纳米颗粒原位植入法制备改性超滤膜及其抗生物污染性能研究

选取氧化铝分散体(Al2O3)、Linde A型沸石(LTA)、Linde L型沸石(LTL)和X型八面沸石(FAU-X)4种纳米颗粒,采用原位植入的方法对超滤膜进行表面改性,以提高聚砜超滤膜的抗生物污染性能.通过扫描电子显微镜、接触角测定、抗生物污染性能测试等方法来表征改性前后膜结构和性能的变化.结果表明,纳米颗粒在膜表面的原位植入具有其可行性,该方法只改变超滤膜的表面形貌,对断面和底面的结构没有影响;纳米颗粒原位植入法改性后,超滤膜的亲水性有显著提高.就抗生物污染性能而言,纳米颗粒的植入提高了膜的抗粘附性能,在纳米颗粒覆盖的区域没有大肠杆菌粘附生长;在这4种膜中,UF-LTA和UF-LTL膜的抗粘附性能优于UF-Al2O3和UF-FAU-X膜.相较而言,LTA型沸石在膜表面分散效果良好,原位植入后显著改善了膜的亲水性并且表现出较好的抗粘附性能,可作为理想的材料用于下一步研究.但LTA型沸石的抗水流剪切的能力较弱,要想提高该种纳米颗粒在膜表面的结合牢固性,应考虑减小颗粒的粒径.     

SiO2纳米颗粒内嵌强化介孔TiO2单晶光催化降解盐酸四环素

吸附性能和光生载流子的分离效率是决定光催化降解抗生素的主要因素.为提高介孔TiO_2单晶(MSCs)的吸附性能和光生载流子的分离效率,在MSCs内部构建SiO_2纳米颗粒吸附结构.同时,利用表面光电压谱、氮气等温吸附-脱附、X射线衍射等研究其结构特性.最后,以盐酸四环素为抗生素代表,通过控制SiO_2纳米颗粒比表面积,考察SiO_2对复合材料吸附及光催化性能的影响.结果表明,SiO_2纳米颗粒与TiO_2单晶复合显著提高了材料的吸附性能,表面保护蚀刻进一步提升了材料的比表面积.实验条件下,高比表面积SiO_2-TiO_2单晶复合材料(KSiO_2@TiO_2)对盐酸四环素的平衡吸附量、降解效率、降解速率常数和矿化率分别达到了0.96 mg·g-1、90.2%、0.0079 min-1、54.4%,分别是MSCs的4.4、1.5、2.6和3.1倍.副产物分析表明,SiO_2复合介孔单晶材料更易将盐酸四环素降解为小分子物质.     

纳米TiO2催化燃烧固硫的实验研究

通过纳米TiO₂催化CaO燃烧后粉煤灰的成分分析和燃烧烟气中SO₂含量的测定确定固硫效果,探讨了纳米TiO₂添加量、Ca/S摩尔比、不同条件制备的纳米TiO₂及燃烧温度对分析纯CaO固硫的影响,比较了纳米TiO₂对不同煤种以及不同钙基固硫剂的固硫效果,并对反应产物进行了X射线衍射和扫描电镜分析.结果表明,纳米TiO₂与CaO共同作用时,纳米TiO₂最佳的添加量为8%;在Ca/S摩尔比为2、燃烧温度为850℃时纳米TiO₂催化分析纯和工业纯CaO固硫效率达87.8%和60.3%,比不添加纳米TiO₂时增加13.4%和29.6%.纳米TiO₂对不同煤种燃烧时CaO固硫有较好地催化作用,能够促进SO₂转化成SO₃的本征反应,同时增加煤灰的孔尺寸,促进二氧化硫的扩散从而提高CaO的固硫效果.     

