环境催化剂制备及对环境污染物的处理

环境催化剂制备及对环境污染物的处理

姓名:吴天真

班级：生物1501

学号：201547005

联系方式：18342209941

队友：张冕张冲

第一部分：文献综述

引言

随着社会的进步和工业的发展，环境污染逐渐成为威胁人类生存的严重问题。对此，人们展开了治理污染、保护环境的科学研究，并取得了一定的成效。光催化技术是近几十年来发展起来的一种高效、环保、节能的新技术，它以半导体为催化剂，能够有效地利用太阳光催化氧化有毒污染物质，是一种有效治理污染、保护环境的方法。

正文

在21世纪，能源与环境问题已经成为世界关注的主题，如何减少污染，保护生态平衡，解决环保问题，已经引起各政府决策部门和学术研究部门的高度重视。

水和空气作为人类最宝贵的资源，随着工业进程的加快，大量的废水、废气被排入其中，其中的有毒有机化合物会在人体内富集，给健康带来巨大威胁。而且在这些化合物中，有部分化合物用平常的处理方法很难将其降解。 我国学者金奇庭等人通过研究观察发现：很多的有机化合物能使厌氧微生物产生明显的毒害作用。这些有机化合物必须通过一些其他的非生物的降解技术来除去[1]。光催化处理有机污染物的技术由于其价廉，无毒，节能，高效的优势逐渐成为各界人士研究的重点，光催化的研发也一跃成为当前国际热门研究领域之一。自1972年日本学者藤島(Fujishima)和本田(Honda)发现TiO2单晶能光电催化分解水以来，光催化氧化还原技术，在污水处理、空气净化、抗菌杀毒、太阳能开发等方面具有广阔的应用前景，受到世界各国的广泛关注，并得到了迅速发展大量研究证实：染料、表面活性剂、有机卤化物、农药、油类、氰化物等许多难降解[2].或用其它方法难以去除的有机污染物都能够通过光催化氧化反应有效的降解、脱色、去毒，并最终完全矿化为CO2、H2O及其他无机小分子物质，达到完全无机化的目的，从而消除对环境的污染。

目前，国内外许多研究机构针对光催化技术做了大量的研究工作，并对新型光催化剂进行了深入研究。从目前的资料来看, 光催化材料体系主要可以分为氧

[3]

化物、氮化物以及磷化物。

氧化物:最典型的主要是TiO2 及其改性材料。目前,绝大部分氧化物主要集中在元素周期表中的d区, 研究的比较多是含Ti, Nb, Ta的氧化物或着复合氧化物[4]。其他的含W, Cr, Fe, Co, Ni, Zr等金属氧化物也有报道。就目前的情况来看, d区过渡族金属元素氧化物经过炒菜式的狂翻乱炸后, 开发所谓的新体系光催化已经没有多大潜力。目前, 一些研究人员, 已经把目光锁定在p区元素氧化物上, 如含有Ga, Ge, Sb, In, Sn, Bi元素的氧化物[5]。

硫化物:硫化物虽然有较小的禁带宽度, 但容易发生光腐蚀现象, 较氧化物而言, 稳定性差, 主要有ZnS, CdS等[6]。

氮化物:也有较低的带系宽度, 研究的不少, 有Ta/N,Nb/N等体系[7]。

磷化物:从材料的制备、尺寸控制到光学性质研究, 人们做了大量的工作, 目前的研究工作主要集中在I-VII族, II-VI族半导体, 而有关III-V族半导体, 特别是磷化物纳米材料的制备要困难的多, 磷化合物同II-VI族化合物相比有较强的共价性, 制备过程所需温度高, 而且常常使用易燃、易爆的金属有机化合物

和剧毒的PH3 、AsH3等, 制备条件苛刻, 要求无水, 无氧且产物易被氧化, 研究很少, 如GaP, InP等[8]。但是磷化物半导体具有较小的载流子和较大的介电常数, 因而具有较大的激子Bohr半径,从而显示更强的量子限域效应, 从而更有利于半导体光学、力学、磁学等性质的研究。所以磷化物半导体纳米材料的制备、尺寸控制及光学性质的研究具有非常重要的科学意义和应用前景[9]。

结论与展望

开展光催化太阳能转换及环境净化材料的研究, 既体现了我国实施可持续发展战略的重大需求和新世纪科技发展以人为本的指导思想, 又反映了当前科学综合交叉和融合的发展趋势。可使我国在有优势的光催化研究领域取得重大突破, 并开创出新的原创性研究领域,争取国际领先地位, 为环境污染和能源短缺问题的解决提供重大的理论和技术支持。

参考文献

[1]薛向东,金奇庭. TiO_2光降解水中污染物的研究进展[J]. 中国给水排水,2001,06:26-29.

