三維電極光催化處理亞甲基藍(lán)廢水

1、Company Logo粒子電極制備條件對(duì)三維電極光電催化影響研究姓名： 張聰學(xué)號(hào)： 0908020216指導(dǎo)教師：蘇會(huì)東Company Logo1 緒論u我國工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展迅速，由此產(chǎn)生的廢水量在不我國工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展迅速，由此產(chǎn)生的廢水量在不斷加大。由于廢水的特征，僅靠傳統(tǒng)的生化法和斷加大。由于廢水的特征，僅靠傳統(tǒng)的生化法和混凝沉淀法也很難達(dá)到理想的處理效果?；炷恋矸ㄒ埠茈y達(dá)到理想的處理效果。u在紫外光照射下，在紫外光照射下，TiO2水體系可使多種難降解有水體系可使多種難降解有機(jī)化合物降解；通過金屬與非金屬摻雜機(jī)化合物降解；通過金屬與非金屬摻雜TiO2會(huì)使會(huì)使其光催化效果得到增強(qiáng)。由此光催化作

2、為一種新其光催化效果得到增強(qiáng)。由此光催化作為一種新興的水處理方法引起了人們廣泛的關(guān)注。興的水處理方法引起了人們廣泛的關(guān)注。u采用三維電極光電催化體系，一方面使單位槽體采用三維電極光電催化體系，一方面使單位槽體積的電極表面得到增加，使傳質(zhì)效果增強(qiáng)；另一積的電極表面得到增加，使傳質(zhì)效果增強(qiáng)；另一方面抑制了光生電子方面抑制了光生電子- -空穴對(duì)的復(fù)合，從而提高了空穴對(duì)的復(fù)合，從而提高了整體的催化效果。整體的催化效果。Company Logo實(shí)驗(yàn)主要研究內(nèi)容實(shí)驗(yàn)主要研究內(nèi)容u溶膠溶膠- -凝膠法制備凝膠法制備TiO2/ /陶瓷粒子電極陶瓷粒子電極u三維電極光電催化的影響因素研究三維電極光電催化的影響因

3、素研究u負(fù)載型粒子電極的改性對(duì)亞甲基藍(lán)溶液降解率的負(fù)載型粒子電極的改性對(duì)亞甲基藍(lán)溶液降解率的影響影響Company Logo2 實(shí)驗(yàn)原理uTiO2光催化原理光催化原理 光照射光照射TiO2時(shí)，價(jià)帶上的電子激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，產(chǎn)生時(shí)，價(jià)帶上的電子激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子電子-空穴對(duì)與吸附在催化劑表面的空穴對(duì)與吸附在催化劑表面的O2和和H2O、OH反應(yīng)反應(yīng)，生成羥基自由基，生成羥基自由基(OH) 和超氧離子自由基和超氧離子自由基( O2)，可，可以將有機(jī)物氧化為無機(jī)小分子物質(zhì)。以將有機(jī)物氧化為無機(jī)小分子物質(zhì)。uTiO2光電催化原理光電催化原理 對(duì)半導(dǎo)體施加直流電壓，使光生電子在外部電場(chǎng)作用下對(duì)半導(dǎo)體施

4、加直流電壓，使光生電子在外部電場(chǎng)作用下離開催化劑表面，增加凈空穴量，降低電子與空穴的復(fù)合離開催化劑表面，增加凈空穴量，降低電子與空穴的復(fù)合幾率，產(chǎn)生高濃度的羥基自由基，提高光催化效率。幾率，產(chǎn)生高濃度的羥基自由基，提高光催化效率。 Company Logou三維電極原理三維電極原理 三維電極的原理主要是電解槽內(nèi)填充的粒子在高梯度三維電極的原理主要是電解槽內(nèi)填充的粒子在高梯度的電場(chǎng)作用下，發(fā)生復(fù)極化成為復(fù)極性粒子，使整個(gè)粒子的電場(chǎng)作用下，發(fā)生復(fù)極化成為復(fù)極性粒子，使整個(gè)粒子成為一個(gè)立體電極，在粒子一端發(fā)生陽極反應(yīng)，另外一端成為一個(gè)立體電極，在粒子一端發(fā)生陽極反應(yīng)，另外一端發(fā)生陰極反應(yīng)，粒子間構(gòu)成

