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TiO2-ZrO2复合膜的溶胶-凝胶法制备及光催化性能研究

发布时间:2020-01-19 浏览次数:1

近年来,有机污染废水(染料废水、含油废水等)对环境的污染越来越严重,对人类的生活和生命构成了严重威胁。因此,对有机污染废水进行处理和净化。在处理和净化有机污染废水的诸多工艺技术中,Ti2光催化法以其良好的光催化性能、稳定的物理/化学性能以及等优点引起越来越广泛的重视〔1〕。但Ti2存在量子效率低、禁带宽度大、回收难度高等缺陷〔2, 3〕。

根据半导体复合理论,当将2种半导体进行复合时,由于两者之间的能级差可以使光载流子在2种半导体之间转移,可降低电子与空穴之间的复合率〔4〕。由此,本研究提出通过溶胶-凝胶法,将Ti2与ZrO2 2种半导体进行复合制备成Ti2-ZrO2无机复合膜,这样既可以提高Ti2的光催化效率,又能有效地解决Ti2的回收难题。

1.1 Ti2-ZrO2无机复合膜的制备

基片预处理:首先将石英玻璃基片放入碱性洗液中充分洗涤,然后用清水冲洗,再分别用无水乙醇和去离子水声清洗数次,晾干,放入干燥箱中备用。

Ti2溶胶的制备:采用分步水解法,在磁力搅拌下,将无水乙醇、Ti(OBu)4、去离子水以及HCl按照物质的量比为25∶1∶4∶0.75逐滴加入到25 mL的烧杯中,并加入少量乙酰丙酮抑制Ti(OBu)4水解,搅拌4 h,然后在室温下陈化24 h.

ZrO2溶胶的制备:将12.88 g ZrOCl2·8H2O加入到25 mL无水乙醇中,在室温下机械搅拌30 min,然后加热到85 ℃并保持20 min,冷却至室温,即得到透明溶胶。

混合溶胶的制备:在磁力搅拌下将Ti2溶胶与ZrO2溶胶按照物质的量比为5∶1在50 mL的烧杯中进行混合,持续搅拌1 h. Ti2-ZrO2无机复合膜的制备:利用提拉法,在2.0 mm/s的提拉速度下,将混合溶胶涂覆在预处理好的石英玻璃基片(50 mm×50 mm)上。涂覆完毕后,置于烘箱中,在80 ℃下干燥12 h,然后在管式电阻炉中以3 ℃/min的升温速率升至500 ℃,恒温2 h,即得到Ti2-ZrO2无机复合膜。

1.2 光催化反应

取100 mL质量浓度为15 mg/L的甲基橙溶液加入到自制的光催化反应器中。控制反应温度为(30±1) ℃,将负载着无机膜的石英玻璃基片放入到100 mL甲基橙溶液中。以高压汞灯(200 W,λ=365 nm,北京电光源研究所)为紫外光源,进行光催化实验。在相同时间间隔内取5 mL试验溶液,用SP-752型紫外-可见分光光度计在460 nm处〔5〕测其吸光度,进而计算甲基橙的光催化降解率。

2 结果与讨论

2.1 Ti2薄膜与Ti2-ZrO2薄膜的FT-IR分析

利用Nexus 470型红外光谱测试仪对Ti2薄膜与Ti2-ZrO2薄膜进行红外光谱测试,结果如图 1所示。

 图 1 Ti2薄膜与Ti2-ZrO2薄膜的FT-IR

由图 1可以看出,对于Ti2薄膜,在606 cm-1处的吸收峰属于Ti-O键的振动吸收峰〔6, 7, 8〕。对于Ti2-ZrO2薄膜,在470 cm-1处的吸收峰属于 Zr-O-Zr伸缩振动峰〔9〕;由于ZrO2的加入,Ti-O键的振动吸收峰发生了偏移,位于647 cm-1处〔6, 7, 8〕。 1 630 cm-1处的吸收峰属于H2O分子的弯曲振动峰〔10〕,这可能是因为无机膜吸收了空气中的水分。 2 337 cm-1处的吸收峰属于空气中CO2的特征吸收峰〔11〕。由FT-IR结果可知,Ti2与ZrO2被成功地制备成无机复合膜。

