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TiO_2掺杂光催化环保节能材料研究

作　者: 张峻华
导　师: ?忱?
学　校: 重庆大学
专　业: 环境科学
关键词: 二氧化钛 溶胶-凝胶法 微乳无机凝胶法 Fe3+掺杂 光催化
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要


1972年,Fujishima等发现单晶半导体电极能光分解H2O。自那时以来,经过各国学者不懈的探索和研究,半导体光催化材料在空气净化、饮用水消毒和工业废物的处理等方面已经显示出广阔的潜在应用前景。相对于其它半导体光催化剂,TiO2具有无毒、催化活性高、稳定性好等优点,已成为国内外环境科学工作者的研究热点。由于普通粉末状TiO2在使用过程中存在光活性不高、分离与回收困难以及易产生二次污染等问题,因此TiO2改性、薄膜固载化逐渐成为新的研究热点。普通钠钙玻璃价格便宜、应用广泛,在其表面涂覆高光催化活性TiO2薄膜可制成具有环保和节能功能的自洁净玻璃,它在灯具、建材等各个领域具有潜在实用价值。论文在查阅大量文献资料的基础上,以钛酸丁酯(TNB)为主要原料,以溶胶-凝胶法掺杂制备前驱体,以浸涂法制膜,制备出掺Fe3+改性纳米TiO2多功能覆膜材料——SG-2型自洁净玻璃。论文深入研究并讨论了掺Fe3+量、PEG添加量、涂膜层数对镀膜玻片光学性能和催化性能的影响及机理,同时测试了成品对模拟污染物和实际污染物的光催化降解性能以及自然条件下的除尘自净性能。实验结果显示,当涂膜前驱体中钛酸丁酯、乙醇、三乙醇胺、水的摩比为1:34:1.25:1.5,PEG的浓度为0.13wt%,Fe3+的掺杂浓度为0.12wt%,镀膜两层时,SG-2综合性能最好,其基本性能参数为:可见光平均透光度为68.4%,紫外光平均透光度为49.1%,对丫啶橙模拟废水的降解率为62.5%。实际条件下的自洁净性能试验表明:SG-2 90min内对毛衣洗涤废水的脱色率达到62.5%,60min内可完成对表面所覆油膜的绝大部分降解;室内、室外自然环境下静置两周,SG-2透光度分别保持为35.2%和48.5%,保持程度好于普通玻璃,经过轻度清洗,透光度可提高到61.2%和68.6%,提高率为95.5%和26.2%,优于普通玻片的清洗效果,清洁强度也大为降低。同时,SG-2型镀膜玻片也显示出良好的超亲水性,完全浸润时间约为60min,保持时间为1.5h。论文在进一步查阅最新资料以及得到的相关实验结果显示,微乳无机凝胶法对于控制纳米TiO2粒径效果更佳,所得成品催化活性更高。因此,又以溶胶凝胶法中得到的各成分最佳配比为基础,研究出微乳无机凝胶法制备涂膜玻璃前驱体的工艺配方。当钛酸丁酯、乙醇、三乙醇胺、水、TX-100、正己醇、环己烷的摩比为1:34:1.25:1.5:6.5:2.5:19,PEG的添加浓度为0.74g/L,Fe3+掺杂浓度为0.69g/L,镀膜两层时,制备出ME-S2型自洁净玻璃,其基本性能为:可见光平均透光度为70.6%,紫外光平均透光度为48.1%,对丫啶橙模拟废水的降解率为88.7%。实际<WP=5>条件下的自洁净性能试验表明:ME-S2 90min内对毛衣洗涤废水的脱色率为72.3%,脱色率较SG-2提高15.7%;60min内可完成对其表面所覆油膜的大部分降解,降解效果稍稍好于SG-2;室内、室外自然条件下静置两周,透光度分别为40.8%、52.4%,轻度清洗后可提高到73.2%和71.1%,透光度保持效果及清洗效果均好于普通玻璃与SG-2。ME-S2具有与SG-2相似的超亲水性,但完全浸润时间稍短。ME-S2与SG-2相比,综合性能略微占优,但成本更高。两者都具备潜在的实际应用价值。