5、一個(gè)微電解池，而電解槽中就發(fā)生陰極反應(yīng)，粒子間構(gòu)成一個(gè)微電解池，而電解槽中就包含著眾多這樣的微電解池。包含著眾多這樣的微電解池。Company Logo3 實(shí)驗(yàn)方法u粒子預(yù)處理粒子預(yù)處理 陶瓷預(yù)處理：陶瓷預(yù)處理：將瓷磚砸碎，用篩子篩出將瓷磚砸碎，用篩子篩出20-40目大小目大小的陶瓷顆粒，放入大燒杯中用蒸餾水沖洗數(shù)次，浸泡的陶瓷顆粒，放入大燒杯中用蒸餾水沖洗數(shù)次，浸泡1 h后放入超聲波清洗儀中清洗后放入超聲波清洗儀中清洗20分鐘，然后再用蒸餾水沖洗分鐘，然后再用蒸餾水沖洗干凈放入烘箱中直至烘干。干凈放入烘箱中直至烘干。 鐵屑預(yù)處理：鐵屑預(yù)處理：將取來的鐵屑再次敲砸，用篩子篩出將取來的鐵屑再次敲

6、砸，用篩子篩出20-40目大小的鐵屑，放入燒杯后用目大小的鐵屑，放入燒杯后用10%的的NaOH堿液清洗堿液清洗鐵屑，洗去鐵屑中的油漬，然后再用鐵屑，洗去鐵屑中的油漬，然后再用10%的的H2SO4 溶液溶液清洗鐵屑中的氧化物，用蒸餾水沖洗至鐵屑表面顯中性，清洗鐵屑中的氧化物，用蒸餾水沖洗至鐵屑表面顯中性，再用超聲波清洗儀清洗再用超聲波清洗儀清洗2020分鐘后取出使用。分鐘后取出使用。Company Logo 0.2mL濃鹽酸10mL乙醇+0.2mL蒸餾水溶液溶液B倒入放有倒入放有20-40目陶瓷的培養(yǎng)皿中，目陶瓷的培養(yǎng)皿中，靜置靜置24-48h，80干燥干燥2h,500 煅燒煅燒2h,得到得到摻

7、雜不同離子摻雜不同離子TiO2/陶瓷粒子陶瓷粒子。8mL鈦酸丁酯10mL乙醇+0.2mL濃鹽酸溶液溶液A透明溶膠加入不同加入不同質(zhì)量的離質(zhì)量的離子子u 摻雜摻雜改性改性TiO2/陶瓷粒子電極的制備陶瓷粒子電極的制備均勻攪拌15minCompany Logou三維電極光電催化實(shí)驗(yàn)三維電極光電催化實(shí)驗(yàn) 用用150 mL燒杯作為反應(yīng)槽，以一定濃度的亞甲基藍(lán)溶燒杯作為反應(yīng)槽，以一定濃度的亞甲基藍(lán)溶液充當(dāng)有機(jī)染料廢水作為目標(biāo)降解物，以石墨為電極，由液充當(dāng)有機(jī)染料廢水作為目標(biāo)降解物，以石墨為電極，由直流穩(wěn)壓電源提供相應(yīng)恒定的外加電壓加在電極之間，在直流穩(wěn)壓電源提供相應(yīng)恒定的外加電壓加在電極之間，在燒杯中填

8、充燒杯中填充TiO2/ /陶瓷粒子和鐵屑作為粒子電極構(gòu)成三維陶瓷粒子和鐵屑作為粒子電極構(gòu)成三維電極體系。以一定濃度的無水硫酸鈉溶液為電解質(zhì)，經(jīng)紫電極體系。以一定濃度的無水硫酸鈉溶液為電解質(zhì)，經(jīng)紫外燈照射進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)時(shí)間為外燈照射進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)時(shí)間為90 min，每隔，每隔15 min取一取一次樣，用分光光度計(jì)測(cè)定溶液吸光度。通過改變外加電壓次樣，用分光光度計(jì)測(cè)定溶液吸光度。通過改變外加電壓，粒子配比，電解質(zhì)濃度等方式作為單一變量，確定其最，粒子配比，電解質(zhì)濃度等方式作為單一變量，確定其最佳條件。佳條件。Company Logo4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論4.1 最大吸收波長曲線最大吸收波長曲線 4.2

9、 標(biāo)準(zhǔn)曲線標(biāo)準(zhǔn)曲線 6006206406606807000.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0吸光度A波長/nm 吸光度 圖 4.1 最大吸收波長最大吸收波長max=664nm0123450.00.20.40.60.81.0吸光度/A亞甲基藍(lán)溶液濃度mg/L 圖 4.2線性方程為：線性方程為：y=0.1961x+0.0107，R2=0.99954Company Logo0.5% 1.0% 1.5% 2.0% 2.5% 3.0% 3.5% 4.0%293031323334353637降解率 %離子摻雜比4.3 三維電極光電催化亞甲基藍(lán)反應(yīng)的影響因素三維電極光電催化亞甲

