TiO2@PANI@鐵氧體光催化磁流體的制備及其光催化與磁回收性能研究.pdf

1、納米 TiO2光催化劑具有無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)腐蝕性、氧化能力強(qiáng)、催化活性高、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，是一種在水處理等方面有廣泛應(yīng)用前景的綠色環(huán)保材料。但是納米TiO2光催化劑由于分離回收難、難以重復(fù)利用、無(wú)法連續(xù)運(yùn)行等缺點(diǎn)，而負(fù)載型 TiO2光催化劑存在著光源布局困難、催化活性下降等問(wèn)題。制備具有高催化效率和磁回收性能的殼@殼@核結(jié)構(gòu)的磁載納米光催化劑是研究的重點(diǎn)。
　　殼@核結(jié)構(gòu)的磁載納米光催化劑的制備主要有兩種形式。一是在磁核(鐵氧化物

2、)的表面直接負(fù)載TiO2光催化劑。這種結(jié)構(gòu)由于TiO2光催化劑與磁核直接接觸，容易產(chǎn)生誘導(dǎo)光溶解現(xiàn)象，磁核的干擾導(dǎo)致光催化活性下降。因此加入惰性隔離層，制成殼@殼@核結(jié)構(gòu)的磁載光催化劑以防止磁核與 TiO2直接接觸及磁核物質(zhì)在 TiO2中的擴(kuò)散，從而減少對(duì)TiO2光催化活性的影響。
　　然而，對(duì)于殼@殼@核結(jié)構(gòu)的磁載光催化劑的制備來(lái)說(shuō)，目前常見(jiàn)的合成方法均需要煅燒或烘干使得 TiO2牢固負(fù)載在磁核的表面。這就導(dǎo)致其制備步驟繁瑣，材

3、料成型率低，制備成本高昂，難于實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)殼@殼@核結(jié)構(gòu)的粉末態(tài)磁載光催化劑，經(jīng)烘干研磨后，容易破壞其結(jié)構(gòu)的完整性，導(dǎo)致光催化活性的急劇下降；而不經(jīng)過(guò)研磨直接應(yīng)用，無(wú)論是機(jī)械攪拌還是超聲震蕩，均無(wú)法使其有效分散，嚴(yán)重影響了光催化效率。在納米磁性粒子的表面負(fù)載惰性隔離層，再在其表面原位負(fù)載 TiO2光催化劑，制備成具有光催化作用的磁流體，將能克服粉末態(tài)磁載光催化劑分散性能差以及制備過(guò)程繁瑣的缺點(diǎn)。
　　聚苯胺(PANI)@鐵氧體高

4、分子納米復(fù)合材料不但具有磁性能，可方便地對(duì)其進(jìn)行磁分離。更為重要的是，具有導(dǎo)電性能的PANI同時(shí)兼具良好的抗氧化性能，與單獨(dú)的納米鐵氧體相比，溶液內(nèi)的PANI@鐵氧體納米粒子之間直接接觸的機(jī)會(huì)減少，分散性明顯得到增強(qiáng)。
　　本文以原位合成法制備 PANI@鐵氧體磁性復(fù)合材料，將 TiO2負(fù)載于磁性材料上，采用低溫水熱法制備 TiO2@PANI@鐵氧體光催化磁流體，考察其光催化活性和磁回收性能。用 X射線衍射儀(XRD)、傅里葉紅外

5、分光光度計(jì)(FT-IR)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)等對(duì)制備的催化劑的物相組成、形貌、表面性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行了表征。以100mg/L苯酚為模擬污染物，通過(guò)降解苯酚的反應(yīng)速率常數(shù)K和COD的降解率，考察其光催化活性，并結(jié)合自制的磁回收設(shè)備，考察其催化活性壽命。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，本文得到如下結(jié)論：
　?。?）通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)條件，嘗試制備幾種 PANI惰性隔離層，通過(guò)光催化活性實(shí)驗(yàn)，確定出最

6、佳的PANI的制備方法。分別以不同鈦源為原料制備出TiO2@PANI@Fe3O4光催化磁流體，通過(guò)光催化活性與磁回收性能實(shí)驗(yàn)，選出最優(yōu)光催化磁流體。以硫酸鈦為鈦源制備的最優(yōu)光催化活性的TiPF光催化磁流體降解苯酚的反應(yīng)速率常數(shù)K=0.0097min-1，對(duì)COD的降解率120min達(dá)到43.68％，重復(fù)使用5次后，TiPF降解苯酚的反應(yīng)速率常數(shù) K下降了0.0039；以鈦酸四異丙酯為鈦源制備的最優(yōu)光催化活性的TPF光催化磁流體降解苯酚的

7、反應(yīng)速率常數(shù) K=0.0114min-1，對(duì) COD的降解率120min達(dá)到43.16%，重復(fù)使用5次后，TPF降解苯酚的反應(yīng)速率常數(shù)K下降了0.0031。
　?。?）在磁核物質(zhì)表面直接包覆 TiO2所制備出的TiO2@鐵氧體的光催化活性遠(yuǎn)低于TiO2@PANI@鐵氧體，說(shuō)明 PANI作為惰性隔離層，成功避免了TiO2與磁核物質(zhì)直接接觸，阻止了光腐蝕和光溶解等問(wèn)題的發(fā)生，提高了光催化效率。
　?。?）對(duì)比三種不同的鐵氧體材料

8、作為磁核物質(zhì)，發(fā)現(xiàn) MnFe2O4為磁核物質(zhì)，所制備出的TiO2光催化劑的催化活性最優(yōu)。TPM光催化磁流體降解苯酚的反應(yīng)速率常數(shù)K=0.0225min-1，催化活性?xún)H略低于純 TiO2，重復(fù)使用5次后，反應(yīng)速率常數(shù)僅下降了0.0034。
　?。?）以 MnFe2O4為磁核，PANI為惰性隔離層，采用低溫水熱法(180℃,18h)制備出 TiO2@PANI@MnFe2O4光催化磁流體，考察 TiO2、苯胺單體、MnFe2O4不同摩爾

9、比對(duì)催化活性的影響，選出最優(yōu)的光催化磁流體。結(jié)果表明，TPM-16光催化磁流體[n(Ti4+):n(ANI):n(MnFe2O4)=16:1:1]具有良好的光催化活性和磁回收性能，降解苯酚的反應(yīng)速率常數(shù)K=0.0225min-1，對(duì)COD的降解率120min達(dá)到76.27%。TPM-16光催化磁流體經(jīng)過(guò)循環(huán)使用5次后，降解苯酚的反應(yīng)速率常數(shù)僅下降了0.0034。
　?。?）納米 TiO2光催化磁流體的催化活性?xún)?yōu)于經(jīng)過(guò)洗滌、過(guò)濾、烘