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        氧化鉍光催化劑改性研究

        2014-10-17 09:18:48劉可新王學(xué)同
        應(yīng)用化工 2014年7期
        關(guān)鍵詞:催化劑效果

        高 紅,劉可新,王學(xué)同

        (1.天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天津 300350;2.天津甘泉集團(tuán),天津 300171;3.天津市津南區(qū)環(huán)保局,天津 300350)

        利用半導(dǎo)體材料光催化降解水中污染物是目前比較熱門的研究課題之一。光催化劑可以有效利用太陽能,并在反應(yīng)中產(chǎn)生具有強氧化能力的空穴和羥基自由基,因而備受人們的關(guān)注。氧化鉍作為一種半導(dǎo)體光催化材料,其帶隙能為2.8 eV,吸收波長較長,可以實現(xiàn)對太陽光的利用。但如何提高其催化活性,是氧化鉍光催化劑使用過程中的重要問題。

        光催化反應(yīng)的量子效率低是其難以實用化的最為關(guān)鍵因素之一。光催化反應(yīng)的量子效率取決于載流子的復(fù)合幾率。對光催化劑來說,俘獲光激發(fā)載流子并與電子給體/受體發(fā)生作用,增加光催化反應(yīng)的量子效率,從而提高光催化活性。研究表明,提高光催化劑活性的方法有減小催化劑粒徑、表面螯合、金屬離子摻雜等。

        1 實驗部分

        1.1 試劑與儀器

        硝酸鉍,化學(xué)純;亞甲基藍(lán)、甲醇鈉、氫氧化鈉、乙二胺四乙酸二鈉、氯化鐵、硝酸鐵均為分析純。

        D/max-2500 X射線衍射儀;JEM-100CXⅡ透射電子顯微鏡;722分光光度計;白熾燈。

        1.2 氧化鉍的制備

        配制硝酸鉍溶液與NaOH溶液。將硝酸鉍溶液緩慢加入NaOH溶液中,隨著反應(yīng)進(jìn)行,溫度升高,pH值逐漸增大。當(dāng)溫度為40~60℃,pH值達(dá)到3~5時停止反應(yīng)。過濾、洗滌,加水調(diào)漿,并調(diào)節(jié)溫度,繼續(xù)加NaOH溶液進(jìn)行反應(yīng)。隨著堿液的加入,生成物逐漸變黃,當(dāng)pH為13~14時達(dá)到反應(yīng)終點,繼續(xù)攪拌30 min后,過濾、洗滌及干燥脫水,即得黃色氧化鉍粉體。

        1.3 氧化鉍光催化劑的改性

        1.3.1 減小光催化劑粉體粒徑 采用金屬醇鹽水解法和二步法制備納米氧化鉍粉體[1]。

        1.3.1.1 金屬醇鹽水解法 將硝酸鉍和甲醇鈉置于燒杯中,加水反應(yīng),靜置,待其完全反應(yīng)后,將反應(yīng)產(chǎn)生的沉淀過濾、烘干、煅燒、研磨,即為氧化鉍納米粉體。

        1.3.1.2 二步法 向硝酸鉍溶液中滴加氫氧化鈉溶液,當(dāng)溶液溫度為40~60℃,pH值為3~5時,停止加入氫氧化鈉。過濾、洗滌,加蒸餾水打漿,繼續(xù)加堿液反應(yīng),水浴溫度控制在55~57℃,沉淀逐漸變?yōu)榈S色,當(dāng)pH值>12時,反應(yīng)終止。將沉淀過濾、洗滌、烘干后,放入450℃電阻爐中高溫煅燒,取出研磨,即得氧化鉍納米粉體[2]。

        1.3.2 表面螯合 將硝酸鉍溶解于硝酸,置于高溫水浴中,滴加EDTA溶液和NaOH溶液,反應(yīng)得到黃色沉淀物質(zhì),過濾、洗滌,烘干后得到與EDTA螯合的氧化鉍粉末。

        1.3.3 催化劑的固載 將活性炭進(jìn)行洗滌、過濾、干燥。在三頸瓶中加入一定量氧化鉍粉體和無水乙醇,充分?jǐn)嚢?,靜置30 min。加入活性炭,水浴回流30 min。抽濾,100℃烘干,于箱式電阻爐中450℃下煅燒,即得氧化鉍活性炭固載光催化劑[3]。

        同上述方法制備氧化鉍膨潤土固載光催化劑。

        1.4 實驗方法

        取100 mL一定濃度的亞甲基藍(lán)溶液于光催化反應(yīng)器中,加入一定量改性后的氧化鉍光催化劑,用白熾燈模擬太陽光進(jìn)行光催化反應(yīng)。以亞甲基藍(lán)溶液脫色率來評價催化劑的使用效果。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 減小催化劑粒徑

        2.1.1 氧化鉍納米粉體的檢測[4]金屬醇鹽水解法制得的氧化鉍粉體的XRD見圖1。

        圖1 氧化鉍X射線衍射圖譜Fig.1 Bi2 O3 X-ray diffraction pattern

        將該實驗中粉體的X射線衍射圖譜與標(biāo)準(zhǔn)氧化鉍晶體X射線衍射圖譜進(jìn)行比對,兩者圖譜基本能夠吻合,說明實驗制得的粉體為氧化鉍粉體。

        制備的氧化鉍粉體的TEM照片見圖2。

        由圖2可知,氧化鉍粉體粒徑在70 nm以下,為納米級粉體,且樣品分散良好,但二步法制得的氧化鉍粉體存在較為嚴(yán)重的團(tuán)聚問題,使用效果較差。

        圖2 制備氧化鉍粉體TEM照片F(xiàn)ig.2 TEM photos of Bi2O3 preparation

        2.1.2 納米氧化鉍光催化反應(yīng) 用金屬醇鹽法制得的納米氧化鉍光催化劑進(jìn)行光催化脫色反應(yīng),同時與普通粒徑氧化鉍光催化劑進(jìn)行比較,結(jié)果見表1。

