漂浮型可见光催化剂Fe-N-TiO2/FP-CTS制备及其对溶解性柴油降解方法

2017-03-15 08:51:49 17

  随着工业化的发展,石油作为现代最重要的能源,其消费需求日益增加。然而,石油的应用,伴随而来的是石油污染问题。石油污染水体的来源主要为油气田开采、机械加工、石化行业、钢铁行业和海上漏油事故等。如何处理由石油污染所带来的水体污染已经成为环境领域的研究热点。传统的理化处理方法,可以有效控制石油在水面的扩散并达到对大部分浮油的去除。然而,石油污染成分复杂,形态多样,以溶解态存在的石油污染物往往被人忽视且无法用传统方法去除。这部分溶解油在水体发生复杂的物化作用,使得石油污染物的归趋变得更加复杂,成为水环境的潜在威胁。而目前对于溶解油的研究较少,其控制技术与理论相对匮乏。

  TiO2 光催化是一种高效、简单、无毒的高级氧化技术,在降解水中的污染物方面具有明显的优势。然而,其应用主要受两个方面限制:第一,二氧化钛禁带宽度大(约为3.2eV),对太阳能利用率低,光生电子与空穴复合率高。第二,TiO2 粉末密度小、易团聚,难回收。针对上述问题,近年来专家学者的研究主要集中在TiO2 掺杂改性以拓宽其可见光响应和催化剂负载2个方面。

  考虑到实际应用中催化剂漂浮性和吸附性的重要性,本研究以漂珠(floatingpearl,FP)作为漂浮型基底材料,以壳聚糖(chitosan,CTS)作为改性剂增强催化剂材料的吸附性、成膜性和吸湿性[1],结合溶胶凝胶法,制备Fe—N共掺杂改性TiO2 的漂浮型可见光催化剂(Fe-N-TiO2/FP-CTS),并以溶解性柴油为目标降解物,研究制备的样品在降解溶解性柴油的效果,以及初始pH、柴油乳化剂等因素对其降解的影响。

  1 材料与方法

  1.1 实验材料

  试剂与材料:钛酸四正丁酯,九水硝酸铁,尿素,浓盐酸,浓硝酸,无水醇,聚乙二醇均为分析纯;聚氧乙烯山梨醇单月桂酸酯为化学纯;壳聚糖为生化试剂;市售0#柴油;漂珠(从电厂煤燃烧所产生的粉煤灰提取物),粒径为80~125μm。

  仪器:磁力搅拌器,管式电阻炉,光催化反应仪,紫外可见分光光度计,X射线衍射仪(XRD),双光束紫外可见分光光度计,BET自动吸附仪,扫描电子显微镜仪。

  1.2 催化剂的制备

  用壳聚糖改性的漂珠(FP-CTS)的制备:将1.0gCTS溶于30mL0.5%的冰乙酸溶液,加入5.0gFP,得混合液A;将2mL4% NaOH溶液加入30mL乙醇中,得到混合液B;将A逐滴加入B中。将上述混合液在105℃下烘干,于N2 管式电阻炉550℃加热1h,清洗、烘干。

  Fe-N-TiO2/FP-CTS可见光催化材料的制备:将Fe(NO3)3·9H2O加入50mL无水乙醇和18mL钛酸丁酯中(Fe/Ti摩尔比为0.71%),逐滴加入1.5mLHCl10mL1% PEG-400(溶剂为无水乙醇),得混合液C,再加入3.0gFP-CTS;再将2.4g脲溶解于4.5mL蒸馏水中,得混合液D;将D逐滴加入C中;将所制得凝胶陈化24h后,在105℃下烘干,于N2 管式电阻炉550℃加热2h,清洗、烘干。以FP代替FP-CTS制备N-TiO2/FP(不添加Fe(NO3)3·9H2O)和Fe-N-TiO2/FP作为参照。

  1.3 光降解饱和溶解性柴油实验

  在烧杯中加入蒸馏水与0#柴油,密封后调节磁力搅拌器,使漩涡深度不超过2cm,用以防止小液滴的形成[2]。48h后达到溶解平衡,得到饱和溶解性柴油。

  催化剂投加剂量为4g/L,溶解性柴油初始浓度为250mg/L,光源为500W 氙灯,用滤光片滤去紫外光部分,总光催化时间为4h,每30min取样一次。将适量反应液移至萃取瓶中,加入石油醚进行等体积萃取分离。柴油浓度测定采用紫外-可见分光光度计[3],以石油醚作为空白,计算溶解性柴油的去除率。

  2 结果与讨论

  2.1 催化剂的表征

  2.1.1 XRD分析

  N-TiO2/FP、Fe-N-TiO2/FP 和Fe-N-TiO2/FP-CTS的XRD谱图如图1所示。

  图1 中,N-TiO2/FP的曲线在2θ=25.31°、37.84°48.05°、53.89°有较强锐钛矿相的衍射峰,与Fe-N-TiO2/FP和Fe-N-TiO2/FP-CTS曲线衍射峰位置基本一致。Fe-N-TiO2/FP和Fe-N-TiO2/FP-CTS的曲线分别在衍射角2θ为26.44o和27.40o有较强的金红石矿相的晶面衍射峰,有研究表明[4,5],混晶TiO2 比单一形态的TiO2 光催化活性高。Yuangpho等[6]研究了TiO2 的不同锐钛矿/金红石比率对亚甲基蓝溶液的光催化降解的影响,结果显示,在处理亚甲基蓝溶液时,含有锐钛矿相和金红石相的混晶TiO2 比单一形态(锐钛矿)TiO2 的效果更好。可以看出,3种催化剂的TiO2 以锐钛矿晶型为主,而与N-TiO2/FP曲线对比,Fe-N-TiO2/FP和FeN-TiO2/FP-CTS曲线能观察到金红石晶体,表明Fe元素的加入能促进锐钛矿相转变为金红石相,TiO2的衍射峰峰宽变大、峰值减少,说明掺杂的Fe进入TiO2 晶格,抑制TiO2 晶粒尺寸的增加[7]。

  2.1.2 紫外-可见漫反射吸收光谱分析

  FP、N-TiO2/FP、Fe-N-TiO2/FP和Fe-N-TiO2/FP-CTS的UV-Vis漫反射吸收光谱如图2所示。可以发现,FP对可见光基本无吸收;N掺杂和Fe-N共掺杂均能使TiO2/FP复合催化剂的吸收边界均出现了红移,在可见光区域产生吸收带边,其中Fe-N共掺杂表现得更为明显;与其他3种材料相比,Fe-N-TiO2/FP-CTS材料对可见光吸收波长范围更宽,响应强度更大,光催化活性更强。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。


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