杂化分子筛用于光催化降解有机污染物的研究

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近年来,有机染料引起的水体污染是水污染处理面临的一个重大问题,严重影响自然界生态平衡。从可持续发展的角度看,光催化技术作为一种低成本、安全高效的环境友好型水污染处理技术被认为是解决能源危机和环境污染问题最好的方式之一。光催化剂研究主要集中于TiO2、Zn O等半导体材料,但大多只对紫外光响应,量子效率不高。分子筛比表面积大、骨架组成可调变、活性中心可调控,可以透过大部分的可见及紫外光。研究改性分子筛、改性分子筛与纳米光催化剂复合催化剂是解决纳米光催化剂易团聚的不足,提高催化剂光催化活性的有效途径。本文采用溶胶-凝胶法和水热法制备了TiO2、TiO2/分子筛复合光催化剂、Zn杂化A型分子筛及TiO2/Zn杂化A型分子筛复合光催化剂,利用XRD、SEM、FT-IR等方法对催化剂进行了表征。以罗丹明B为目标降解物,分别研究了负载量(掺杂量)、溶液p H、反应时间和不同光源对催化剂性能的影响,主要研究结论如下:一、TiO2/A型分子筛光催化性能研究采用溶胶-凝胶法合成了TiO2和TiO2/分子筛复合光催化剂。其中负载量30%的TiO2/A型分子筛中TiO2粒径最小为17.5nm,并且O、Si、Al、Na、Ti元素在TiO2/A型分子筛中均匀分布;TiO2/A型分子筛具有良好的光催化活性,负载量为30%时光催化活性最佳;TiO2/A型分子筛光催化稳定性良好,p H=7时,三次重复实验中罗丹明B降解率为98.2%,95.2%和91.8%,并且降解率随p H增加而变大,p H为11时,降解率为99.1%,95.8%和92.6%;光催化降解过程符合Langmuir-Hinshelwood一级动力学方程,负载量30%的TiO2/A型分子筛光催化反应速率最大,为0.03182min-1,光催化降解速率随p H增加而变大,p H为11时,样品的光催化反应速率最大为0.52776min-1,结果与光催化实验结果相符。二、Zn杂化A型分子筛光催化性能研究采用水热法合成了Zn杂化A型分子筛。样品平均粒径约为500nm,表面具有丰富的羟基官能团,利于光催化反应。Zn杂化A型分子筛具有良好的光催化性能及化学稳定性,锌掺杂比例为1时,降解效率最高。在紫外光条件下,p H为4、7、11时对罗丹明B的降解率分别为85.8%、92.9%和95.4%;在可见光条件下,罗丹明B的降解率为50.8%,相比Zn O提高了16.4%,三次重复实验中罗丹明B的降解率分别为50.8%、48.12%和46.18%。光催化过程符合Langmuir-Hinshelwood一级动力学方程,锌掺杂比例为1时光催化反应速率最大,为0.02043min-1;在p H为4、7、11时,降解速率分别为0.01672min-1、0.02195min-1和0.02484min-1,结果与光催化实验结果一致。锌的掺杂实现了分子筛吸收光谱的红移,形成了电子陷阱和空穴陷阱,改变了电子/空穴的再复合速率,提高了分子筛的活性位点的数量从而改变了分子筛的紫外光和可见光的光催化活性。三、TiO2/Zn杂化A型分子筛光催化性能研究采用溶胶-凝胶法合成了TiO2/Zn杂化A型分子筛复合光催化剂。样品平均粒径在500nm左右,TiO2平均粒径尺寸约为18nm;光催化过程符合Langmuir-Hinshelwood一级动力学方程,光催化活性得到较大提升,在紫外光下60min后对罗丹明B降解率为92.61%,120min后为98.44%,相比TiO2/A型分子筛分别提高了1.26%和0.2%,相比Zn杂化A型分子筛提高了8.21%和5.54%;在可见光下60min后对罗丹明B降解率为52.62%,120min后为58.57%,相比Zn杂化A型分子筛分别提高了8.09%和7.77%,表明Zn杂化A型分子筛与TiO2之间存在协同效应,提高了催化剂的光催化活性。
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