全文目录


中文摘要  4-6
英文摘要  6-12
1 绪论  12-24
  1.1 多相光催化技术的研究历史  12
  1.2 TiO2的光催化反应基本理论  12-15
    1.2.1 TiO2光催化反应机理  12-14
    1.2.2 TiO2晶型结构对光催化活性的影响  14-15
    1.2.3 量子化对TiO2粒子光催化活性的影响  15
  1.3 纳米TiO2的制备方法  15-16
    1.3.1 湿法制备  15
    1.3.2 干法制备  15-16
  1.4 TiO2光催化性能的改进途径  16-20
    1.4.1 表面修饰  16-18
    1.4.2 表面螯合及衍生作用  18
    1.4.3 表面酸洗处理  18-19
    1.4.4 表面氧化-还原处理  19
    1.4.5 负载化应用  19
    1.4.6 表面声、光能辐射处理  19-20
  1.5 新型助催化技术  20
    1.5.1 光电协同助催化  20
    1.5.2 微波场助催化  20
    1.5.3 超声波助催化  20
  1.6 纳米TiO2光催化剂在环境保护中的应用  20-24
    1.6.1 水环境有机污染物的去除  20-22
    1.6.2 小空间空气净化  22
    1.6.3 材料表面抗菌抗蚀与自洁净  22-24
2 课题理论基础、研究内容、技术路线及意义  24-31
  2.1 课题理论基础  24-28
    2.1.1 溶胶-凝胶法  24-25
    2.1.2 微乳液法  25-26
    2.1.3 微乳无机凝胶法  26-27
    2.1.4 分光光度法在实验中的应用  27-28
  2.2 课题内容及设计思路  28-29
    2.2.1 课题内容  28
    2.2.2 设计思路  28-29
  2.3 技术路线  29
  2.4 课题意义  29-31
3 模拟污染物的选择及模拟废水浓度的确定  31-37
  3.1 主要仪器及试剂  31-32
  3.2 实验方法  32
    3.2.1 染料溶液的配制  32
    3.2.2 染料溶液吸光度的测定  32
  3.3 结果与讨论  32-36
    3.3.1 目标染料初始测试浓度的确定  32-33
    3.3.2 目标染料及其优化降解浓度的确定  33-36
    3.3.3 最大吸收波长的确定  36
  3.4 本章小结  36-37
4 溶胶-凝胶法制备镀膜玻片及其性能测试  37-58
  4.1 主要仪器及试剂  37
  4.2 实验方法  37-38
    4.2.1 溶胶-凝胶的制备  37
    4.2.2 玻片的清洗  37
    4.2.3 玻片的镀膜  37
    4.2.4 镀膜玻片透光度的测定  37
    4.2.5 镀膜玻璃光催化活性的测定  37-38
  4.3 溶胶凝胶前驱体中各组分配比的确定  38-39
  4.4 掺Fe3+对TiO2膜性能的影响  39-45
    4.4.1 掺Fe3+量对TiO2膜透光性能的影响  39-40
    4.4.2 掺Fe3+量对TiO2膜光催化活性的影响  40-42
    4.4.3 掺Fe3+对TiO2膜光催化活性影响的动力学研究  42-43
    4.4.4 SEM对掺Fe3+膜的表征及对掺Fe3+机理的探讨  43-45
  4.5 PEG用量对掺铁TiO2膜性能的影响  45-48
    4.5.1 PEG用量对掺铁TiO2膜透光性能的影响  45-46
    4.5.2 PEG用量对掺铁TiO2膜光催化活性的影响  46-48
  4.6 镀膜层数对掺铁TiO2膜性能的影响  48-50
    4.6.1 镀膜层数对掺铁TiO2膜透光性能的影响  48
    4.6.2 镀膜层数对掺铁TiO2膜光催化活性的影响  48-50
  4.7 实际废水除污性能试验  50-52
    4.7.1 实验设计  50
    4.7.2 结果及讨论  50-52
  4.8 表面除尘试验  52-55
    4.8.1 实验设计  52-53
    4.8.2 结果与讨论  53-55
  4.9 超亲水性试验  55-57
    4.9.1 实验设计  55
    4.9.2 结果及讨论  55-57
  4.10 本章小结  57-58
5 微乳无机凝胶法制备镀膜玻片及其性能测试  58-68
  5.1 主要仪器及试剂  58
  5.2 实验方法  58-59
    5.2.1 微乳无机凝胶的制备  58
    5.2.2 玻片的清洗  58
    5.2.3 玻片的镀膜  58-59
    5.2.4 镀膜玻片透光度的测定  59
    5.2.5 镀膜玻璃光催化活性的测定  59
  5.3 微乳液组分配比的确定及容水量的测定  59-60
  5.4 微乳无机凝胶前驱成分用量的确定  60-61
  5.5 微乳无机凝胶法与溶胶凝胶法制备效果的表观比较  61-62
    5.5.1 实验设计  61
    5.5.2 透光性能的初步比较  61
    5.5.3 光催化活性的初步比较  61-62
  5.6 实际废水除污性能试验  62-64
    5.6.1 实验设计  62
    5.6.2 结果与讨论  62-64
  5.7 表面除尘试验  64-66
    5.7.1 实验设计  64
    5.7.2 结果与讨论  64-66
  5.8 超亲水性试验  66-67
    5.8.1 实验设计  66
    5.8.2 结果与讨论  66-67
  5.9 本章小结  67-68
6 结论  68-70
致谢  70-71
参考文献  71-78
附录 攻读硕士学位期间发表的论文情况  78-79

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 废物处理与综合利用 > 一般性问题 > 废水的处理与利用
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