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TiO2光催化技术是日益受到重视的污染治理新技术,但由于TiO2光催化活性低,限制了其工业化进程。因此,设法提高其光催化活性引起人们的广泛重视。
与常规烧结相比,微波烧结具有烧结速度快、加热均匀、降低烧结温度、缩短烧结时间、提高材料性能等一系列优点,被誉为“21世纪新一代烧结技术”。
本文采用溶胶-凝胶法并结合微波烧结工艺制备了稀土掺杂光催化薄膜(La/TiO2、Pr/TiO2、Nd/TiO2、Sm/TiO2、Eu/TiO2、Gd/TiO2、Dy/TiO2、Ho/TiO2、Tm/TiO2、Y/TiO2),以罗丹明B为降解物,以高压汞灯为光源,通过单因素实验考察了烧结过程中加热方式、微波功率、烧结温度、烧结时间以及稀土掺杂量、涂膜层数等因素对TiO2光催化活性的影响,确定了最佳工艺条件,并用TG-DSC、SEM、XRD等对材料进行了表征。
首先,采用混合加热方式成功地实现了稀土掺杂光催化薄膜的微波烧结,研究了微波烧结制备RE/TiO2光催化薄膜的工艺条件。结果表明,最佳微波烧结制度为:三段加热,第一阶段,以约7.5℃/min的升温速率加热至225℃,第二阶段,以约7.9℃/min的升温速率加热至423℃,第三阶段,以约9.2℃/min的升温速率加热至515℃;升温时间65min;烧结温度为515℃;在保温装置中保温30min。与常规烧结相比,微波烧结工艺制备RE/TiO2光催化薄膜的烧结温度可由原来的600℃降低到515℃左右,烧结时间由原来的两个多小时缩短到65min,而且提高了光催化薄膜的催化活性。
其次,系统地研究了十种稀土掺杂RE/TiO2光催化薄膜的光催化活性,确定最佳工艺条件分别为:
La/TiO2薄膜:涂膜层数为1层,x(La)=0.10%;Pr/TiO2薄膜:涂膜层数为3层,x(Pr)=0.10%;Nd/TiO2薄膜:涂膜层数为3层、x(Nd)=0.15%;Sm/TiO2薄膜:涂膜层数为3层,x(Sm)=0.30%;Eu/TiO2薄膜:涂膜层数为2层、x(Eu)=0.35%;Gd/TiO2薄膜:涂膜层数为1层,x(Gd)=0.10%;Dy/TiO2薄膜:涂膜层数为1层、x(Dy)=0.30%;Ho/TiO2薄膜:涂膜层数为1层,x(Ho)=0.10%;Tm/TiO2薄膜:涂膜层数为1层、x(Tm)=0.10%;Y/TiO2薄膜:涂膜层数为1层、x(Y)=0.10%;其对模拟染料废水罗丹明B的降解率依次达到:89.35%、89.34%、91.94%、90.00%、91.23%、92.94%、92.73%、93.
对样品进行TG-DSC分析发现,稀土掺杂能促进锐钛矿相提前出现,而抑制锐钛矿相向金红石相转变。XRD分析结果表明,十种稀土掺杂TiO2薄膜均由锐钛矿相组成。十种薄膜的平均粒径依次约为24nm、16nm、24nm、19nm、24nm、24nm、16nm、24nm、24nm、24nm。对样品进行SEM分析发现,薄膜颗粒均发生不同程度的团聚,薄膜表面存在大量的缺陷,颗粒比较均匀。与常规烧结相比,微波烧结工艺制备的TiO2光催化薄膜微观结构比较均匀,晶粒细化。
Ho/TiO2薄膜存在下的反应动力学分析表明,光催化反应为二级反应。反应温度为16℃时反应速率常数k1=0.5571(h·mg/l)-1;反应温度为35℃时反应速率常数k2=0.8544(h·mg/l)-1。该反应的表观活化能为16.657KJ·mol-1。
通过对亚甲基蓝和甲基橙进行降解实验,发现稀土掺杂光催化薄膜对不同染料废水都有降解能力,但对不同的染料降解效果不同。