【文章內(nèi)容簡介】 具有強氧化性的 OH和 O 2（ 反應 式 （ 5） ～ （ 9） ） [913]。光生載流子 (激發(fā)態(tài)電子和空穴 )被俘獲 轉(zhuǎn)移后，與電子給體或受體發(fā)生反應對光催化過程來說才是有效的 。 光生空穴有很強的氧化能力，可奪取半導體顆粒表面吸附物質(zhì)或溶劑中的電子，使原本不吸收光的物質(zhì)被氧化降解；受體接受光生電子被還原后，其表面具有很強的氧濟南大學畢業(yè)論文 4 化還原能力，可氧化去除大氣中微量有毒的氮化物及硫化物等污染物 (如 NOX、H2S 和 SOX )。 TiO2 + hv e + h+ （ 1） e + h+ N + energy( hv′ hvorheat) （ 2） OH + h+ OH +H+ （ 3） OH + h+ OH （ 4） e +O2 O 2 （ 5） O 2 +H2O OOH +OH （ 6） 2OOH H2O2 +O2 （ 7） OOH +H2O + e H2O2 +OH （ 8） H2O2 + e amp。OH +OH （ 9） 圖 1 半導體 TiO2 光催化機理 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、水平 環(huán)境污染的控制與治理是 21世紀面臨和亟待解決的重大問題 。 隨著 科技 的不斷發(fā)展 和探索 ， 光催化技術(shù) 成為一種理想的環(huán)境污染治理方法 。 自 1972年 Fujishima和Honda[7]在 Nature雜志上報道 ,發(fā)現(xiàn)受輻照的 TiO2 上可以持續(xù)發(fā)生水的氧化還原反應 ，并產(chǎn)生氫以來 ， TiO2就因其穩(wěn)定性好 ,成本低 ,易摻雜改性等優(yōu)點 ， 而被認為是一種理想的光催化材料 ,從而得到了廣泛的研究 [813]， 從而 引起 越來越多的 研究者對半導體在光作用下能否用于污染控制的興趣 。 研究表明 ， 作為一種無毒的半導體材料 ， TiO2在光催化降解有機污染物方面的研究與應用尤為重要 。 目前對 TiO2 光催化的研究主要集中在 ： (1)TiO2固載膜的研制和性能優(yōu)化 ； (2)提高 TiO2 光催化降解效率 ； (3)將 TiO2濟南大學畢業(yè)論文 5 的 吸收光譜 移到可見光區(qū) 。 但是 TiO2在實用化過程中有 些自身的缺陷 ： (1)帶隙較寬( eV)， 只能吸收波長小于 387 nm的紫外光 ， 但是 這樣波長 的 紫外光僅占 可太陽光的 4%左右 ， 因此 TiO2對太陽光的利用率低 ； (2)光生電子 2個 空穴對壽命短 ， 光催化過程量子效率低 。 為了解決上述問題 ， 研究者們采用摻雜 金屬離子、貴金屬沉積、半導體復合等方法試圖提高其光催化效率 ， 并取得了較大的進展 [20]。 從 20世紀 70年代初期 開始 ， 國 內(nèi) 外許多學者 開展這方面的研究 。 1976年 ， G. H. Cary報道了 TiO2水濁液在近紫外光的 照射下可使多氯聯(lián)笨脫氯 ， 注意到 TiO2水體系在光照條件下可非選擇性氧化 (降解 )各類有機物 ， 并使之徹底礦化 ， 生成 CO2和 H2O。同年 S. N. Frank等研究了多晶電極 /氙燈作用下對二苯酚、 I、 Br、 Cl、 Fe2+、 Ce3+、 CN的光解 [13]和用粉末來催化光解水中污染物取得了滿意的結(jié)果 [14]。 