10、基藍(lán)反應(yīng)的影響因素4.3.1 N元素?fù)诫s量的影響 圖 4.3 N+離子摻雜量的影響 N元素的最佳摻雜比為元素的最佳摻雜比為3% 4.3.2 煅燒溫度對(duì)降解率的影響102030405060708090100510152025303540（A0-A)/A0%t/min 300 400 450 500 550 600 圖 4.4 煅燒溫度對(duì)降解率的影響最佳煅燒溫度為最佳煅燒溫度為500Company Logo1012141618202224283032343638（A0-A）/A0%光照高度/cm4.3.3 光照高度對(duì)降解率的影響圖 4.5 光照高度對(duì)降解率的影響 最佳光照高度為最佳光照高度為15c

11、m4.3.4 外加偏電壓對(duì)降解率的影響10203040506070809010051015202530354045(A0-A)/A0%t/min 1.0V 1.5V 2.0V 2.5V 3.0V 圖 4.6 外加偏電壓對(duì)降解率的影響 最佳外加偏電壓為最佳外加偏電壓為2.5VCompany Logo102030405060708090100051015202530354045 3ml/L 4ml/L 5ml/L 6ml/L 7ml/L（A0-A）/A0%t/min4.3.5 亞甲基藍(lán)溶液初始濃度 對(duì)降解率的影響圖 4.7 亞甲基藍(lán)初始濃度對(duì)降解率的影響 初始最佳濃度為初始最佳濃度為5mg/L 4

12、.3.6 電解質(zhì)溶液濃度對(duì)降解率 的影響0.010.020.030.040.05333435363738394041（A0-A）/A0%電解質(zhì)溶液濃度mol/L圖 4.8 電解質(zhì)溶液濃度對(duì)降解率的影響電解質(zhì)溶液的最佳濃度為電解質(zhì)溶液的最佳濃度為0.02mol/LCompany Logo1020304050607080901001015202530354045t/min（A0-A）/A0% 5g鐵屑+1g陶瓷 4g鐵屑+2g陶瓷 3g鐵屑+3g陶瓷4.3.7 粒子配比對(duì)降解率的影響 圖 4.9 粒子配比對(duì)降解率的影響 最佳粒子配比為最佳粒子配比為3g鐵屑：鐵屑：3g陶瓷陶瓷 4.3.8 電極間距

13、對(duì)降解率的影響10203040506070809010010152025303540455055（A0-A）/A0%電極間距/cm 1.0 cm 1.5 cm 2.0 cm 2.5 cm 3.0 cm 圖 4.10 電極間距對(duì)降解率的影響 最佳電極間距為最佳電極間距為2cmCompany Logo2468103234363840424446485052（A0-A）/A0%pH值4.3.9 pH值對(duì)降解率的影響 圖 4.11 pH值對(duì)降解率的影響 溶液最佳溶液最佳pH值為值為5.48 4.3.10 曝氣對(duì)降解率的影響未曝氣曝氣吸附020406080（A0-A）/A0% 圖 4.12 曝氣對(duì)降解率

14、的影響 曝氣使降解率大大提高曝氣使降解率大大提高Company Logo4.3.11 不同降解方式對(duì)降解率的影響102030405060708090100510152025303540455055（A0-A）/A0%t/min 三維電極 二維電極 光催化三維電極光電催化的效果明三維電極光電催化的效果明顯高于二維電極和光催化。顯高于二維電極和光催化。 圖 4.13 不同降解方式對(duì)降解率的影響Company Logo4.4 不同金屬離子摻雜不同金屬離子摻雜TiO2/陶瓷粒子電極對(duì)陶瓷粒子電極對(duì) 溶液降解率的影響溶液降解率的影響4.4.1 Fe3+摻雜對(duì)降解率的影響10203040506070809

15、01001015202530354045降解率/%t/min 0.25% 0.50% 0.75% 1.00% 1.25% 1.50%圖 4.14隨著隨著Fe3+離子摻雜量的增加，離子摻雜量的增加，對(duì)亞甲基藍(lán)溶液的降解率逐對(duì)亞甲基藍(lán)溶液的降解率逐漸增大，當(dāng)摻雜量達(dá)到漸增大，當(dāng)摻雜量達(dá)到0.75%時(shí)，降解率達(dá)到最大，時(shí)，降解率達(dá)到最大，而當(dāng)而當(dāng)Fe3+摻雜量繼續(xù)增加時(shí)，摻雜量繼續(xù)增加時(shí)，降解率開始降低。降解率開始降低。 最佳摻雜比最佳摻雜比0.75%Company Logo102030405060708090100510152025303540降解率/%t/min 0.25 % 0.50 % 0.

