碳納米管-二氧化鈦納米復(fù)合材料的制備及其光催化降解PPCPs的研究.pdf

1、藥品和個人護理用品(Pharmaceuticals and Personal care products,PPCPs)是一類新的有機污染物,通過人體排泄、生產(chǎn)過程廢棄、醫(yī)療過程廢棄,甚至違法、過期藥品流入市場等不同途徑進入環(huán)境。PPCPs成分復(fù)雜,毒性強,難生化降解,易在環(huán)境聚集,通過食物鏈富集作用危害人類健康,產(chǎn)生慢性毒性。TiO2光催化技術(shù)具有無二次污染、高效等優(yōu)點,近年來在環(huán)境凈化領(lǐng)域的應(yīng)用引起人們關(guān)注。但是TiO2的能帶較寬,只

2、被紫外光激發(fā),限制了納米TiO2在可見光催化領(lǐng)域的應(yīng)用。因此,如何提高光利用率、擴大光催化劑的可見光響應(yīng)光譜是研制新型光催化劑的重點之一。本文采用水熱法制備了多壁碳納米管-二氧化鈦納米復(fù)合材料(MWNTs-TiO2),在不同光源下考察了MWNTs管徑與管長對復(fù)合材料的光催化性能影響,并分別通過光催化降解普萘洛爾、四環(huán)素和磺胺類物質(zhì)考察了其光催化性能,探討了MWNTs-TiO2納米復(fù)合材料的降解機理。主要研究內(nèi)容和結(jié)論歸納如下:
　

3、　 1.水熱法制備八種不同規(guī)格MWNTs的MWNTs-TiO2納米復(fù)合材料,其中四種短MWNTs(管長為0.5-2μm,管徑分別為<8,10-20,20-30,>50 nm),四種長MWNTs(管長為30μm,管徑分別為<8,10-20,30-50,>50 nm),通過XRD、SEM、Raman、FTIR、BET等表征技術(shù),結(jié)合不同光源條件下RhB的降解實驗考察比較了這八種復(fù)合材料的光催化性能,探討了MWNTs的管徑、管長對MWNTs

4、-TiO2納米復(fù)合材料光催化性能的影響,并推測在紫外光與可見光激發(fā)時MWNTs-TiO2納米復(fù)合材料的降解反應(yīng)機理。表征結(jié)果表明:短MWNTs-TiO2材料的比表面積比長MWNTs-TiO2大,且隨著管徑增大,比表面積也增加。八種復(fù)合材料均具有較好的熱穩(wěn)定性,材料中TiO2顆粒均勻,平均尺寸在60nm左右,且生長在MWNTs的管壁上,兩者有連結(jié)。光催化性能研究發(fā)現(xiàn)MWNTs的管長越短,光催化性能越好。紫外光照時,管徑小的MWNTs(SM

5、1)-TiO2具有最好的降解活性；可見光照時,MWNTs的管徑大,光催化性能較好；太陽光照時,光催化性能與在可見光條件下的實驗結(jié)果基本一致。
　　 2.以MWNTs-TiO2納米復(fù)合材料為光催化劑(MWNTs,管徑<8 nm,管長為30μm),對普萘洛爾進行紫外光催化降解,考察了MWNTs與 TiO2的復(fù)合率,普萘洛爾初始濃度,溶液初始pH,催化劑用量等條件,并初步推測了普萘洛爾可能的降解歷程。結(jié)果表明:MWNTs的引入有效提高

6、了TiO2的光催化降解效率,最佳條件為MWNTs與TiO2的復(fù)合率10 wt％,普萘洛爾濃度20 mg/L,懸浮液溶液初始pH為11,催化劑投入量2.0 g/L,180 min紫外光催化降解率達95％,紫外光照300 min普萘洛爾能基本完全降解,同時其礦化率為35％。通過加入異內(nèi)醇發(fā)現(xiàn)降解反應(yīng)幾乎完全被抑制,因此推斷普萘洛爾的降解可能主要以·OH的氧化反應(yīng)為主,并推測了普萘洛爾的可能降解歷程。
　　 3.采用MWNTs-TiO

7、2納米復(fù)合材料為光催化劑,模擬可見光下降解四環(huán)素,考察了四環(huán)素初始濃度,溶液初始pH,催化劑用量等條件,并通過加入自由基抑制劑分析降解過程中活性氧化物的成分,同時研究了降解動力學(xué)及降解機理。結(jié)果表明:MWNTs的引入有效提高了 TiO2的可見光區(qū)光催化性能,最佳條件為四環(huán)素初始濃度20 mg/L,催化劑投入量2.0 g/L,反應(yīng)液pH為9。模擬可見光照30min,四環(huán)素已基本被降解完全,降解率達到了95％。光照90 min,四環(huán)素的N轉(zhuǎn)

8、化率達23％。通過加入捕獲劑抑制自由基反應(yīng)實驗分析各種活性氧化物在降解過程中所起到的作用成分,發(fā)現(xiàn)光致空穴hvb+與·OH的氧化作用是MWNTs-TiO2可見光降解四環(huán)素的主要反應(yīng),其中光致空穴hvb+的捕獲氧化作用起到了主導(dǎo)作用。通過HPLC-MS檢測發(fā)現(xiàn)四環(huán)素降解過程中產(chǎn)生七種中間產(chǎn)物,分析中間產(chǎn)物的分布,并推測了四環(huán)素的可能降解歷程。
　　 4.選取光催化性能好的MWNTs-TiO2納米復(fù)合材料(MWNTs,管長為0.5-

9、2μm,直徑>50 nm),對其復(fù)合率、煅燒溫度進行優(yōu)化,并將優(yōu)化的MWNTs-TiO2納米復(fù)合材料用于光催化降解磺胺類物質(zhì),結(jié)合量子化學(xué)理論研究不同光源條件下磺胺類物質(zhì)的不同結(jié)構(gòu)對降解速率的影響。結(jié)果表明:可見光照下,四種磺胺均有不同程度的降解,而P25 TiO2納米催化劑則在可見光下沒有降解效果,說明MWNTs能夠提高TiO2可見光的光催化性能,MWNTs-TiO2納米復(fù)合材料是具有可見光響應(yīng)的材料。通過降解實驗結(jié)果與量子理論計算發(fā)