TiO2高能晶面調(diào)控及對砷的去除研究.pdf

1、砷是毒性極強的類金屬元素，含砷地下水（>10μg/L）是世界范圍內(nèi)亟待解決的環(huán)境問題。長時間飲用高砷水會引發(fā)癌癥等疾病，如何高效去除地下水中的砷已成為環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點與難點。銳鈦礦TiO2的的尺寸、形狀和表面結(jié)構(gòu)決定了其吸附和光催化性能。目前TiO2被廣泛應(yīng)用于砷去除領(lǐng)域，但不同晶面的二氧化鈦材料在吸附和降解砷污染物方面存在相當(dāng)大的差異。TiO2的吸附和光催化氧化機能在很大程度上取決于暴露的晶面和其相應(yīng)的表面晶面能，其TiO2表面的自

2、由基的種類、濃度和強度等特性也影響著其性能，導(dǎo)電帶的位置和光激發(fā)空穴（H+）和電子（e-）的電荷載流子的遷移率也可能影響銳鈦礦TiO2的光反應(yīng)。
　　論文利用二氧化鈦對砷的吸附和光催化氧化特性，研究不同晶面材料在砷去除方面的影響因素、作用機理，并進一步研究了反應(yīng)過程中的主要作用機理。試驗研究的主要內(nèi)容和結(jié)果如下：
　?。?）實驗制備具有三種不同晶面的二氧化鈦材料，運用多種原位表征手段探究不同晶面材料的物理特性、晶面形貌的物理

3、特性，實驗結(jié)果表明：三種晶面材料均為Anatase晶型，但形態(tài)有所不同。{101}晶面TiO2材料為正八面體構(gòu)型，其顆粒尺寸大概為150nm，等電點為5.5；{001}晶面TiO2材料為扁八面體構(gòu)型，其平均顆粒尺寸大概為40nm，等電點為6.9；{100}晶面TiO2材料為紡錘體構(gòu)型，平均顆粒尺寸大概750nm，等電點為4.1。
　　（2）實驗應(yīng)用Langmuir和Freundlich吸附等溫模型對三種晶面吸附As(III)、As

4、(V)溶液進行擬合。吸附劑較為符合Langmuir吸附模型。實驗結(jié)論得出{001}晶面在達到吸附平衡時對As(III)溶液的最大吸附量為53.7 mg/g，對As(V)溶液的最大吸附量為76.1mg/g,{101}晶面TiO2在達到吸附平衡時對As(III)溶液的最大吸附量為148.3 mg/g，對As(V)溶液的最大吸附量為123.6 mg/g,{100}晶面TiO2在達到吸附平衡時對As(III)溶液的最大吸附量為32.9 mg/g

5、，對As(V)溶液的最大吸附量為22.4 mg/g。吸附速率為：{101}>{001}>{100}。晶面材料的吸附容量主要受材料尺寸、比表面積、晶面能、以及材料的原子形態(tài)共同影響。pH主要通過影響砷的存在形式來影響吸附效果，是影響吸附性能的主要因素。
　　（3）實驗探究三種晶面材料光催化降解As(III)的速率和性能，發(fā)現(xiàn)三種材料對As(III)均具有較好的催化氧化性能，在光催化氧化過程中{001}晶面材料反應(yīng)速率最快。在30mi

6、n內(nèi)可以將As(III)溶液完全氧化。三種材料對As(III)溶液光催化氧化降解反應(yīng)速率依次排序為{001}>{101}>{100}。
　　（4）實驗中發(fā)現(xiàn)在As（III）-TiO2/UV體系中的ROS活性氧主要包括·OH和O2·，根據(jù)熒光圖譜分析在光催化氧化實驗過程中·OH產(chǎn)生含量依次為{001}＞{101}＞{100}，根據(jù)ESR實驗圖譜分析，在消除不同的自由基后，{001}晶面材料產(chǎn)生的·OH信號和O2·-信號較強，因此其在