng)中,采用XPS分析手段探究了As(III)的吸附與氧化、Cr(VI)的吸附與還原行為。紫外光可提高TiO2的表面羥基功能基團(tuán)密度,形成亞穩(wěn)態(tài)吸附位點(diǎn),具有高反應(yīng)活性和低熱力學(xué)穩(wěn)定性。因此,紫外光可促進(jìn)As(Ⅴ)的吸附速率,不能提高其吸附容