S. N. Frank等 [15]。在1977年又用 TiO ZnO、 CdS、 Fe2O WO3等多種催化劑在氙作光源情況下 ， 對 CN和 SO3進行光解研究 ,結(jié)果 TiO ZnO、 CdS能有效催化氧化 CN為 CNO； TiO ZnO、CdS和 Fe2O3能有效催化氧化 SO32為 SO42。 80年代中期 ， 我國學者 開 始 了 對 半導體光催化的研究 。 研究證實 ,烴類和多環(huán)芳烴、染料、農(nóng)藥和氰化物等 有機物 都能 在 光催化反應 中 得到有效去除 ,脫色、去毒、礦化為無毒無機小分子物質(zhì) ， 從而消除對環(huán)境的污染 。 而且 ， 國外研究者也開展了 對半導體光催化諸多方面的問題深入研究 ,主要 包括 ： 半導體光催化材料的篩選和制備 ，半導體光催化活性產(chǎn)生的機制及所產(chǎn)生的活性種 ， TiO2光催化劑固定化及尺寸量子化 ， 半導體光催化礦化各種有機物的機理和各種形式的半導體光催化 反應器等 。目前已研究過的半導體光催化劑有 ： TiO ZnO、 CdS、 Fe2O WO ZnS、 SnO2等 。 尤以 TiO CdS催化活性最強 ， 但 CdS在光照條件下自身不穩(wěn)定 ， 易發(fā)生化學或光化學腐蝕 ， 而 TiO2的化學性質(zhì)比較穩(wěn)定且成本低、無毒、催化活性高、氧化能力強 ,所以最為常用 。 但 TiO2吸收的太陽能僅占總太陽能光強的 4%， 對太陽光的利用率低。所以 ， 圍繞 TiO2改性、提高太陽能的轉(zhuǎn)化率、改進光催化方法和光反應器、提高光催化效率 等技術(shù) ， 成為目前半導體光催化方法應用于污染控制的諸多研究中最活躍的領域 。 最近 ， 利用 高穩(wěn)定染料修飾納米 TiO2， 給納米光催化技術(shù)的基礎研究和開發(fā)應用注入了新的活力 。 使敏化的 TiO2納米光催化拓展到可見光成為近年國際上最活躍的研究領域之一 。 存在的問題 光催化氧化技術(shù)是一種高級氧化技術(shù) ， 利用太陽光引發(fā)光催化過程達到降解污染物的目的 ， 近年來在有機污染物處理的領域里得到廣泛應用 。 在諸多半導體光催化材料中 ， TiO2 以其價廉、無毒、氧化能力強和化學穩(wěn)定性好、無二次污染而在污水處理、空氣凈化、殺菌消毒及制備具自潔抗菌等功能的新型材料方面 [13]有著廣闊的應用前景 ， 成為國內(nèi)外研究的熱點 。 TiO2 在光的作用下 ， 可產(chǎn)生具有其強氧化能力的羥濟南大學畢業(yè)論文 6 基自由基 HO， 最終使水中的有機污染物完全氧化 ， 生成 CO H2O 及其它一些無機離子 [18]。 TiO2 光催化降解現(xiàn)在還基本上停留在實驗室水平 ， 實際應用很少。這主要因為：雖然 TiO2 相對其他半導體光催化劑如 CdS、 ZnO 等而言 ， 具有較高的活性 ，但由 于 TiO2 半導體的能帶較寬 ( E = 312eV)， 對太陽光的利用率較低 （僅為太陽光的4%） ， 并且 TiO2 光生電子 空穴對的復合概率較高 ， 降低了其量子效率 ， 在降解污染物的過程中存在著光活性不高 ， 降解率低的問題 ， 從而 阻礙了其在可見光催化降解中的實際應用。 研究的目的及意義 研究目的 環(huán)境保護 越來越成為 人們關心的熱點問題，其中與人類生存最密切的問題是水的問題，水是一切生命之根源。