石祥聰環(huán)工0901畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告

1、華 北 電 力 大 學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告學(xué)生姓名： 石祥聰 班級： 環(huán)工0901 所在院系： 環(huán)境學(xué)院 所在專業(yè)： 環(huán)境工程 設(shè)計（論文）題目： 二氧化鈦柱撐粘土光催化還原含鉻廢水的實驗 指導(dǎo)教師： 王淑勤 2013年 3 月 27 日畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告一、結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫不低于2000字的文獻綜述。（另附）二、本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：本次畢 計通過查閱大量相關(guān)資料，確定實驗方法，進行二氧化鈦柱撐粘土光催化還原含鉻廢水實驗研究，找出二氧化鈦柱撐粘土光催化還原鉻離子的最佳實驗條件。具體

2、研究內(nèi)容及擬采用方法如下： 1、查閱資料，掌握二氧化鈦光催化還原鉻離子反應(yīng)過程和原理、關(guān)于含鉻廢水、二氧化鈦N摻雜和SiO2負載的特點和方法，以及柱撐粘土和光催化的特性。 2、用二苯碳酰二肼分光光度法對含鉻水樣中鉻離子進行測定。3、利用溶膠凝膠法制備不同溫度條件下的二氧化鈦和摻雜氮的二氧化鈦，并制備粘土柱撐的二氧化鈦，進行負載成型的工藝比較。4、在不同溫度，納米材料不同摻加量，不同pH值和不同光照時間、光照強度，不同納米負載材料的條件下，測試二氧化鈦柱撐粘土對廢水中鉻離子的脫除效率。確定最佳實驗條。5、對實驗數(shù)據(jù)進行畫圖分析，得出結(jié)論。通過SEM圖譜和紅外光譜分析納米TiO2治理含鉻廢水的機理

3、三、指導(dǎo)教師意見：1 對“文獻綜述”的評語：2對學(xué)生前期工作情況的評價（包括確定的研究方法、手段是否合理等方面）：指導(dǎo)教師： 年 月 日二氧化鈦柱撐粘土光催化還原含鉻廢水的實驗研究文獻綜述一、前言 隨著工業(yè)的發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人類日益重視其生存環(huán)境。含鉻廢水主要來自于電鍍、制革、鉻冶煉等企業(yè)排放的廢水。含鉻廢水中鉻的存在形式有Cr3+和Cr6+兩種，其中以Cr6+的毒性最大，可引起肺癌、腸道疾病和貧血等。國家規(guī)定，工廠排出廢水含鉻及其化合物最高濃度為0.5mg/L。就電鍍廢水而言，全國約有1萬家電鍍廠，每年排放出的廢水達40億m 。如何合理有效地處理含鉻廢水是當(dāng)今環(huán)境保護及綜合利用的

4、重要研究課題1-3。 二、主體部分 1TiO2光催化氧化還原技術(shù)原理 光催化材料大多是金屬氧化物或硫化物等半導(dǎo)體材料，外層具有特殊的電子結(jié)構(gòu)。即具有較深的價帶能級。當(dāng)受到能量大于帶隙能量的光照射時，外加一定的偏壓，處于價帶上的電子就被激發(fā)到導(dǎo)帶上，從而使導(dǎo)帶上生成高活性電子(e-)，價帶上生成帶正電荷的空穴(h+)，結(jié)果在半導(dǎo)體表面產(chǎn)生了高活性的電子一空穴對。 h+具有很強的捕獲電子的能力，具有極強的氧化性；e-具有很強的還原性，在光催化材料Ti02表面形成了很強的氧化還原體系，既能發(fā)生氧化作用，又能起到還原作用。空穴與電子分別與吸附在粒子表面的溶解氧和水分子發(fā)生作用，產(chǎn)生能量傳遞，最終形成具

