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光催化降解技术是近年来出现的一种先进的水处理技术,能彻底破坏有机污染物,没有二次污染,是一种有前途的水处理方法。但是光催化技术的实际工程应用还存在着诸如量子效率低,光对非透明物质的穿透能力低等技术难题。为了弥补或克服这些缺点,各种能场的协同效应有可能强化光催化降解,因此对这一方向上的系统深入研究具有重要的意义和价值。
少数研究者己开始考虑利用超声场的协同效应强化光催化降解,但国内外的研究工作侧重于反应动力学和污染物去除效果,对于功率超声(US)与光催化体系的相互作用机制的探讨却很少。本文将以五氯酚和苯酚为降解对象,系统地研究了五氯酚(PCP)的声光催化和苯酚的超声-可见光催化-过氧化氢氧化两种降解体系的降解效果,考察了降解反应的影响因素,并探讨超声与光催化之间的协同效应。通过对三种催化剂的声光催化反应前后的表征,探讨超声对催化剂的影响;论文还采用水杨酸作为探针性物质,对声光催化过程中羟自由基的产生的各种影响因素进行了探讨,对声光催化的机理作进一步的研究。其主要研究结论和结果如下:
利用超声波一光催化氧化处理五氯酚,并考察各主要影响因素对降解效果的影响。结果表明:声光催化氧化体系比光催化氧化或功率超声波单独使用更有效,其降解率分别为97.5%,62.5%和16.8%。底物初始浓度越高,降解百分率越低。在声光催化体系中催化剂的投加量范围比光催化体系中大得多。当溶液的初始pH值为6时,五氯酚的降解效果最好。外加的Fe<3+>对五氯酚的降解效果有一定的促进作用。低浓度的H<,2>O<,2>有利于五氯酚的降解,高浓度的则促进不明显。超声光催化降解PCP具有良好的效果,PCP的降解在US、UV/P25、IJS/UV/P25三个体系中的降解均符合一级反应动力学模式。
运用XRD、SEM等测试手段对反应前后的催化剂进行表征,并比较了其对苯酚的降解效果。XRD测试表明:声光催化过程中超声对二氧化钛起到粉碎的作用,但对粒径小的二氧化钛可能产生量子尺寸效应,出现团聚现象。SEM测试表明:光催化使二氧化钛发生团聚,加入超声波后可分散催化剂。苯酚降解效果比较表明:超声波对催化剂粒径最小的TiO<,2>-B微粉的光催化协同效果最佳,但降解效果反而是颗粒最大的P25最好。
利用水杨酸作为探针性物质,间接测定自由基的产生,对声光催化过程中羟自由基的产生的各种影响因素进行了探讨。结果表明:当超声波和光催化两种技术同时作用时,自由基的产率有明显的提高。当催化剂的团聚性较强时,超声的加入可以使自由基的产率提高1倍以上;催化剂的浓度和初始pH值越高,自由基产率越高;三价铁离子对羟自由基的产生有一定的促进作用;过氧化氢对羟自由基的产生的影响不明
显。 最后对可见光下二氧化钛的声光催化降解苯酚进行了研究。研究表明:二氧化钛吸附过氧化氢后可在表面发生表面螫合及衍生作用,从提高了二氧化钛的可见光性能,苯酚的降解率达50.8%,加入超声波后降解率提高到74.6%。过氧化氢的浓度选择是个重要的因素,本实验选择150mg/L。溶液的pH值不仅影响到有机污染物形态,还影响催化剂的表面电荷,从而影响降解效果。