[2]陈文华,李刚,许方程,泮琇,温玲宁,都林娜. 染料废水污染现状及处理方法研究进展[J]. 浙江农业科学,2014,02:264-269.

[3]闫世成,罗文俊,李朝升,邹志刚. 新型光催化材料探索和研究进展[J]. 中国材料进展,2010,01:1-9+53.

[4]贾国松,刘美玲. 金属氧化物光催化材料的研究进展[J]. 山东化工,2015,16:75-77.

[5]闫世成,邹志刚. 高效光催化材料最新研究进展及挑战[J]. 中国材料进展,2015,09:652-658.

[6]张博,姚伟峰,宋秀兰,徐群杰,周笑绿. 硫化物光催化剂的形貌控制及光催化性能的研究进展[J]. 化工进展,2012,01:83-90.

[7]张金水,王博,王心晨. 氮化碳聚合物半导体光催化[J]. 化学进展,2014,01:19-29. [8]严学华,高庆侠,杨小飞,李扬,唐华. 磷酸银基光催化材料研究进展[J]. 硅酸盐学报,2013,10:1354-1365.

[9]马育栋. 新型纳米光催化材料的研究进展[J]. 济宁学院学报,2008,03:18-20.

第二部分：专题实验

预备实验：

实验仪器的原理和使用：天平，紫外分光光度计，离心机；烘箱；紫外灯的防护（8w）

实验一复合磷酸铜/磷酸铋光催化降解罗丹明B

一、实验目的

1学会复合磷酸铜/磷酸铋光催化剂的制备。

2了解光催化作用的原理和方法、 二、实验步骤：

1样品的制备：称取 0.126g Na3P04和 0.188gCu（NO3）2硝酸铜完全溶于10ml水和5 ml 氨水(25%)的混合溶液中,掼拌10min，将所得到的悬池液转移到内衬为30 ml的不锈钢反应釜中,放入烘箱150°C反应12h,取出后自然冷却至室温,清洗后,离心分离,烘干备用。

在8w紫外灯下光降解罗丹明B（5mg/l备用溶液）。在556nm处用uv-1780分光光度计测量溶液吸光度数值变化。

三、结果与讨论：（列表或画图）

样品AbsK*Abs1-0.0016-0.0016322.68222.6822332.77332.7733542.8082.8079850.73420.7342460.78950.7895270.73160.7315780.70160.79162 回答问题：1、染料在环境中有哪些危害？ 随着现代印染工业的迅速发展，通过各种途径进入水体中的化合物的种类和数量急剧增多，有机废水中含有许多难以降解有毒的污染物，其中罗丹明B具有较高的难降解性和易累积等特点，对生态系统和人类健康构成了严重威胁。罗丹明B（RB）俗称花粉红，是一种具有鲜桃红色的人工合成的染料，氧杂蒽染料中的重要代表物，广泛存在印染废水中，罗丹明B还涉及食品安全事件，2011年2月15日，“重庆千骄调味品有限公司”厂区内部分残留豆瓣酱和红油中查出罗丹明B，经老鼠实验发现，罗丹明B会引致皮下组织生肉瘤，被怀疑是致癌物质。由于其难生物降解，大量使用会对水环境造成很大危害，因此对含有RB废水的降解处理便显得十分重要。除了苯环类类物质，有机废水中还有可能存在其他的有毒物质，会在水体、土壤等自然环境中不断积累、储存，最后进入人体，从而危害人体健康。因此，有效的治理有机物废水，来减少环境污染，保护人类的生存环境，是一项长期且有待解决的重要问题。

2、光催化降解具有什么优势？

到目前为止，经过长期努力已经建成很多降解方法，常用的方法有物理法，化学法，生物法等，最常用是化学法，光催化氧化法具有（1）无毒（2）安全（3）稳定性好（4）催化活性高（5）见效快（6）能耗低（7）可重复使用等优点。光