5、有高活性和強氧化性的羥基自由基OH·和超氧化物自由基O2-。這些自由基可以氧化還原大多數(shù)難降解的有機化合物、高價態(tài)金屬離子。實驗證明，二氧化鈦晶體有三種結(jié)構(gòu)：銳鈦礦型、金紅石型和板鈦礦型，其中銳鈦礦型二氧化鈦具有較好光催化作用。隨著研究的開展，研究者發(fā)現(xiàn)僅僅采用單純的二氧化鈦已經(jīng)不能滿足處理大分子、難降解有機化合物要求，使其應(yīng)用受到了大大的限制。因此，一系列關(guān)于二氧化鈦改性的研究被廣泛開展5。2. TiO2光催化還原Cr6+機理納米二氧化鈦光催化降解Cr( VI)屬于光還原反應(yīng)，利用光催化反應(yīng)技術(shù)將Cr( VI)還原為Cr()，進而將Cr()轉(zhuǎn)化為Cr (OH)3沉淀從溶液中分離出來

6、。TiO2復(fù)合吸附劑粒徑小，表面多孔，有較大的比表面積，所以具有很強的吸附作用和較大的吸附容量，可以將沉淀物吸附而除去同時，由于是復(fù)合吸附劑，在吸附時，可以發(fā)生共同吸附，一般情況下，多組分的吸附劑比單組分的吸附劑的吸附劑容量大，所以TiO2復(fù)合吸附劑對于吸附污物來說是很好的吸附劑，TiO2復(fù)合吸附劑表面帶負電荷，極容易吸附污水中的帶正電荷的離子(如Cr6+ 、Cr3+等)，發(fā)生凝聚，產(chǎn)生難溶性的化合物，這些化合物再被吸附、沉降除去4。周曉謙4等在實驗中得出以下結(jié)論：(1)納米二氧化鈦處理含鉻廢水效果很好，反應(yīng)條件在pH值為2.5、光催化反應(yīng)時間大于 100 min、催化劑的加入量為1g/100

7、 mL時效果更好。(2)納米二氧化鈦處理含鉻廢水時，廢水中鉻離子的濃度對于降解率沒有影響，只要反應(yīng)時間足夠，可以使降解率達到99.6以上。 (3)納米二氧化鈦的用量對反應(yīng)初期的降解率有影響，納米二氧化鈦的用量增加可以提高反應(yīng)初期的降解率，但適當(dāng)延長反應(yīng)時間同樣可以達到此目的。3.TiO23.1納米TiO2納米二氧化鈦，亦稱納米鈦白粉。從尺寸大小來說，通常產(chǎn)生物理化學(xué)性質(zhì)顯著變化的細小微粒的尺寸在100納米以下，其外觀為白色疏松粉末。具有抗紫外線、抗菌、自潔凈、抗老化功效，可用于化妝品、功能纖維、塑料、油墨、涂料、油漆、精細陶瓷等領(lǐng)域。納米二氧化鈦是一種高性能半導(dǎo)體光催化材料，具有光化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定

8、、催化效率高、氧化能力強、無毒無害、價格便宜、無二次污染等優(yōu)點，因而備受國內(nèi)外關(guān)注，使納米二氧化鈦在太陽能光催化分解納米二氧化鈦光催化劑的改性及應(yīng)用研究進展制氫、環(huán)境污染治理及殺菌等領(lǐng)域得到了廣泛研究和應(yīng)用6.7。納米TiO2在光催化還原Cr6+效率高4. 9可達99.6%，但分離性能差、可回收率低，使得使用純納米二氧化鈦還原含鉻廢水不經(jīng)濟、實用性差，需要改善納米二氧化鈦的分離性能，提高其使用壽命，提出了改性二氧化鈦。3.2改性納米TiO2提高TiO2光催化活性是多相光催化領(lǐng)域的一個重要研究內(nèi)容。對于特定光催化氧化還原反應(yīng)體系，TiO2光催化活性主要取決于催化劑本身的體相和表面性質(zhì)。研究表明，

