可见光下TiO2和Ag/TiO2光催化还原Cr(Ⅵ)及机理研究

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近几年来,随着化工行业的迅速发展,含铬废水及铬渣的不当处理均会对生态环境造成巨大危害。因此,寻求一种绿色节能高效的处理Cr(Ⅵ)的方法已经迫在眉睫。本文首先采用溶胶-凝胶法制备了TiO2和Ag/TiO2光催化剂,优化了TiO2和Ag/TiO2光催化剂的制备条件并表征了两种光催化剂的结构;然后研究了可见光下TiO2和Ag/TiO2光催化还原Cr(Ⅵ)反应的实验条件(光催化剂投加量、溶液初始p H、K2Cr2O7的初始浓度、反应气氛、光生空穴牺牲剂)对光催化速率的影响、分析了实验过程中p H的变化及TiO2光催化剂的寿命;最后建立可见光下TiO2和Ag/TiO2对Cr(Ⅵ)的光催化还原反应的反应动力学、计算表观反应速率常数,并分析了可见光下TiO2和Ag/TiO2对Cr(Ⅵ)的光催化还原反应的反应机理。研究结果表明制备TiO2光催化剂的最佳实验条件:乙醇:钛酸四丁酯为56.60:1,p H值为3.86,煅烧温度622.45℃,煅烧时间56.67 min;制备Ag/TiO2光催化剂的最佳实验条件:乙醇与钛酸四丁酯的摩尔比不变,Ag:Ti值为2.0at.%3.0at.%,p H值为4,煅烧温度400℃,煅烧时间1 h。表征结果表明,制备的TiO2光催化剂为锐钛矿晶相,粒径为500 nm左右,形貌为花状,其吸收边界为387 nm;制备的Ag/TiO2光催化剂为锐钛矿晶相并且Ag是掺杂在TiO2的表面,Ag的粒径为8 nm左右,Ag/TiO2为无规则的团聚体,其吸收边界为420nm。在最优的制备条件下,TiO2光催化剂在可见光下反应150 min能够去除75%左右的Cr(Ⅵ),掺入Ag后光催化效率提升,在可见光下反应150 min能够去除接近100%的Cr(Ⅵ)。当TiO2光催化剂的投加量小于2 g/L,溶液的p H值小于4时,表观总反应速率常数k=2.994×10-8C0-1.4259n0.5415CH+-0.1889;当TiO2光催化剂的投加量小于2 g/L,溶液的p H值大于4时,表观总反应速率常数k=5.983×10-7C0-1.4259n0.5415CH+0.1336;当TiO2光催化剂的投加量大于2 g/L,溶液的p H值小于4时,表观总反应速率常数k=5.808×10-8C0-1.4259n-0.3429CH+-0.1889;当TiO2光催化剂的投加量大于2 g/L,溶液的p H值大于4时,表观总反应速率常数k=1.161×10-6C0-1.4259n-0.3429CH+0.1336。当Ag/TiO2光催化剂的投加量小于2 g/L,溶液的p H值小于4时,表观总反应速率常数k=7.089×10-7C0-1.473n1.1605CH+-0.1568;当Ag/TiO2光催化剂的投加量小于2g/L,溶液的p H值大于4时,表观总反应速率常数k=8.690×10-6C0-1.473n1.1605CH+0.1542;当Ag/TiO2光催化剂的投加量大于2 g/L,溶液的p H值小于4时,表观总反应速率常数k=2.014×10-6C0-1.473n-0.1916CH+0.1568;当Ag/TiO2光催化剂的投加量大于2 g/L,溶液的p H值大于4时,表观总反应速率常数k=2.469×10-5C0-1.473n-0.1916CH+0.1542。可见光下TiO2光催化还原Cr(Ⅵ)反应的机理是形成了一种新型复合HCrO4-/TiO2催化剂,新型复合光催化剂的吸收边界红移至可见光区;可见光下Ag/TiO2光催化还原Cr(Ⅵ)反应的反应机理是,Ag的掺入扩大了TiO2的红移范围,同时在光催化反应的过程中,Ag能加快电子的传递,抑制电子和空穴的复合,提高光催化效率。
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