催化法可以为环境保护事业和企业的可持续发展做出更大的贡献。

纳米二氧化钛的制备及其光催化降解甲基橙

一、实验目的

1熟悉TiO2光催化剂的制备；

2测定甲基橙在可见光作用下的光催化降解反应速率常数；

3了解可见光分光光度计的构造、工作原理、掌握分光光度计的使用方法 二、实验步骤：

在搅拌的条件下将1.06 g Na2CO3加入15ml的1.42 gTi(SO4)2水溶液中, 滴入HCL（5滴）, 调整pH<3.0,制得前驱体,

放入衬有聚四氟乙烯的高压容器内加热,, 放入烘箱150°C反应12h,所得产物洗涤,离心。

在8w紫外灯下光降解甲基橙（（2mg/l备用溶液）。在465nm处用uv-1780分光光度计测量溶液吸光度数值变化。

结果与讨论：

样品AbsK*Abs10.51690.5169420.54920.5491730.62970.6297440.54830.5482550.41690.416960.28090.2809570.47200.4720580.42820.4281990.30020.30017100.16700.16703

回答问题：1、二氧化钛具有哪些光催化应用？ （1）废水的处理

光催化降解水中有机污染物是一项新兴的水处理技术。这项新的多相光催化污染治理技术因其能耗低, 工艺简单, 反应条件温和, 可减少二次污染等特点, 在环境保护中日益受到人们的重视。纳米TiO2能有效地将废水中的有机物降解为CO2、H2O 、PO43-、NO3-、卤素等无机小分子, 达到安全无机化的目的, 染料废水、农药废水、表面活性剂、氟里昂、含油废水等都可以被纳米TiO2所氧化降解。

（2）大气环境污染物的降解

随着工业的发展和人民生活水平的不断提高, 环境污染问题已日趋严重, 有

害气体净化同样

受到人们的重视。近年来逐渐发展起来的纳米TiO2光催化降解技术为这一问题的解决提供了良好的途径。环境有害气体可分为两个方面:室内有害气体和大气污染气体。室内有害气体主要有装饰材料等放出的甲醛及生活环境中产生的甲硫酵气、硫化氢、氨气等, 这些气体在百万分之几时就能使人产生不适感。TiO2 通过光催化作用可将吸附于其表面的这些物质分解氧化, 从而使空气中这些物质的浓度降低, 减轻或消除环境不适感。大气污染气体主要指由汽车尾气与工业废气等带来的氮氧化物和硫氧化物, 利用纳米TiO2的光催化作用可将这些气体氧化, 形成蒸气压低的硝酸或硫酸。这些硝酸或硫酸可在降雨过程中除去, 从而达到降低大气污染的目的。 （3）抗菌

抗菌是指TiO2在光照下对环境中微生物的抑制或杀灭作用。在人们的居住环境中存在着各

种有害微生物, 对人类生活产生不良影响。家居环境中的一些潮湿的场合如厨房、卫生间等, 微生物容易繁殖, 导致空气菌浓和物品表面菌浓增大,对人的健康产生威胁。利用纳米TiO2的光催化性可充分抑制或杀灭环境中的有害微生物, 使环境微生物对人的危害降低。由于纳米二氧化钛的光生电子空穴可以直接和细菌的细胞壁或内部组分发生生化反应, 使细菌灭活, 所以是一种很好的抗菌材料。与常规银、铜杀菌剂不同的是, 二氧化钛光催化不仅能够

杀灭细菌, 而且同时降解细菌释放出的有毒物质,避免了细菌被杀死后释放内毒素造成的二次污染。 （4）太阳能转化

由于常规能源如石油天然气和煤等化石资源的日趋枯竭, 常规能源的使用造成了极为严重的环境污染, 清洁新能源的开发倍受关注, 而把太阳能转化为可储存的氢能源和电能都是解决未来能源危机的主要途径, 以二氧化钛为代表的半导体光催化分解水制氢是实现这一目标最简单易行、最有发展前途的方法。光催化产生的氢气和氧气是无污染、高效和清洁的能源, 但由于该方法的产率不高, 进展缓慢。太阳能光生伏打电池的基本结构主要包括透明导电基片(导电玻璃)、多孔纳米二氧化钛薄膜、染料敏化剂、电解液和透明对电极几部分。当能量低于半导体纳米二氧化钛禁带宽度但等于染料分子特征吸收波长的入射光照射在电极上时, 吸附于二氧化钛表面的染料分子中的电子受激发跃迁至激发态, 处于激发态染料分子向二氧化钛纳米晶导带中注入电子, 电子在TiO2纳米晶导带中靠浓度扩散流向基底传向外电路, 由于纳米粒子掺杂浓度低, 因而减少了复合机会, 而染料分子失去电子后变为氧化态, 此时氧化态的染料分子再由对电极提供电子而变为原状态, 从而完成一个光电化学循环, 形成光电流。此外利用纳米二氧化钛的光致亲水性, 开发出了兼具自清洁和抗雾性能的汽车挡风玻璃、后视镜、幕墙玻璃等。