9、貴金屬擔(dān)載可大大提高TiO2光催化降解有機污染物光催化活性10。通過改性提高TiO2的光催化氧化還原能力，由于摻雜貴金屬成本高、經(jīng)濟實用性不高，摻雜氮很好的解決了這個問題11.12.15，2001年Asahi等報道了氮取代少量的晶格氧可以使二氧化鈦的帶隙變窄，并在不降低紫外光活性的同時實現(xiàn)可見光光催化響應(yīng)，拉開了氮摻雜乃至非金屬摻雜光催化劑的序幕25。N摻雜可以有效提高TiO2對可見光響應(yīng)能力。N摻雜在TiO2 表面生成Ti-O-N鍵形成新的能級結(jié)構(gòu)，使催化劑的吸收紅移至450550 nm，誘發(fā)TiO2可見光催化活性13.14。近年來人們研究發(fā)現(xiàn)N摻雜在提高TiO2可見光響應(yīng)能力方面表現(xiàn)出較好

10、的效果但因直接采用TiO2進行摻氮所制備的可見光響應(yīng)TiO2在催化劑的活性、分離性能、使用壽命等方面還不甚理想26.27。提出了負載改性二氧化鈦。3.3負載改性納米TiO2TiO2的負載大體包括兩種方式：一種是將TiO2納米粉末通過各種手段直接負載到載體上，另一種是先將TiO2的前驅(qū)體負載到載體上，然后再通過加熱使前驅(qū)體轉(zhuǎn)變?yōu)門iO2。負載SiO2是將SiO2的優(yōu)良吸附性能與N摻雜TiO2的可見光響應(yīng)性能有效結(jié)合，采用液相水解一沉淀法（溶膠凝膠法）制得SiO2負載N摻雜TiO2，可見光響應(yīng)TSN光催化劑。結(jié)果表明，N以陰離子形式進入TiO2體相并置換品格中的O，適量N摻雜的TSN在紫外光區(qū)、可

11、見光區(qū)及太陽光下均表現(xiàn)出較高的活性。TiO2與SiO2界面間有Ti-O-Si鍵形成，結(jié)合牢固，N摻雜在TiO2表面生成Ti-0-N鍵形成新的能級結(jié)構(gòu)使催化劑的吸收紅移至450500 nm誘發(fā)TiO2可見光催化活性。SiO2負載可減小TiO2平均晶粒尺寸，增加催化劑比表面積，同時SiO2負載還可改善催化劑的分離性能提高催化劑使用壽命17。3.4 TiO2制備溶膠凝膠法（sol-gel process）SG法是將金屬有機物或無機化臺物經(jīng)過溶液、溶膠、凝膠而固化再經(jīng)熱處理形成氧化物化合物固體的方法。用SG法制TiO2薄膜一般接下述工藝進行：先將金屬醇鹽或無機鹽水解成溶膠，然后采用旋轉(zhuǎn)涂膜或浸漬提拉涂

12、膜等方法將溶膠涂在襯底材料(玻璃片、陶瓷片等)上，在一定溫度下預(yù)熱處理待涂膜溶膠一凝膠轉(zhuǎn)化后，再進行高溫焙燒即可得固定相的TiO2光活性催化劑。為提高催為劑的光催化能力，可在溶膠的制備過程中摻雜金屬離子等，再用相同的方法涂膜固載化。 SG法是制備負載型TiO2光催化劑最常用的方法，與傳統(tǒng)的燒結(jié)方法相比，有以下優(yōu)點：高度均勻性，對多組分其均勻度可達分子或原子級；高純度；可降低燒結(jié)溫度；化學(xué)計量比較準(zhǔn)確，易于摻雜改性；可制備新型晶態(tài)材料；工藝簡單，易推廣18。4.柱撐粘土柱撐粘土(pillared clay)復(fù)合材料是近幾十年來受到廣泛關(guān)注并得到迅速發(fā)展的一類新興的類分子篩催化材料。柱撐粘土相比天

