TiO2/沸石复合材料对对乙酰氨基酚的光降解研究

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对乙酰氨基酚(Acetaminophen,Ace)是最常用的非抗炎解热镇痛药的主要成分,具有潜在的生态毒性,目前尚未找到一种理想而有效的处理方法。研究采用光催化氧化法对其进行光催化降解实验。TiO2以其化学稳定性、无毒性、价格低廉、光催化活性高等优异性能被广泛研究。但因其颗粒过小,易团聚,不易与水分离而受到限制。  研究以具有大表面、高吸附性能的沸石为载体,采用溶胶-凝胶法制备TiO2/沸石复合光催化材料,并借助紫外-可见漫反射(UV-VIS)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、傅里叶-红外光谱(FTIR)等分析方法对复合材料进行了性能分析,通过实验研究了复合材料对Ace的光催化降解去除效果,并探究了其降解动力学机理。主要研究成果如下:  (1)以不同孔径的ZSM-5(2.4 nm),13X(5.4 nm)和Y型(13.6 nm)沸石为载体,采用溶胶-凝胶法制备了TiO2/沸石复合材料。通过FTIR、XRD与SEM等方法对复合材料进行性能分析,结果表明:复合材料中的沸石骨架没有被破坏,而形成的TiO2基本为锐钛矿型。根据XRD图谱所计算得到的晶体颗粒粒径约为9.9 nm;通过SEM图观察到TiO2团聚颗粒尺寸介于50-500 nm之间;TGA分析结果表明复合材料具有较高的热稳定性。ZSM-5、13X和Y型沸石上TiO2的最佳负载量分别为40 wt%、10 wt%与5wt%。沸石的孔径越大,TiO2的最佳负载量越低。对Ace光催化降解效果最佳的复合材料为负载量为40 wt%的TiO2/ZSM-5。  (2)采用40 wt%TiO2/ZSM-5复合材料作为光催化剂对Ace进行光降解实验。当Ace初始浓度为15 mg·L-1,初始pH为5-9,复合材料催化剂投加量为1.00g·L-1,在紫外光(254 nm,0.97 mW·cm-2)下光降解反应180 min后,Ace的去除率为97%,达到最大。溶氧量的提高可加快光催化降解速率。  (3)采用GC-MS分析了反应过程中可能出现的中间产物,并推测了光催化降解反应途径:在光催化降解过程中,Ace分子将先被羟基化及光解,再进一步被破环氧化,最终被氧化分解为CO2和H2O等物质。反应过程中没有检测到有毒中间产物。  (4)采用Cu金属对40 wt%TiO2/ZSM-5复合材料进行掺杂以减小材料的间隙能。当Cu的掺杂量为2.0 wt%时,可提高复合材料在可见光下的光降解效果。采用溶胶-凝胶法自制的TiO2/沸石光催化复合材料兼备了TiO2与沸石各自的优异性能,使其产生了协同效应,从而提高了光催化氧化的活性,且回收利用率高,这为解决目前光催化材料回收困难,吸附能力弱等问题提供了一种解决途径。
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