硅藻土基纳米TiO2降解甲醛的实验研究

对比研究了硅藻土和硅藻土基纳米二氧化钛光催化剂对甲醛的吸附降解特点.通过改变反应器内甲醛的初始浓度、反应温度、光照强度和相对湿度,研究了涂覆量为62.5 g·m^-2的硅藻土基纳米TiO₂光催化剂对甲醛气体的降解效果.研究结果表明,硅藻土只对甲醛有一定的吸附作用,而硅藻土基纳米TiO₂对甲醛具有持续的吸附和降解作用.反应器内甲醛初始浓度越高,降解时间越长;初始浓度为6.0×10^-3 mg·L^-1的甲醛气体,经过150 h降解率才能达到99%以上,而初始浓度为2.0×10^-3 mg·L^-1和4.0×10^-3 mg·L^-1的甲醛气体分别在14 h和32 h内就可以达到相同的降解率.反应温度越高,硅藻土基纳米TiO₂降解甲醛所需要时间越短;15 ℃时将初始浓度为2.0×10^-3 mg·L^-1的甲醛完全降解需要50 h,而45 ℃时仅需12 h.光照是硅藻土基纳米TiO₂降解甲醛的直接动力,光照强度为0时,甲醛几乎不能被降解,只被硅藻土基纳米TiO₂光催化剂吸附;在8100 lx的照度下,浓度为2.0×10^-3 mg·L^-1的甲醛在14 h内能被完全降解.环境相对湿度越大,该催化剂对甲醛的降解越彻底;相对湿度50%时, 硅藻土基纳米TiO₂光催化剂14 h内能将2.0×10^-3 mg·L^-1的甲醛降解到3.72×10^-5 mg·L^-1,在相对湿度80%时,甲醛能被降解到1.0×10^-5 mg·L^-1.     

纳米TiO2吸附HgCl2水溶液中Hg(Ⅱ)

通过室内模拟实验研究了3种不同粒径TiO_2添加量、溶液pH、吸附时间及初始Hg~(2+)浓度等因素对模拟废水中Hg(Ⅱ)吸附效果的影响.由单因素研究可知最优条件为:5 nm TiO_2和100 nm TiO_2添加量分别为7.5 g·L~(-1)和2.0 g·L~(-1),其它条件相同,溶液pH为8.0,初始Hg~(2+)浓度均为15 mg·L~(-1),吸附5 min,汞的去除率分别为99.5%和99.3%;25 nm TiO_2添加量为10 g·L~(-1),溶液pH为8.0,初始Hg~(2+)浓度为15 mg·L~(-1),吸附60 min时,汞的去除率为62.8%.3种粒径TiO_2吸附Hg(Ⅱ)强弱顺序为:100 nm TiO_25 nm TiO_225 nm TiO_2.分两次量吸附结果表明,5nm TiO_2分量吸附效果明显优于单独吸附效果;100 nm TiO_2的分量吸附与单独吸附差异不大.正交试验结果表明,影响Hg(Ⅱ)去除率的因素排序为:溶液pH初始Hg~(2+)浓度吸附时间TiO_2添加量.最优实验方案为:溶液pH=8.0,100 nm TiO_2添加量为2.0 g·L~(-1),初始Hg~(2+)浓度为25 mg·L~(-1),吸附10 min.在此实验条件下,Hg(Ⅱ)去除率为99.9%,吸附后溶液中Hg(Ⅱ)平衡浓度为0.033 mg·L~(-1)0.05mg·L~(-1),低于目前企业规定的水污染物中汞的排放限值,Hg(Ⅱ)的最大吸附量为26.95 mg·g~(-1).吸附等温线符合Langmuir等温方程,说明100 nm TiO_2对Hg(Ⅱ)的吸附是典型的单分子层吸附.     

硼掺杂CeO2/TiO2光催化剂的制备及其活性研究

在三氯化钛和钛酸丁酯水解过程中引入硼酸、硝酸铈,制备了具有可见光活性的硼(B)掺杂CeO₂/TiO₂复合氧化物光催化剂,采用XRD、DRS、XPS等手段进行表征,以偶氮染料酸性红B为模型污染物评估了催化活性.结果表明,硝酸铈加入量影响催化剂的吸收带边,随用量增加,吸收带边红移至481nm(Ce/Ti=1.0,摩尔比),继续增加用量,吸收带边轻微蓝移.催化剂晶相组成与焙烧温度有关,500℃时焙烧样品主要由立方晶型CeO₂和锐钛矿TiO₂组成,焙烧温度高于700℃时,TiO₂转化为金红石型,CeO₂则无显著变化.随焙烧温度升高,催化剂吸收带边明显蓝移,综合考虑催化剂稳定性和太阳能利用,认为500℃焙烧较为合适.B1s XPS显示仅有少量B原子进入复合氧化物晶格取代了氧原子,主要以B₂O₃形式存在.酸性红B降解试验显示B掺杂CeO₂/TiO₂可以提高TiO₂的催化活性,紫外光辐射10min最高可使96.0%的酸性红B分解,且反应彻底,表现出较强的氧化能力,但Ce/Ti>0.5(摩尔比)时催化活性显著下降.     