2.2 Ti2薄膜与Ti2-ZrO2薄膜的断面SEM分析

使用JEM-2100F型扫描电子显微镜对Ti2薄膜以及Ti2-ZrO2薄膜的断面进行了考察,结果如图 2所示。

  
图 2 Ti2薄膜与Ti2-ZrO2薄膜的断面SEM
a-Ti2薄膜;b-Ti2-ZrO2薄膜。

由图 2可知,无机膜均匀地分布在石英玻璃基片上。Ti2无机薄膜的厚度为181.5 nm,而Ti2-ZrO2无机复合薄膜的厚度为213.7 nm.由此可知,用ZrO2对Ti2薄膜进行复合,会增大无机膜的厚度,增强其机械性能。

2.3 Ti2薄膜与Ti2-ZrO2薄膜的透射率分析

使用CARY500型紫外可见近红外分光光度计,于25 ℃下,在190~1 100 nm的波长范围内对Ti2薄膜以及Ti2-ZrO2薄膜进行透射率测试,结果如图 3所示。

 图 3 Ti2薄膜与Ti2-ZrO2薄膜的透射率

由图 3可知,在波长<280 nm时,两者的透射率都几乎为零;在波长为280~560 nm范围内时,Ti2-ZrO2薄膜的透射率要高于Ti2薄膜;在波长为560~740 nm范围内时,Ti2薄膜的透射率要高于Ti2-ZrO2薄膜;在波长为740~1 100 nm范围内时,Ti2-ZrO2薄膜的透射率要高于Ti2薄膜。在紫外、部分可见光、近红外波长范围内,Ti2-ZrO2薄膜的透射率要高于Ti2薄膜,这是因为在上述范围内ZrO2的透射率要高于Ti2〔12〕。

2.4 Ti2薄膜与Ti2-ZrO2薄膜的光催化性能研究

为考察所制备的无机复合膜的光催化性能,分别对不含无机膜的甲基橙溶液、含有Ti2无机膜(500 ℃煅烧)的甲基橙溶液、含有Ti2-ZrO2无机复合膜(500 ℃煅烧)的甲基橙溶液进行紫外光催化降解甲基橙的实验,结果如图 4所示。

 图 4 Ti2薄膜与Ti2-ZrO2薄膜的光催化性能

由图 4可以看出,在空白实验中,尽管不存在Ti2薄膜,但仍有的降解率,这是因为紫外灯的照射也能使甲基橙降解。在15、30、45、60、75、90 min时,Ti2无机膜(500 ℃煅烧)/Ti2-ZrO2无机复合膜(500 ℃煅烧)对甲基橙的降解率分别为17%/32%、 32%/64%、43%/78%、54%/86%、66%/91%、78%/ 95%.由光催化实验结果可知,Ti2-ZrO2无机复合膜的光催化性能明显优于Ti2无机膜。这首先是因为在365 nm 波长处,Ti2-ZrO2无机复合膜的透光性能要优于Ti2无机膜,这能多的光线参与到光催化反应中。其次是因为Ti2与ZrO2复合并煅烧后,材料内部形成了异质结构,其光化学、光物理方面的性质都发生了很大的变化。在光催化反应过程中,Ti2中的光诱导电子转移到ZrO2导带中,降低了电子-空穴的复合几率,提高了材料的电荷分离效果,从而有效地提高了Ti2的光催化性能。

3 结论

本实验通过溶胶-凝胶法与提拉法制备出Ti2-ZrO2无机复合膜。红外光谱分析结果表明,Ti2与ZrO2成功进行了复合。无机膜的断面SEM结果表明,用ZrO2对Ti2薄膜进行复合可增大无机膜的厚度,使其机械性能增强。透射率测试结果表明,Ti2-ZrO2薄膜的透光性要优于Ti2薄膜,这也有利于提高光催化性能。光催化性能实验结果表明,紫外灯对甲基橙有的降解作用,Ti2-ZrO2薄膜的光催化效果明显强于Ti2薄膜。

综上所述,通过溶胶-凝胶法将Ti2与ZrO2制备成无机复合膜后,其光催化效果得到了明显提高,而且还解决了Ti2粒子不易回收、易造成二次污染的难题。溶胶-凝胶法制备的Ti2-ZrO2无机复合膜在光催化处理水中有机污染物领域拥有广阔的应用前景。


