銳鈦礦型納米二氧化鈦介孔連續(xù)纖維的制備、表征及其光催化活性.pdf

1、TiO<,2>光催化處理廢水技術(shù)，尤其是在處理水中痕量難降解有機污染物方面已為世人所公認(rèn)。常規(guī)的懸浮相光催化體系存在著TiO<,2>微粉難回收及透光率低等缺點，而繼后發(fā)展的固定化技術(shù)在解決TiO<,2>分離回收問題的同時，卻大大降低了其光催化活性，且存在著催化劑負(fù)載不牢等不足，懸浮相和固定化技術(shù)各自固有的弊端業(yè)已成為TiO<,2>光催化技術(shù)走向?qū)嵱玫钠款i。 本文采用基于溶膠．凝膠法的Si摻雜制備新工藝，獲得了兼具優(yōu)良織構(gòu)性能、

2、熱穩(wěn)定性和晶型穩(wěn)定性的銳鈦礦相TiO<,2>纖維，因其具有形態(tài)上的優(yōu)勢和耐水流沖擊負(fù)荷等特點，為有效解決上述實用化難題提供了全新的途徑。本文的主要工作是探索適合于大規(guī)模制備高質(zhì)量TiO<,2>纖維的方法及其在光催化降解有機污染物廢水中的初步應(yīng)用，內(nèi)容分為三個部分。 第一部分，采用改進(jìn)的溶膠-凝膠水解法，以鈦酸四丁酯為鈦源，正硅酸乙酯為硅源，在螯合劑和惰性氣體的雙重保護(hù)下，制備新型TiO<,2>纖維前驅(qū)體，并對前驅(qū)體溶膠的形成機

3、理做了初步探討。通過正交實驗確定前驅(qū)體溶膠的最佳配方為：n(Ti(OB)<,4>)：n(C<,6>H<,10>O<,3>)：n(H<,2>O)：n(C<,3>H<,8>O)=1：0.4：1.5：16，回流時間=60 min。針對自身溶膠體系可紡性好、粘度對溫度的敏感性小等特點，設(shè)計TiO<,2>溶膠旋轉(zhuǎn)甩絲裝置，得到的前驅(qū)體纖維為直徑30-50 μm，長度達(dá)1 m以上無序堆積的纖維狀物質(zhì)。 第二部分，選擇較溫和的環(huán)境對前驅(qū)體纖

4、維進(jìn)行預(yù)干燥處理，有效避免了干燥過程中應(yīng)力的過分集中對纖維結(jié)構(gòu)的破壞。結(jié)合分段程序升溫工藝采用一步水氣活化法，成功制備出比表面高、形貌均一、結(jié)構(gòu)致密、晶型完整和熱穩(wěn)定性優(yōu)異的實用新型Si摻雜TiO<,2>纖維。初步探明了熱處理條件對纖維轉(zhuǎn)變歷程的影響機制：空氣氣氛下纖維中的有機物以碳化方式脫除，碳化產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致纖維結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)裂縫，最終得到的纖維強度低連續(xù)性差且光催化活性低；水蒸氣氣氛下纖維中的有機物以分子整體的形式從纖維中緩和脫除，避

5、免了碳化及其帶來的不利影響，從而在合適的熱處理程序下得到高強度高催化活性的TiO<,2>連續(xù)纖維。 第三部分，結(jié)合TG-DSC、N<,2>吸附-脫附、XRD、FT-IR及SEM等分析測試手段，系統(tǒng)研究Si摻雜對TiO<,2>纖維在熱穩(wěn)定性、晶型穩(wěn)定性、表面織構(gòu)和光催化活性等方面的影響機制，并對Si摻雜的作用機理進(jìn)行了初步探討：一方面可以通過所形成的Ti-O-Si鍵，阻止銳鈦礦TiO<,2>納米晶的長大并抑制其向金紅石相變的發(fā)生

6、，產(chǎn)生量子化效應(yīng)并提高光生電子和空穴的分離效率；另一方面又可以優(yōu)化纖維產(chǎn)物的表面織構(gòu)特性，增大比表面積和孔容。文中通過光催化降解X-3B等難降解有機污染物模擬廢水的探針反應(yīng)，分別利用太陽光為自然光源，高壓汞燈為人工光源，證明了Si摻雜TiO<,2>纖維不僅具有優(yōu)良的紫外光催化活性，還具有與P25納米粉相當(dāng)?shù)娜展夤獯呋钚?。?dāng)Si/Ti的摩爾比為0.15時，經(jīng)700℃熱處理后的TiO<,2>纖維在75 min光催化降解后對X-3B的的降解

7、率可達(dá)99.6﹪左右，利用自發(fā)研制的填充式固定床型光催化反應(yīng)器，建立起適宜的日光光催化動態(tài)反應(yīng)體系，反應(yīng)結(jié)束后X-3B溶液的降解率達(dá)到98.8﹪，TOC降解率達(dá)到76.5﹪。Si摻雜TiO<,2>纖維降解X-3B大致可分為兩個階段，即反應(yīng)初期以脫色為主，脫色基本完成后方進(jìn)入以礦化為主的徹底降解。Si摻雜TiO<,2>纖維不僅光催化活性高而且實用優(yōu)勢明顯，從而可望有效解決現(xiàn)行固定相光催化整體效能低下的問題和懸浮納米粉TiO<,2>光催化活