长期暴露下纳米TiO2对厌氧颗粒污泥体系稳定性的影响

以厌氧颗粒污泥为研究对象,通过静态试验和连续流厌氧反应器,重点研究了长期暴露下纳米TiO_2在对厌氧产甲烷体系的影响及其在颗粒污泥中的归趋.结果表明,短期急性暴露于150 mg·g-1(以VSS计)的纳米TiO_2尽管会暂时减缓产甲烷速率,但产酸阶段及产甲烷阶段代谢产物总量不会明显受到影响,纳米TiO_2对厌氧颗粒污泥具有较低的急性毒性.反应器运行结果表明,纳米TiO_2的长期暴露可导致挥发性脂肪酸(VFAs)积累及生物气产量降低,产酸菌比产甲烷菌对纳米TiO_2的累积效应更加敏感,纳米TiO_2抑制机制可归因于"物理遮蔽"作用.出水中TiO_2的平均含量只有0.632 mg·L~(-1),绝大多数纳米TiO_2都被截留在了反应器中.FISH检测表明,厌氧颗粒污泥微生物的菌群结构有所变化,纳米TiO_2在反应器内的积累使得甲烷八叠球菌的丰度大幅增加了115.6%,其优势地位明显增强.长短期暴露试验的结果对比也说明,用短期暴露试验来说明纳米颗粒对厌氧体系的长期累积效应具有一定局限性,纳米TiO_2对厌氧颗粒污泥中微生物的负面影响需要较长时间的积累才会显现.本研究结果可为厌氧污水处理体系中纳米颗粒的潜在生态风险评价提供理论支持和参考依据.     

煅烧结合光辐照提高纳米AgI/TiO2的可见光响应

为提高AgI/TiO₂的可见光响应能力,采用煅烧结合光辐照的工艺对其进行改性.紫外-可见光吸收分析表明,改性AgI/TiO₂的敏感光谱范围覆盖了整个可见区,吸收边带从465 nm红移至800 nm,在500 nm处的吸光度提高了近3倍.X-射线衍射分析结果指出,煅烧提高了金红石型TiO₂的相对含量,导致禁带宽度从2.89 eV降到2.81 eV,氙灯辐照进一步增加了锐钛型TiO₂、金红石型TiO₂和AgI的相对含量,并生成了新的晶体AgCl,使其禁带宽度又降至1.55 eV左右.AgCl的产生、AgI和金红石型TiO₂相对含量的增加是降低改性材料禁带宽度和增强可见光响应能力的主要原因.研究还表明,只有煅烧后的AgI/TiO₂才能通过光辐照来拓宽可见光敏感范围,而且,光辐照中起作用的主要是紫外光,可见光的作用甚小.研究最后提出将2种或2种以上的卤化银负载在纳米TiO₂上,更能有效地增强TiO₂的可见光响应能力.     

臭氧/纳米TiO2催化氧化去除水中微量硝基苯的研究

在悬浮颗粒搅拌混合反应器中,研究了臭氧/纳米TiO₂催化氧化去除水中微量硝基苯的性能,结果表明,纳米TiO₂催化臭氧化去除硝基苯较单独臭氧氧化有明显的提高,反应20min硝基苯的去除率提高了44%.实验中分别考察了纳米TiO₂热处理温度、催化剂投量、臭氧投量、硝基苯初始浓度、pH值对臭氧/纳米TiO₂催化氧化去除硝基苯的影响.发现550℃烧结得到的纳米TiO₂表现出最好的催化臭氧化活性,在较低的臭氧投量与催化剂用量条件下,硝基苯的去除率可达到56.57%;增大臭氧或者硝基苯的初始浓度,硝基苯的去除率随之提高;但是改变催化剂投量,硝基苯的去除效果几乎不受影响;中性或碱性pH环境利于纳米TiO₂催化臭氧化反应的进行.通过研究叔丁醇对纳米TiO₂催化臭氧化反应的影响,证明反应遵循羟基自由基(·OH)反应机理.     