    科技的发展日新月异,带动着除尘器的发展。因此除尘器的种类有很多。下面以布袋除尘与电除尘为例说一说他们有哪些区别?  一①布袋除尘是物理过滤,什么粉尘都能过滤,不受粉尘属性影响过滤效率。电除尘受粉尘比电阻影响较大,当灰尘的比电阻过10Λ10Ω·cm(10的10次方)电除尘器的性能就会随着比电阻的增加而降低。主要是由于比电阻过高容易形成反电晕现象,使电除尘的效率降低。②带式除尘初始投资小,但维护复杂。电除尘出手投资大,以后维护简单;③除尘效率虽说都能达到99%,但电除尘一直处于理论上能达到。布袋除尘的效率远远大于电除尘。以后布袋除尘是主流。  二原理区别:电除尘:含尘气体经过高压静电场时被电分离,尘粒与负离子结合带上负电后,趋向阳表面放电而沉积;利用静电场使气体电离从而使尘粒带电吸附到电上的收尘方法  布袋除尘:含尘气体由进气口进入灰斗或通过敞开法兰口进入滤袋室,含尘气体透过滤袋过滤为净气进入净气室,再经净气室排气口,由风机排走  三优缺点  电除尘优缺点:静电除尘器也称电除尘器,优点是:  ①适用于微粒控制,对粒径1~2μm的尘粒,效率可达98%~99%;  ②在电除尘器内,尘粒从气流中分离的能量,不是供给气流,而是直接供给尘粒的,因此,和其它的除尘器相比。电除尘器的阻力较低,仅为100-200Pa;  ③可以处理高温(在400℃以下)的气体,  ④适用于大型的工程,处理的气体量愈大,它的经济效果愈明显。  电除尘器的缺点是:  ①设备庞大,占地面积大;  ②耗用钢材多,一次投资大;  ③结构较复杂,制造、安装的精度要求高;  ④对粉尘的比电阻有要求。  布袋除尘优缺点:袋式除尘器也称过滤式除尘器,优点是:  (1)除尘效率高,一般在99%以上,可达到在除尘器出口处气体的含尘浓度为20~30m3,对亚微米粒径的细尘有较高的分级除尘效率;  (2)结构比较简单,操作维护方便;  (3)在相同的除尘效率的前提下,其造价和运行费用低于电除尘器;  (4)对粉尘特性不敏感,不受粉尘比电阻的影响;  (5)在采用玻璃纤维和某些种类的合成纤维来制作滤袋时,可在160~200℃的温度下稳定运行,有选择高性能滤料时,有些耐温可达到260℃;  (6)在用于干法脱硫系统时,可适当提高脱硫效率。  (7)处理气体量的范围大,并可处理非常高浓度的含尘气体,因此它可用作各种含尘气体的除尘器。其容量可小于至每分钟数立方米、大到每分钟数十万立方米的气流,在采用高密度的合成纤维滤袋和脉冲反冲清灰方式时,它能处理粉尘浓度过700000mg/m3的含尘气体,它既可用于尘源的通风除尘,以及对诸如水泥、碳黑、沥青、石灰、石膏、化肥等各种工艺过程中含尘气体的除尘,以减少粉尘污染物的排放。  袋式除尘器缺点是:  (1)不适于在高温状态下运行工作,当烟气中粉尘含水分重要过25%以上时,粉尘易粘袋堵袋,造成布袋清灰困难、阻力升高,过早失效损坏;  (2)与电除尘相比阻力损失稍大,一般为1000~2000Pa;  (3)当燃烧高硫烟或烟气未经脱硫等装置处理,烟气了中硫氧化物、氮氧化合物浓度很高时,除FE滤料外,其他化纤合成纤维滤料均会被腐蚀损坏,布袋寿命缩短;  (4)不能在“结露”状态下工作。  