改性Hβ沸石及其TiO2复合材料对水体中双酚A的去除研究

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随着环境内分泌干扰物在水体中的污染越来越严重,人类的生存和繁殖受到了潜在而严重的威胁,对水体中疏水性有机污染物BPA的去除也变得日趋紧迫。沸石吸附剂具有孔道规则、比表面积大和易于回收等优点,但由于它本身的亲水性,对疏水性有机污染物的去除效果不理想,因此,如何通过改性以提高沸石的疏水性是解决问题的关键。而TiO2作为一种环境友好型的半导体光催化剂,具有性质稳定、光催化活性高及成本低廉等优点而倍受青睐,但粉体的TiO2存在易团聚失活,难回收利用,低浓度有机污染物下降解效果不佳等问题。因此,如何制备易于分离回收的TiO2复合材料以去除低浓度的有机污染物是目前研究的重要课题。  本论文采用HNO3回流和高温焙烧相结合的方式分别对HY型、HZSM-5型、Hβ型沸石进行了疏水性改性,考察比较了它们对水中BPA的吸附性能,筛选出对BPA具有快速、高效吸附效果的改性沸石T-Hβ(50),首次将改性后的Hβ(50)沸石应用于对双酚A的去除研究。另外,结合改性Hβ(50)沸石对双酚A的吸附能力和TiO2的光催化活性,通过浸渍-焙烧法成功地制备了TiO2/T-Hβ(50)复合材料并应用于对双酚A的吸附-光催化协同去除研究。  通过X射线衍射仪、比表面积测试、X荧光光谱仪、Zeta电位仪、扫描电镜、透射电镜及能谱等对材料的微观结构、比表面积和成分等进行了相应的表征。对于吸附材料,主要分析了吸附时间、BPA初始浓度、温度、pH值和吸附剂用量等因素对吸附的影响。并运用动力学方程、Langmuir、Freundlich和Redlich-Peterson等温吸附模型以及吸附热力学方程对实验的结果进行模拟分析。对于TiO2/T-Hβ(50)复合材料,重点研究了载体的吸附能力与相应复合材料中TiO2的光催化活性之间的关系,并优化了复合材料中TiO2与改性沸石T-Hβ(50)的负载比例。  研究结果表明,改性后HY型和HZSM-5型沸石的内部结构受到了严重破坏,比表面积大幅下降,使其吸附性能大幅下降。改性后T-Hβ(50)沸石的物相、内部结构和形貌基本没有变化,而其表面的负电性增强,硅铝比提高了7.5倍,疏水性大幅提高,有利于其对疏水性有机污染物BPA的吸附。而T-Hβ(50)沸石对BPA的吸附可在20min内达到快速平衡;在很宽的pH范围(pH=3~9)内,T-Hβ(50)沸石对BPA的吸附都有较大的平衡吸附量(93mg/g);吸附过程符合准二级动力学和 Redlich-Peterson等温吸附模型,对BPA的最大吸附量为117.62 mg·g-1,是Hβ(50)沸石(33.78 mg·g-1)的3.5倍,20~50℃范围内,对BPA的吸附过程为体系混乱度减小的自发放热过程。本文制备的TiO2/T-Hβ(50)复合材料中,锐钛矿相TiO2均匀负载在T-Hβ(50)沸石的表面上。改性沸石T-Hβ(50)的强吸附能力促使复合材料中的TiO2光催化活性得以大幅提高。当以T-Hβ(50)沸石为载体,TiO2与载体的比例为1∶10时,复合材料中TiO2的光催化活性最高,达0.40mg·g-1·h-1,是P25光催化活性的1.76倍。经24 h吸附-光催化降解后,1-10TiO2/T-Hβ(50)复合材料对200 mg·L-1浓度BPA溶液的吸附-光催化协同去除率达92.6%,远高于P25与改性沸石机械混合所得复合催化剂1-10P25/T-Hβ(50)的去除率6.06%和77%。1-10TiO2/T-Hβ(50)复合材料的光催化去除率为10.1%,是P25(5.67%)和1-10P25/T-Hβ(50)(4.7%)的1.74倍和2.15倍。
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