基于提高降解速率和量子產(chǎn)率的環(huán)境光催化技術(shù)研究及反應(yīng)器設(shè)計(jì).pdf

1、非均相光催化已作為一種高級(jí)氧化過程展現(xiàn)在人們面前。納米二氧化鈦幾乎可以降解所有的有機(jī)污染物，并有望利用太陽(yáng)光。因此，基于鈉米二氧化鈦的環(huán)境光催化是一種頗有前景的環(huán)境治理技術(shù)，該領(lǐng)域正成為研究的“熱點(diǎn)”而引起廣泛關(guān)注。然而環(huán)境光催化的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還極為有限，究其原因：主要是相對(duì)較低的降解速率和量子產(chǎn)率，以及近紫外光能量(λ<380nm)的需求。 本文圍繞“提高降解速率和量子產(chǎn)率”的目標(biāo)，主要研究了兩個(gè)有價(jià)值的反應(yīng)體系；建立了基于相鄰

2、活性位雙分子表面反應(yīng)的非均相動(dòng)力學(xué)模型和基于柱狀發(fā)光體的輻射傳遞模型；應(yīng)用模型分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，考察和比較了三種不同構(gòu)型的光催化反應(yīng)器；進(jìn)行了實(shí)際的反應(yīng)器成套裝置設(shè)計(jì)。主要研究工作如下： 在TiO<,2>-Na<,2>S<,2>O<,8>-苯酚反應(yīng)體系中，當(dāng)Na<,2>S<,2>O<,8>的初始濃度小于500 mg·l<,-1>時(shí)，苯酚的降解速率隨著Na<,2>S<,2>O<,8>初始濃度的降低，而急劇下降。過硫酸鹽作為電子受體，

3、抑制了電子/空穴的復(fù)合，起到了促進(jìn)苯酚的降解的協(xié)同作用。然而，當(dāng)Na<,2>S<,2>O<,8>初始濃度大于500mg·l<'-1>時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)性吸附起關(guān)鍵作用，過多的過硫酸鹽將嚴(yán)重影響到苯酚的吸附，反而不利于苯酚的降解。當(dāng)Na<,2>S<,2>O<,8>初始濃度為500mg·l<'-1>時(shí)，可觀察到苯酚的降解速率達(dá)到最大。 開發(fā)了基于相鄰活性位雙分子表面反應(yīng)的非均相動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)苯酚和過硫酸鈉在固體催化劑表面活性位上發(fā)生的光催化

4、降解反應(yīng)，通過模型判別確定了關(guān)鍵控制步驟，運(yùn)用多元非線性回歸的方法進(jìn)行了參數(shù)估計(jì)和顯著性檢驗(yàn)，由回歸系數(shù)求得反應(yīng)速率常數(shù)與吸附平衡常數(shù)，并最終得出由反應(yīng)物苯酚與過硫酸鹽初始濃度表示的本征速度方程，即苯酚初始降解速率方程。 在溫和條件下制備了TiO<,2>溶膠，并將其負(fù)載在粉狀活性炭(AC)上，形成TiO<,2>-AC復(fù)合催化劑，TiO<,2>粒徑較小，分散性好，在活性炭表面和孔系內(nèi)都負(fù)載有二氧化鈦，鈦元素高達(dá)40.34wt％。

5、在復(fù)合TiO<,2>sol/AC-苯酚體系中，相同條件下降解速率大于純TiO<,2>sol顆粒與純活性炭降解速率之和，表現(xiàn)出高的協(xié)同效應(yīng)。與機(jī)械混合的P25-TiO<,2>/AC相對(duì)照，復(fù)合TiO<,2>sol/AC降解苯酚的速率要高得多，可能的原因是TiO<,2>sol與AC之間的吸附力較強(qiáng)，吸附態(tài)苯酚進(jìn)行界面轉(zhuǎn)移相對(duì)也較容易。通過設(shè)計(jì)的脫附試驗(yàn)表明；紫外輻照后，復(fù)合催化劑上不會(huì)產(chǎn)生苯酚累積性吸附。 建立了基于柱狀發(fā)光體的輻射

6、傳遞模型，利用該模型可求得局域光子吸附體積速率(LVRPA)以及光子吸收速率的體積均值(VRPA)。并針對(duì)三種不同構(gòu)型，以苯酚為對(duì)象污染物的反應(yīng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，以求得反應(yīng)器系統(tǒng)降解速率和量子產(chǎn)率。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。同時(shí)，該模型可以為反應(yīng)器設(shè)計(jì)和構(gòu)型選擇提供指導(dǎo)，初步分析表明，復(fù)合催化劑固定相是一種新型的反應(yīng)器構(gòu)型，其降解速率和量子產(chǎn)率要優(yōu)于傳統(tǒng)的其它三種反應(yīng)器構(gòu)型。設(shè)計(jì)出實(shí)際的光催化反應(yīng)器，包括耦合微孔過濾的光催化降解成套裝置