BiOCl/TiO2的氯化改性及其新式光生自由基催化反应

采用溶胶凝胶法制备了BiOCl/TiO₂复合催化剂,透射电镜（TEM）照片显示,两种半导体分布均匀、相互连接,形成的异质结可以为电子传导提供有效通道.经过氯化处理的复合材料具备更强的光催化能力,在紫外光条件下对苯的降解率达到90%,是原BiOCl/TiO₂的2倍、纯TiO₂的10倍.本文利用X射线光电子能谱、红外光谱和电子顺磁共振,对表面氯化的机理进行研究.结果表明,氯元素以Ti—Cl的方式吸附在催化剂表面,在光照条件下光生空穴夺取一个电子,使其生成氯自由基,进而配合超氧、羟基,构成一种新型的三自由基光催化体系,使催化降解能力大幅提升.最后,利用实验方法得到了光生氯自由基的直接证据,并构建了该体系的光催化反应机理.     

FeTiO3/TiO2纳米异质结的制备和可见光催化性能

采用水热法和溶胶凝胶法制备了新型FeTiO3/TiO2纳米异质结复合材料,并明确了最优的掺杂比例(0.5%).随后利用X射线衍射能谱(XRD)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等手段对该复合材料进行表征,证实了其结晶度、吸光度随掺杂量的规律性变化.电镜照片显示,该复合材料具有蓬松多孔的微观结构,且晶格条纹清晰、分散度高,有利于光电子的传导.对苯的降解实验表明,相比于纯TiO2,该催化剂的气相可见光催化能力大幅提高,降解率提升了3倍,达到40%,而CO2生成量提升了5倍,超过300 ppm.同时,电化学测试和电子顺磁共振谱(ESR)等均证实,FeTiO3的窄能带能够提高TiO2的光响应,实现可见光激发;而二者的能带相互匹配,有助于转移光生载流子,实现电子-空穴的高效分离,进而其光生电子和自由基生成能力大幅增强,因此,表现出了较强、较稳定的光催化活性.     

PbO2/TiO2-NT/Ti电极的制备及电催化性能研究

采用阳极氧化法制备了TiO_2纳米管(TiO_2-NT),研究了阳极氧化时间对TiO_2-NT形貌与结构的影响.结果表明,氧化时间为180 min时,TiO_2-NT排列紧密,管口形状接近圆形,管径为93 nm左右.以TiO_2-NT为底层采用电沉积法制备PbO_2/TiO_2-NT/Ti电极,PbO_2/TiO_2-NT/Ti电极与传统PbO_2/SnO_2-Sb2O3/Ti电极形貌、结构、电化学性能、使用寿命对比分析结果表明,与PbO_2/SnO_2-Sb2O3/Ti电极相比,PbO_2/TiO_2-NT/Ti电极具有较小的晶粒尺寸、较高的催化氧化活性和较长的使用寿命.     

基于ZrO2/TiO2催化H2O2氧化低温脱硝的实验研究

以纳米TiO_2为载体,采用等体积浸渍法掺杂过渡金属氧化物ZrO_2进行改性,制备了一系列ZrO_2/TiO_2催化剂,以催化H_2O_2低温氧化NO脱硝,并采用X射线衍射(XRD)、H_2程序升温还原(H_2-TPR)、O_2程序升温氧化(O_2-TPO)、X射线光电子能谱(XPS)及电子顺磁共振(EPR)等表征分析探究了影响H_2O_2脱硝活性的因素.表征结果表明ZrO_2的负载量会影响催化剂中晶格氧的含量,晶格氧相对含量的增加有利于氧化还原反应中的电子传递,这是促进H_2O_2活化分解的关键.在微观表征的基础上,通过实验研究筛选获得了催化剂的最佳ZrO_2负载量,同时对比考察了非催化和纳米TiO_2催化作用下的H_2O_2氧化低温脱硝性能;针对获取的最优催化剂,进一步考察了不同烟气工况对催化剂活性的影响.实验结果表明,ZrO_2/TiO_2催化剂能有效促进H_2O_2的活化分解实现低温脱硝,且ZrO_2负载量为4%(质量分数)时,催化活性最高;在烟温为160℃、[H_2O_2]/[NO]物质的量比为2及空速为30000 h~(-1)时,NO转化率最高可达81%.     

V2O5/TiO2催化剂中毒机理的试验研究

选择性催化还原(SCR)催化剂是SCR烟气脱硝技术的核心,是整个SCR系统脱硝效率和经济性的决定因素.本文工作的主要研究思路是以钒钛SCR催化剂为研究对象,研究了H2O和SO2,以及相同含量下K、Na、Ca、Pb的氧化物对钒钛催化剂NO转化率的影响.H2O的存在会抑制V2O5/TiO2催化剂脱硝活性,而SO2在一定程度上促进(V2O5/TiO2)催化剂的SCR脱硝反应,提高NO转化率;碱金属K对钒钛催化剂的钝化作用都是最强,K2O和Na2O的掺入会抑制钒钛催化剂上V2O5的还原能力,而CaO和PbO的掺入对钒钛催化剂上V2O5的还原能力影响较小.     