16、75% 1.00% 1.25% 1.50%4.4.2 Co2+摻雜對(duì)降解率的影響 圖 4.15 4.4.3 Ni2+摻雜對(duì)降解率的影響10203040506070809010051015202530354045降解率/%t/min 0.25% 0.50% 0.75% 1.00% 1.25% 1.50% 圖 4.16 最佳摻雜比最佳摻雜比0.5% 最佳摻雜比最佳摻雜比1.25%Company Logo4.4.4 Cu2+摻雜對(duì)降解率的影響102030405060708090100101520253035404550降解率/%t/min 0.25 % 0.50% 0.75% 1.00% 1,25%

17、 1.50% 圖 4.17Cu2+摻雜摩爾百分比小于摻雜摩爾百分比小于0.50%時(shí)，時(shí)，隨著摻雜量的增加，溶液的降解率隨著摻雜量的增加，溶液的降解率隨之增加，大于隨之增加，大于0.5%時(shí)又開始降時(shí)又開始降低，而當(dāng)摻雜比為低，而當(dāng)摻雜比為1.25%時(shí)，降解時(shí)，降解率突然升高，原因可能與率突然升高，原因可能與Cu2+離子離子的電子構(gòu)型有關(guān)，或者與其在的電子構(gòu)型有關(guān)，或者與其在TiO2中分布狀態(tài)或與陶瓷的相互作用有中分布狀態(tài)或與陶瓷的相互作用有關(guān)。關(guān)。 最佳摻雜比最佳摻雜比0.5%Company Logo4.4.5 Zn2+摻雜對(duì)降解率的影響10203040506070809010051015202

18、530354045降解率/%t/min 0.25% 0.50% 0.75% 1.00% 1.25% 1.50% 圖 4.18Zn2+摻雜摩爾比小于摻雜摩爾比小于0.5%時(shí)，隨時(shí)，隨著摻雜量的增加，亞甲基藍(lán)溶液的著摻雜量的增加，亞甲基藍(lán)溶液的降解率逐漸升高，當(dāng)摻雜摩爾比達(dá)降解率逐漸升高，當(dāng)摻雜摩爾比達(dá)到到0.5%時(shí)，降解率達(dá)到最高，繼時(shí)，降解率達(dá)到最高，繼續(xù)增加摻雜量，降解率開始下降，續(xù)增加摻雜量，降解率開始下降，然而當(dāng)然而當(dāng)1.00%時(shí)，降解率又開始回時(shí)，降解率又開始回升?？赡苁怯捎趽诫s后升?？赡苁怯捎趽诫s后TiO2的構(gòu)的構(gòu)型發(fā)生變化，或是吸附效果增強(qiáng)導(dǎo)型發(fā)生變化，或是吸附效果增強(qiáng)導(dǎo)致的。致的

19、。 最佳摻雜比最佳摻雜比0.5%Company Logo4.5 N元素與金屬離子共摻雜對(duì)降解率的影響TiO2N-TiO2Fe-TiO2N-Fe-TiO205101520253035404550降解率/% 圖 4.19 TiO2N-TiO2Co-TiO2N-Co-TiO2051015202530354045降解率/% 圖 4.20 Company LogoTiO2N-TiO2Ni-TiO2N-Ni-TiO2051015202530354045降解率/%TiO2N-TiO2Cu-TiO2N-Cu-TiO205101520253035404550降解率/% 圖 4.21 圖 4.22Company

20、LogoTiO2N-TiO2Zn-TiO2N-Zn-TiO2051015202530354045降解率/% 圖 4.23Company Logo5 結(jié)論 實(shí)驗(yàn)采用溶膠實(shí)驗(yàn)采用溶膠-凝膠法制備摻凝膠法制備摻N的負(fù)載型陶瓷粒子電極，使用石墨作的負(fù)載型陶瓷粒子電極，使用石墨作為電極，進(jìn)行三維電極光電催化實(shí)驗(yàn)，研究三維電極光電催化降解亞為電極，進(jìn)行三維電極光電催化實(shí)驗(yàn)，研究三維電極光電催化降解亞甲基藍(lán)溶液的影響因素并確定其最佳條件，以及過渡金屬最佳摻雜量甲基藍(lán)溶液的影響因素并確定其最佳條件，以及過渡金屬最佳摻雜量的確定，此外還有的確定，此外還有N與過渡金屬共摻雜對(duì)降解率的影響，得出結(jié)論如下：與過渡金屬共摻雜對(duì)降解率的影響，得出結(jié)論如下：以石墨作為電極的三維電極光電催化實(shí)驗(yàn)中，以以石墨作為電極的三維電極光電催化實(shí)驗(yàn)中，以20