纤维反应器光催化苯酚新应用研究要点

分类：化学论文发表 时间：2018-02-08 10:00 关注：(1)

　　文章是一篇化学类论文，主要讲述了纤维反应器光催化苯酚的优化研究要点事项等。本文选自：《化学工业》，《化学工业》为“化工系统信息成果一等奖”刊物。其办刊宗旨是：评述国内外化工、石油化工、石油天然气等领域的发展战略，国内外各行业现状及发展趋势。

　　摘要：本研究以玻璃纤维丝作为光催化剂的载体,将Fe和TiO负载到玻璃纤维表面,形成三维的空间丝状光催化反应器,不仅解决了二氧化钛粒子回收难的问题,同时玻璃纤维丝比表面积大,透光性好,物理、化学性质稳定,因而负载量大,光催化效率高,可实现光能的合理利用,大大提高其光催化降解有机物的效率。研究中苯酚溶液为光催化反应的模型物质,采用自制光催化反应器,以负载TiO/Fe的空间玻璃纤维丝为催化主体,以紫外灯为光源,进行模拟苯酚废水降解试验,考察了影响降解效果的主要因素并提出优化试验条件。

　　关键词：纤维反应器,光催化苯酚,化学工程,化学论文

　　1、多相光催化氧化技术是一种新兴的高级氧化技术,以其作为催化剂,以高能光子或紫外光作为激发光源,催化剂半导体价带上的电子吸收有效光子能量后,跃迁到导带上,形成光生电子-空穴对,电子-空穴对迁移到固-液界面上可将界面上吸附态羟基或水分子还原为羟自由基,将界面上吸附的氧分子还原为超氧负离子,超氧负离子与水中无机离子或部分有机物反应也可生成羟自由基,羟自由基具有较高的氧化还原电位,能无选择地将水中难降解的污染物氧化为水、CO和N等无机小分子.近年来,一些研究发现,反应体系中共存的某些无机离子对反应过程中TiO的光催化活性具有一定的强化催化作用,如铁掺杂改性不仅可影响光生电子与空穴的分离,提高其光催化效率,而且可使TiO吸收光带发生红移,使其吸光范围向可见光区拓展,实现对太阳光的有效利用,同时,Fe和Ti半径非常接近,Fe很容易渗入TiO中形成Fe-Ti的共存晶格,因此,掺杂Fe进行TiO催化剂的改性具有较强的实际作用。

　　2实验部分

　　2.1实验仪器

　　自制加压光催化反应器如图1所示,有效容积为5.95L,采用有机玻璃管加工,三层套管,中心管为紫外灯区,外部为冷却水套管,中部为反应区。反应过程关闭水箱阀门,使溶液进行内循环反应,反应结束后从取样口处取样,经0.45μm滤纸过滤后,取分离液测定其苯酚浓度及矿化率。降解率η=(1–C/C)×100%(C、C分别为光照前后的苯酚浓度)。采用测定反应前后的TOC来衡量苯酚的矿化率。

　　2.2材料制备

　　玻璃纤维丝负载TiO/Fe固定膜光催化剂的制备方法,先将柔性玻璃纤维丝(孔隙率96%,比表面积3000m/m,容重85kg/m,密度1.38g/cm)用无水乙醇浸泡5分钟后用蒸馏水清洗,再以5℃/分钟的速度升温到300~500℃,保持2小时进行热处理。按体积比量取钛酸丁酯∶无水乙醇∶水∶硝酸=1∶6∶0.2∶0.1,将一半无水乙醇与钛酸丁酯均匀混合,形成A液;将另外一半无水乙醇、水、浓度为1∶4的硝酸和Fe(NO)(按Fe/TiO质量比为0.05%)均匀混合,形成B液;在剧烈搅拌的情况下,将B液缓慢地加入到A液中,继续剧烈搅拌2小时,形成透明的溶胶-凝胶液然后静置陈化24小时;将热处理后的玻璃纤维丝浸入制得的溶胶-凝胶液中3分钟,以1cm/s的速度将玻璃纤维丝垂直提出液面,在室温、通风环境中挂起晾干10小时,使溶剂充分挥发,溶胶充分水解、缩聚;将挂膜后的玻璃纤维丝放入马弗炉中,以5℃/min的速度升温至450℃,并在此温度下保持3小时,最后在干燥环境下自然冷却。重复3次上述过程,最终获得负载TiO/Fe固定膜光催化剂的厚度为93nm。

　　2.3主要试剂

　　Fe(NO),聚乙二醇,苯酚,乙酸,均为分析纯(AR级),天津化学试剂一厂;乙腈,甲醇,高效液相色谱(HPLC)级,上海新高化学试剂有限公司;钛酸丁酯(AR级),天津联合化学试剂厂;实验所用其余试剂均为分析纯,实验用水为二次蒸馏水。

　　2.3分析方法

　　苯酚:采用日本岛津公司LC-2010C液相色谱仪,色谱柱采用C18反相色谱柱,流动相采用体积比乙腈:水为70∶30,流速为1mL/min,UV/VIS检测器波长为275nm,进样量为10μL。TOC:总有机碳分析仪(TOC-V,日本岛津公司)。pH:pH3型酸度计,上海雷磁仪器公司。

　　3.0结果与讨论

　　3.1负载TiO/Fe的玻璃纤维催化填料对苯酚的吸附性能研究

　　由于玻璃纤维丝具有较大的比表面积,考虑到吸附及可能会对试验结果产生影响,试验前进行了无光照条件下的吸附空白试验,采用黑色覆盖物包裹反应器,以消除日光中紫外线对反应的影响。通过试验发现,pH值是影响负载TiO/Fe的玻璃纤维催化填料对苯酚吸附的主要因素。当pH=5时,TiO对苯酚的吸附量最小,仅为2.4%,以pH=5为中心,增大或降低,吸附量都有一定的增大,最高值发生在pH=9.0,此时,TiO对苯酚的吸附量为4.1%,当pH值大于9.0时,吸附量又开始减小,在强碱性(pH=13.0)条件下,吸附量几乎为零。进一步的试验可知,负载TiO/Fe玻璃纤维填料对苯酚的吸附在4h后达到稳定。因此,在进行负载TiO/Fe玻璃纤维填料降解苯酚试验前,先进行4h的恒温循环吸附,待吸附-脱附平衡后,然后在250W高压汞灯下进行光降解反应,此后苯酚溶液质量浓度的降低可以认为由光催化降解所致。