早在 1972 年，聯(lián)合國就發(fā)出警告：水，將導致嚴重的社會危機 [15]。隨著工業(yè)的高速發(fā)展和城市建設的加速，產(chǎn)生了大量的工業(yè)污水和城市污水，由于污水處理率低， 尤其是對含有毒有機污染物的廢水，采用常規(guī)、傳統(tǒng)的降解處理方法 無法 達到無毒無害的標準 。這樣的高濃度有機 污水直接排入水體，致 使大量的自然水域和城市地下水源被污染，導致水源水質(zhì)明顯惡化 ，不 僅 使水體的功能退化，降低了使用價值，而且加重了水的短缺。水資源的可持續(xù)利用是所有自然資源可持續(xù)開發(fā)利用的重要一環(huán)。探求有效的降解方法和技術(shù)是人們關注的問題。 研究意義 人們經(jīng)過長期努力，已經(jīng)建立了許多凈化處理廢水的技術(shù)方法，并已廣泛應用于實際的廢水處理工程中，這些技術(shù)方法通?？梢苑譃槲锢矸?、化學法、物化法、生 化法等 。 隨著經(jīng)濟的發(fā)展，廢水成分的復雜性給 傳統(tǒng)的處理方法 提出了新的挑戰(zhàn)。 常用的技術(shù)方法各有自身的優(yōu)點， 但 同時也 暴露出很多無法逾越的經(jīng)濟，技術(shù)瓶頸 。 如有的技術(shù)方法對難降解污染物凈化不徹底、處 理速度慢 、處理效率低； 有的可能造成二次污染 ，對于水體的再凈化增加了困難； 有的設備投資大、處理費用高等。隨著國家推進削減主要污染物排放總量工作的開展以及逐步提高污染物排放標準，現(xiàn)有的技術(shù)方法難以滿足更高的要求，因此有必要探索更加經(jīng)濟有效、便于推廣應用的新技術(shù)。光催化氧化技術(shù)是一種高級氧化技術(shù) ， 利用太陽光引發(fā)光催化過程達到降解污染物的目的 ， 近年來在有機污染物處理的領域里得到廣泛應用 。本文 以二氧化鈦的摻雜為目的降解金橙Ⅱ為模型，研究最佳的摻雜量和制備條件。 濟南大學畢業(yè)論文 7 2 實驗部分 主要實驗試劑及儀器 表 1 主要藥品一覽表 試劑名稱 純度 產(chǎn)地 硫酸鈦 化學純 中國醫(yī)藥（集團）上海化學試劑公司 硝酸鎳 分析純 天津市大茂化學試劑廠 氫氧化鈉 分析純 萊陽市康德化工有限公司 碳酸鈉 分析純 天津市永大化學試劑開發(fā)中心 表 2 主要儀器及設備一覽表 儀器及設備名稱 型號 產(chǎn)地 紫外線燈 GZ500 上海亞明燈泡廠 臺式離心機 TGL16C 上海安亭科學儀器廠 磁 力 加熱攪拌器 781 常州博遠實驗分析儀器廠 加熱器 DK 山東 鄄 城新華電熱儀器廠 可見光 分光光度計 722E 上海光譜儀器有 限公司 試驗方法 試液配制 （ 1） 稱取 Ti（ SO4） 2 、 Ni(NO3) 、 NaOH 、 Na2CO3 。 將 Ti（ SO4） 2 和 Ni(NO3) 混合溶解在 50ml水， NaOH 和 Na2CO3 混合溶解在 30ml 水。將 NaOH 和 Na2CO3 混合溶液慢慢滴加在不斷攪拌的 Ti（ SO4） 2 和Ni(NO3) 混合溶液中。在常壓下回流 6 個小時，過濾取濾渣在 70℃ 的干燥箱干燥 12 小時。分別在 400℃、 500℃、 600℃、 700℃ 下煅燒。 （ 2） 稱取 Ti（ SO4） 2 、 Ni(NO3) 、 NaOH 、 Na2CO3 。將 Ti（ SO4） 2 和 Ni(NO3) 混