改性TiO2/Ti光电极制备及可见光下降解内分泌干扰素研究

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TiO2光催化氧化技术因其强氧化性、对污染物无选择性、不产生二次污染等优点从众多的高级氧化技术中脱颖而出。但由于TiO2的禁带宽度为3.2eV,只在紫外光波(λ≤387nm)的激发下表现出光催化活性,且量子化的效率较低,同时悬浮态 TiO2光催化剂在污水处理过程中难以回收,从而限制了 TiO2光催化氧化技术的实际应用。环境内分泌干扰素类有机污染物由于其具有较好的脂溶性和化学稳定性,容易引起自然界包括人类等生物内分泌系统的失常,生殖器官等的变异,因此对环境内分泌干扰素的研究已经成为全球环境工作者研究的热点。本文采用阳极氧化法制备铈和硫改性 TiO2/Ti光电极,改善电极对可见光的吸收性能,同时进行改性 TiO2/Ti光电极处理水中内分泌干扰物质-邻苯二甲酸二甲酯(DMP)的研究。  在电极制备条件优化过程中重点考察了掺杂物的浓度、电压对改性TiO2/Ti电极性能的影响,铈和硫改性TiO2/Ti光电极的优化制备条件分别为制备电压160V、Ce(NO3)3浓度为960mg/L和制备电压为160V、Na2SO3浓度为750mg/L。硫改性 TiO2/Ti光电极的光电催化氧化效果优于铈改性TiO2/Ti光电极,更优于未改性TiO2/Ti光电极。  并通过扫描电镜(SEM)分析、原子力显微镜(AFM)分析、X-射线衍射光谱(XRD)分析、X-射线荧光光谱(XRF)分析、X-射线光电子能谱(XPS)分析、紫外-可见漫反射光谱(UV/VIS)分析和表面光电压谱(SPS)分析,对改性TiO2/Ti光电极表面形貌、晶型结构、表面组成和化学形态、光学性能、表面光电性能等进行表征,重点考察了改性 TiO2/Ti光电极的结构对光电催化氧化效率的影响。  失活与再生研究结果表明:TiO2/Ti光电极催化过程存在着两个阶段—稳定催化期和老化失活期,在光催化(PC)的条件下,硫改性 TiO2/Ti光电极的稳定催化期为重复使用25次(约50h),铈改性 TiO2/Ti光电极的稳定催化期为重复使用20次(约40h)。在光电催化(PEC)的条件下,硫改性TiO2/Ti光电极的稳定催化期为重复使用40次(约80h),铈改性 TiO2/Ti光电极的稳定催化期为重复使用30次(约60h)。当重复使用80次左右(约160h),改性TiO2/Ti光电极催化效率降低至最初的20%左右,需要进行再生处理。失活后的改性TiO2/Ti光电极分别采用超声波清洗2h,UV光照8h后,其光电催化的性能可以恢复到初始的80%左右。  将改性 TiO2/Ti光电极应用于处理水中内分泌干扰素类物质—邻苯二甲酸二甲酯(DMP)。研究了改性 TiO2/Ti光电极的催化面积、反应过程中所加偏压、光源的功率及反应物的初始浓度等因素对改性 TiO2/Ti电极光电催化氧化 DMP的影响,并探讨了其反应动力学规律,建立了准一级动力学模型。研究结果表明:影响改性 TiO2/Ti光电极催化氧化邻苯二甲酸二甲酯(DMP)的因素由强到弱的顺序为:改性 TiO2/Ti光电极的催化面积(A)、光源的功率(W)、邻苯二甲酸二甲酯(DMP)的初始浓度(C0)、外加偏压(V)。  利用 FP-6500荧光光谱仪对改性 TiO2/Ti光电极降解邻苯二甲酸二甲酯(DMP)过程中的产生羟基自由基·OH的规律进行研究,用液-质联机(LC/MS)对降解邻苯二甲酸二甲酯(DMP)过程中的中间产物进行定性分析,初步探讨了邻苯二甲酸二甲酯(DMP)在 TiO2/Ti光电催化氧化体系中的降解机理。研究结果表明:邻苯二甲酸二甲酯(DMP)在光电催化氧化过程中逐渐脱掉其羧基、羟基等官能团,通过断键、开环等一系列的氧化还原反应,最终生成小分子物质。
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