13、然粘土具有更大的比表面積和獨特的孔結(jié)構(gòu)，因此經(jīng)常被用作環(huán)境吸附劑和工業(yè)催化材料。而TiO2則是目前公認的最好的光催化劑之一。但是目前對鈦柱撐粘土在環(huán)境應(yīng)用方面的研究并不多見，鈦柱撐粘土相對于一般的柱撐粘土材料來說則具有孔徑更大、更多孔、更高比表面積等特征，且層間支柱化合物的可調(diào)性、孔徑大小、固體酸性和吸附性質(zhì)等可人為控制，并且具有較特殊的氧化還原特性19.20。研究發(fā)現(xiàn)，鈦柱撐粘土與TiO2光催化劑問存在著界面耦合效應(yīng)，柱撐粘土可以降低TiO2的光生電子一空穴復(fù)合率，使其更好地利用光能，從而提高光催化劑的光催化活性。加之鈦柱撐粘土相對于一般的柱撐粘土材料來說具有孔徑更大，更多孔、更高比表面積等

14、特征，且具有較特殊的氧化還原特性，所以作為選擇吸附劑、催化劑及催化劑載體等在環(huán)保領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用潛力23。4.1影響柱撐粘土吸附性能因素4.1.1柱化劑以聚合羥基金屬離子為柱化劑，可對層狀粘土（鈉基蒙脫土）進行有效的插層柱撐，形成的柱撐粘土Ti-PILCs、A1-PILCs、Zr-PILCs其比表面和孔徑大幅度增加，其中聚合羥基鈦離子柱撐的效果最好，Ti-PILCs具有最大的比表面和孔徑，Ti-PILCs的比表面從Na-Mt的79.94 m2/g增加到238.02 m2 /g19。4.1.2比表面積和孔結(jié)構(gòu)比表面積和孔結(jié)構(gòu)是影響柱撐粘土吸附性能的重要因素，比表面積越大越容易吸附，效率高。

15、合理的孔結(jié)構(gòu)對吸附更加的有利。鈉基土經(jīng)聚合羥基鈦離子柱撐后，其孔結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，形成了新的層柱狀中孔結(jié)構(gòu)Ti-PILCs層問的柱子以銳鈦礦的形式存在經(jīng)聚合羥基鈦離子插層柱撐后，TiPILCs的層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)分層或錯層，形成了較大的徑向孔徑19。4.1.3粘土不同產(chǎn)地的膨潤土（粘土）由于其物理化學(xué)性質(zhì)上的差異性使得所制得的催化劑的吸附性能有明顯的差異，較大的陽離子交換容量以及較多的可供交換的陽離子有利于陽離子表面活性劑和鈦陽離子的改性修飾，可以提高柱撐膨潤土的吸附性能23。4.1.4 酸堿性在酸性介質(zhì)中制備的有機一鈦柱撐膨潤土復(fù)合光催化劑具有較好的光催化活性，且不同產(chǎn)地的膨潤土所制得的催化劑的光催化

16、效果存在差別。膨潤土較好的層狀和片狀結(jié)構(gòu)以及較強的陽離子交換能力有利于更多的鈦陽離子柱撐進入其層間，提高柱撐膨潤土的光催化活性23。三、總結(jié)TiO2 具有化學(xué)穩(wěn)定性好、光催化活性高、價廉易得等優(yōu)點，成為目前使用最廣泛的光催化劑。但就目前的應(yīng)用情況來看，TiO2主要用于處理廢水和有機物，在去除含鉻廢水中，處于研究階段，其除鉻機理也還處于實驗研究階段。另外，人們對光催化劑的研究多側(cè)重于催化劑的負載、改性技術(shù)，要使光催化劑的應(yīng)用得到進一步擴展，在光催化劑的改進技術(shù)上應(yīng)做出更多的探究。四、參考文獻1汪德進.含鉻廢水處理的研究進展J.安徽化工,2007,33(1):12-15.2陳林.含鉻廢水處理技術(shù)概

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