Fe2O3/TiO2负载膨胀珍珠岩光催化降解罗丹明B

为获得高效催化活性的光催化材料,研究不同煅烧氛围对材料在可见光下催化性能的影响,以膨胀珍珠岩（EP）为载体,采用溶胶-凝胶法,在不同煅烧氛围（O₂和/或NH₃）下制备Fe₂O₃/TiO₂负载EP的光催化复合材料〔Fe₂O₃-TEP（O₂）、Fe₂O₃-TEP（NH₃）、Fe₂O₃-TEP（O₂,NH₃）、Fe₂O₃-TEP（NH₃,O₂）〕,采用EDS（X-射线色散能谱）、BET（比表面积及孔径分析）、XRD（X射线衍射）、SEM（扫描电子显微镜）、XPS（X射线光电子能谱）等对复合材料进行表征,并研究了其在可见光下对罗丹明B的光催化降解效果.结果表明:①复合材料成功负载了Ti、Fe元素,负载的TiO₂以锐钛矿型存在,Fe₂O₃的掺杂增强了TiO₂对可见光的响应能力;②不同的煅烧氛围明显影响复合材料的晶粒尺寸、比表面积和光催化性能,其中,Fe₂O₃-TEP（O₂,NH₃）的光催化性能最好,4 h后罗丹明B降解率达到87.59%,Fe₂O₃-TEP（NH₃,O₂）、Fe₂O₃-TEP（O₂）和Fe₂O₃-TEP（NH₃）4 h后对罗丹明B的降解率则分别为65.02%、62.48%和47.48%;③在试验条件下,复合材料的光催化反应符合一阶反应动力学方程,Fe₂O₃-TEP（O₂,NH₃）、Fe₂O₃-TEP（NH₃,O₂）、Fe₂O₃-TEP（O₂）和Fe₂O₃-TEP（NH₃）相应的降解速率常数分别为0.008 3、0.004 3、0.004 3和0.002 7 min-1.研究显示,通过溶胶-凝胶法所制备的复合材料（Fe₂O₃-TEP）经煅烧后所得矿相均一;Fe₂O₃掺杂TiO₂可形成Ti—O—Fe键,减小TiO₂固有的禁带宽度;复合材料光催化性能也受到煅烧氛围的影响,先O₂后NH₃煅烧条件下所得材料的光催化性能最佳.      

TiO2-石墨烯（Gn）复合材料光催化降解O3研究

通过改性Hummer法及溶胶凝胶法,制备出TiO2-石墨烯光催化复合材料.经吸附-光催化活性实验选出光催化活性最高的含C量为1.5%(质量分数)的TiO2-石墨烯复合材料,并在自行设计的模拟大型客机环境的气相光催化反应器中,进行O3光催化降解实验研究.结果表明,TiO2-石墨烯复合光催化材料在较短时间内对O3有较高的降解效率,且其光催化活性显著优于纯TiO2材料.初始O3浓度为(0.150～0.200)×10-6时,复合光催化剂受紫外光激发60 min的光催化降解率为66.12%,初始O3浓度为(0.950～1.000)×10-6时,其光催化降解率约为77%,较低浓度时((0.100～0.150)×10-6),O3去除率也能达到45.45%.此外,通过探讨光催化材料的重复使用性能,表明复合光催化剂重复使用4次以内,其对O3的光催化降解率保持基本稳定.     

负载型Mn-Co/TiO2催化剂的制备及其低温NH3选择催化还原NO

采用浸渍法制备了一系列以成型TiO2为载体的Mn-Co/TiO2低温SCR催化剂,研究分析了活性组分担载量、Mn含量、焙烧温度、焙烧时间等制备参数和进口NO浓度、空速、O2体积分数、NH3/N2摩尔比等操作条件对催化剂脱硝反应活性的影响.结果表明:活性组分担载量为30%,Mn/(Mn+Co)摩尔比为80%,在500℃下焙烧6 h得到的Mn-Co/TiO2催化剂具有较高的NO转化率;在进口NO浓度为600×10-6、O2体积分数6%、空速10000 h-1、150℃条件下,NO脱除率接近100%.