新装的布袋用不到3个月就坏了,不管除尘布袋是质量好的,质量差的,都用不了3个月,根本没有到自燃老化的时候就坏了,正常使用一年多之久,有很多的生产企业采用生物质燃料作为锅炉燃料,有采用竹子下脚料的,有用木材下脚料的,玉米稻壳桔杆的等等,由于此等生物质燃烧时在烟气收尘中,含有大量可再燃的木碳式粉尘颗粒,布袋除尘器内含碳量太高,木碳粉积热,自燃,烧掉布袋,也有可能是火星进入布袋除尘器内引起阴燃,阴燃的面积增大,导致除尘器内粉尘着火,烧坏布袋,造成生产企业的布袋烧坏。  火星烧袋的原因:  1、锅炉为6T供热蒸气锅炉,使用燃烧材料为竹子下角料(竹粉,竹片)等材料。  2、由于此工况下,通过除尘管道内的火星粉尘多,且由于锅炉原烟,锅炉烟气氧含量高,正常为10%左右(8%的情部下大部份火星熄灭)。而事实上很多锅炉达不到此参数,造成氧含量过高,使可燃物具有了有氧环境。  3、加上系统的不密封性,和布袋清灰的压缩空气,氧含量将使得火星可以在管道内自由燃烧.  4、不仅火星可以自由燃烧,除尘系统内的粉尘性质为未燃烧的竹炭粉未。竹炭粉未的特性为,可燃性材料,在温度为320度时达到着火点。积附在布袋表面的竹炭粉具有吸热的功能,使其自身充满热能,自燃烧达到烧坏布袋。  5、火星烧袋的整个过程:火星和竹炭粉同时吸附在布袋表面,部份火星吸灭,部份引起周边竹炭粉末冒烟,面积逐渐变大,在停炉和开炉时氧含量达到17%-20%很容易,这就形成了助燃,烧坏了布袋形成了必燃现象。  布袋除尘器的工作机理是含尘烟气通过过滤材料,尘粒被过滤下来,过滤材料捕集粗粒粉尘主要靠惯性碰撞作用,捕集细粒粉尘主要靠扩散和筛分作用。滤料的粉尘层也有的过滤作用。  布袋除尘器除尘效果的优劣与多种因素有关,但主要取决于滤料。布袋除尘器的滤料就是合成纤维、纤维或玻璃纤维织成的布或毡。根据需要再把布或毡缝成圆筒或扁平形滤袋。根据烟气性质,选择出适合于应用条件的滤料。通常,在烟气温度低于120℃,要求滤料具有耐酸性和耐久性的情况下,常选用涤纶绒布和涤纶针刺毡;在处理高温烟气(<250℃)时,主要选用石墨化玻璃丝布;在某些情况下,选用炭素纤维滤料等。  电除尘(雾)器内有正、负两种电,正(通常接地)一般制成管状或板状,负为导线或平行导线组。当两电上施加数万伏的高压直流电时,电间便产生不均匀电场。在导线附近的强电场区中,气体因电离而发出微光,此区称为电晕区;在距导线稍远处,电场强度减弱,不发生气体电离,因而两间不致产生电弧,从而节省了电能。电离产生的正离子向负导线移动,沿途使很小一部分尘雾带上正电荷,亦向负导线移动。电离产生的负离子被正吸引,使电晕区外空间充斥了负离子,在它向正移动的过程中,使大部分尘雾带上负电荷而向正集结,故正又称沉淀。  根据沉淀的形状,电除尘(雾)器可分为两种类型:①管式电除尘(雾)器。它以金属管和导线为电,一般用以除去酸雾或其他雾沫。②板式电除尘(雾)器(见图)。它以平板(或金属丝网)和平行导线组为电,其结构紧凑,处理能力较大,是目前应用广的一种形式。沉积于沉淀的尘粒可定期通过锤击等机械方法除去,或用水冲走。  电除尘  肤浅的区别就是处理的机理不一样  丰邦节能生产的电除尘器和布袋除尘器均属除尘器,两种设备各有所长,在适合于自身特点的工况条件下,均获得了良好的实际应用效果。电除尘器以其阻力  关于上面所说的,有关布袋除尘与电除尘有哪些区别的相关知识就介绍到这里,如果还有其他疑问,可以到本公司的网站进行有关询问。 锅炉除尘 除尘配件 锅炉除尘 车间除尘 脱硝设备 锅炉除尘 锅炉除尘 布袋除尘 布袋除尘 车间除尘