2、 纳米二氧化钛的结构对提高其光催化能力的作用？

用作光催化的TiO2主要有两种晶型一- - 锐钦型和金红石型, 其中锐钦型的催化活性较高。根据半导体粒子的光催化氧化反应机制 , 金红石型TiO2的粒子表面吸附氧的能力大大弱于锐钦型TiO2。另外, 锐钦型TiO2粒子禁带宽度为3.2 e v , 而金红石型TiO2的禁带宽度仅为3.oe V , 激发产生的电子一空穴对易复合, 从而降低了粒子的催化活性。有人认为当热处理温度较高时, 金红石型TiO2表面发生不可逆的脱氢反应,表面经基减少。而TiO2颗粒表面经基对载流子分离起着

至关重要的作用。

T as i 等人采用不同方法制备锐钦型和金红石型TiO2, 光催化降解含酚溶液。结果表明TiO2活性与制备方法和锻烧温度有关。在一定条件下金红石型TiO2表现出很高的催化活性。该现象与颗粒存在大量表面经基有关。

B i e k l e y 、施利毅等研究发现, 锐钦型与金红石型TiO2混合物( 非简单的混合)具有较高的光催化活性, 且该材料一般由气相反应合成。根据高温气相反应器中TiO2粒子成核一生长和晶型转化机理可知, 一定条件下形成的混合晶型IT O Z粒子, 其内部为锐钦相、表面为金红石相。由于两种晶型TiO2导带和阶带能级的差异, 由此减少了电子和空穴复合几率。孙奉玉等研究表明,TiO2光催化活性与材料吸光能力有关, 而材料的吸光特性与其颗粒尺寸有关。J u d i n l 研究发现粒度为2 0 一5 0 n m 的颗粒具有较强的吸收紫外光能力。孙奉玉等人l ”’以纳米级为催化剂, 光催化降解苯酚溶液, 发现当TiO2的晶粒尺寸由3 On m 减少到10 n m ,TiO2光催化活性提高近45 %,其它研究也证实纳米级TiO2光催化活性较体相材料有一定的提高。

采用纳米级半导体材料作为光催化剂的理论基础在于: ( 1 ) 通过量子尺寸限域造成吸收边的蓝移;

( 2 ) 由散射的能级和跃迁选律造成光谱吸收和发射行为结构化;

( 3 ) 与体相材料相比, 量子阱中的热载流子冷却速度下降, 量子效率提高; ( 4 ) 纳米级TiO2所具有的量子尺寸效应使其能隙变宽, 导带电位变得更负, 而价带的电位变得更正,使其获得了更强的氧化还原能力, 从而提高催化活性。另外, 对纳米级半导体粒子而言, 其粒径通常小于空间电荷层的厚度, 空间电荷层的任何影响都可忽略。计算表明, 在粒径为1 户m ITiO2粒子中, 电子从体内扩散到表面的时间约为10 0 ns, 而在粒径为I On m 微粒中约为l o p s , 1, ,。

对于光催化反应, 表面积只是决定反应基质吸附量的重要因素, 当晶格缺陷等因素相同时, 吸附量随表面积增大而提高, 这对光催化反应是有利的。但有时具有较大表面积的TiO2往往存在更多的载流子复合中心, 会导致光催化活性降低。

第三部分：感想

这次实验进行过程中出现了一点问题：由于缺乏经验，我们在用uv-1780分光光度计测量溶液吸光度数值变化时，未等光催化剂小颗粒完全沉淀便进行测量，得到的吸光度数据部分严重偏大，从而导致无法得到预期的降解曲线，以后做实验时要多留意这类问题。

通过这次实验，我有很大收获，了解了以TiO2为代表的光催化材料的制备原理及方法、结构性质、具体应用、发展前景等，同时也提高了自己的实验操作技巧，学到了很多。在这里我要感谢石勇老师的指导和教诲，同时感谢队友张冲同学和张冕同学的帮助与配合，谢谢你们!

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/p9qv.html