脉冲放电等离子诱导负载型掺杂改性TiO2降解橙黄Ⅱ染料废水的研究

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印染废水因具有数量庞大、水质变化大、色度大、有机物含量高、成分复杂的特点,传统方法处理己不能满足日益严格的排放要求。高级氧化技术由于具有极强的氧化性、污染物降解彻底、无二次污染等特点在废水处理领域受到广泛关注。在高级氧化技术中,脉冲放电等离子体(PDP)是兼具光、电、热等物理、化学效应于一身的一种新型水处理技术,但光效应经常被人们忽略;TiO2光催化技术因催化效率高、价格低廉,在废水治理领域有着广阔的应用前景,但TiO2的带隙能大且光量子效率低,且粉体TiO2不易回收。基于此,本研究将高压PDP技术与改性TiO2相结合,利用高压PDP过程中产生的紫外光诱导负载型改性TiO2处理印染模拟废水。采用溶胶-凝胶法分别制备了γ-Al2O3负载多壁碳纳米管改性TiO2(MWCNTs-TiO2/γ-Al2O3)催化剂和V、N共掺杂MWCNTs-TiO2/γ-Al2O3(V/N-MWCNTs-TiO2/γ-Al2O3)催化剂;通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)、紫外-可见漫反射(UV-vis)、X射线光电子能谱分析(XPS)等手段对两类催化剂进行表征;考察了高压PDP诱导负载型改性TiO2体系中不同参数对模拟印染废水——橙黄Ⅱ(AO7)降解效果的影响,确定了最佳的条件参数;分析了这两类催化剂在水处理体系中的重复利用情况;探讨了高压PDP诱导这两类负载型改性TiO2对印染废水处理的机理。得到如下结论:(1)通过XRD、SEM、FT-IR、UV-vis和XPS等手段对MWCNTs-TiO2/γ-Al2O3催化剂和V/N-MWCNTs-TiO2/γ-Al2O3催化剂进行了表征,结果表明:TiO2经过MWCNTs、V和N改性后仍具有锐钛矿TiO2的晶型结构;球状Ti O2均匀的分布在MWCNTs表面,并通过化学键与MWCNTs、V和N结合;MWCNTs-TiO2/γ-Al2O3催化剂和V/N-MWCNTs-TiO2/γ-Al2O3催化剂对可见光响应明显高于TiO2。(2)比较PDP、PDP诱导TiO2/γ-Al2O3、PDP诱导MWCNTs-TiO2/γ-Al2O3、TiO2/γ-Al2O3吸附和MWCNTs-TiO2/γ-Al2O3吸附等不同体系对AO7的降解效果,可以发现:PDP诱导MWCNTs-TiO2/γ-Al2O3体系对AO7的降解效果远高于其它体系。不同参数对AO7降解效果影响的考察发现,AO7的降解率随着电压、频率的升高而升高;随着空气量的增大先升高后降低;随着AO7初始浓度的升高,降解率降低;酸性条件和较低的电导率有利于AO7的降解;AO7的降解率随着催化剂量的增加而增大。催化剂的重复利用实验显示:MWCNTs-TiO2/γ-Al2O3催化剂和V/N-MWCNTs-TiO2/γ-Al2O3催化剂经过6次重复使用后,AO7的降解率仍然保持在85%以上。当n(V):n(N)=1.0:0.5,V/N-MWCNTs-TiO2/γ-Al2O3催化剂的光催化活性最强;(3)高压PDP诱导负载型掺杂改性TiO2对AO7的降解机理的分析表明:MWCNTs能有效地转移TiO2的光生电子,光生电子可以和催化剂表面的O2反应生成O2-,氧化降解AO7;V、N掺杂可以分别取代部分锐钛矿TiO2晶格中的Ti4+和O2-,降低了光生载流子的复合率,增加了光子效率;高压PDP系统中会产生的·OH、O3、H2O2等活性物质,一方面可以直接降解AO7,另一方面可以诱导负载型改性TiO2产生电子和空穴,提高TiO2的光催化活性,最终将AO7降解为小分子有机物、CO2和H2O。
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