        表1 普通氧化鉍與納米氧化鉍光催化反應(yīng)脫色效果比較Table1 Decolorization effect comparison of common Bi2 O3 and nano one

        由表1可知,納米氧化鉍光催化劑脫色效果較普通粒徑氧化鉍好。氧化鉍顆粒尺寸減小到納米級,比表面積增加,表面原子數(shù)量隨之迅速增加,使光吸收效率提高,表面光生載流子濃度隨之增大,進(jìn)而提高表面氧化還原反應(yīng)的效率[5]。同時,光催化反應(yīng)效果與該物質(zhì)在光催化劑上的吸附量有關(guān)。光催化劑晶粒尺寸減小,比表面積增大,單位面積活性位置增加,反應(yīng)物吸附量增加,反應(yīng)幾率增大。

        2.2 光催化劑表面螯合

        2.2.1 螯合量對氧化鉍脫色效果影響 在制備氧化鉍光催化劑過程中加入不同用量的EDTA溶液,利用所制得的螯合氧化鉍光催化劑進(jìn)行光催化反應(yīng),反應(yīng)條件:亞甲基藍(lán)濃度 6 mg/L,氧化鉍100 mg,pH=3,H2O22 mL,反應(yīng)時間 40 min,結(jié)果見圖3。

        圖3 不同EDTA螯合量脫色效果圖Fig.3 Decoloring effects diagram of different EDTA chelating quantities

        由圖3可知,脫色率隨EDTA量的增加出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象。EDTA分子中含有六個可與金屬離子形成配位鍵的原子,能與金屬離子形成摩爾比為1∶1的配合物[6]。螯合在光催化劑表面上的EDTA,能夠延長電子的壽命,提高光催化反應(yīng)活性。但當(dāng)配合物形成完全后,增加EDTA的量,配合物亦不再增加。

        2.2.2 螯合pH值對氧化鉍脫色效果影響 在制備螯合氧化鉍催化劑過程中改變螯合溶液的pH值,使用該催化劑進(jìn)行光催化反應(yīng),反應(yīng)條件:亞甲基藍(lán)濃度6 mg/L,氧化鉍 100 mg,H2O22 mL,反應(yīng)時間40 min,結(jié)果見圖4。

        圖4 不同螯合pH值脫色效果圖Fig.4 pH decoloring effect diagram of different EDTA chelation

        EDTA在水溶液中隨pH的不同有不同的存在形式,各種存在形式的分布分?jǐn)?shù)與pH有關(guān)[7]。由圖4可知,隨溶液pH值的升高,脫色率增大。原因是EDTA與金屬離子螯合物的穩(wěn)定常數(shù)K'MY=KMY/αY(H),當(dāng)溶液pH值增大時,酸效應(yīng)系數(shù)αY(H)隨之減小,穩(wěn)定常數(shù)K'MY增大,使螯合物穩(wěn)定性增強。

        2.3 金屬離子摻雜

        在氧化鉍光催化體系中摻雜氯化鐵和硝酸鐵溶液,進(jìn)行光催化反應(yīng),反應(yīng)條件:亞甲基藍(lán)濃度6 mg/L,氧化鉍 100 mg,反應(yīng)時間 40 min,H2O22 mL,實驗結(jié)果見表2。

        表2 摻雜離子對脫色率影響Table2 Doping ion impact on decolorization rate

        摻雜金屬離子是提高光催化劑活性有效手段。鐵離子對光生電子的捕獲可以促進(jìn)光生載流子的分離,延長光生電子與空穴對的壽命;另外,反應(yīng)體系中加入的過氧化氫與亞鐵離子的結(jié)合產(chǎn)生Fenton試劑,F(xiàn)enton試劑具有極強的氧化能力,促進(jìn)反應(yīng)體系中·HO的生成,從而使光催化性能得到提高。反應(yīng)體系中摻雜氯化鐵脫色效果較硝酸鐵差,氯離子可吸附在催化劑表面,使得氧化速率降低,并阻礙有機物向活性位置擴(kuò)散。因此,加入氯化鐵的脫色效果差。

        2.4 光催化劑的固載研究

        2.4.1 活性炭固載催化劑 考察氧化鉍活性炭固載光催化劑的光催化反應(yīng),反應(yīng)條件:固載催化劑4.0 g,亞甲基藍(lán)濃度6 mg/L,pH=3,H2O22 mL,反應(yīng)時間40 min,結(jié)果見圖5。

        圖5 活性炭固載重復(fù)使用效果Fig.5 Reuse effect diagram of activated carbon immobilization

        由圖5可知,固載光催化劑重復(fù)使用3次,脫色效果仍較好,但使用第4次后,脫色率開始出現(xiàn)明顯下降現(xiàn)象。這是由于有效光催化劑固載牢固性降低而發(fā)生脫落,使固載催化劑失去使用價值。

        2.4.2 膨潤土固載催化劑 反應(yīng)條件:固載催化劑1.0 g,亞甲基藍(lán)濃度 6 mg/L,pH=3,H2O22 mL,反應(yīng)時間40 min,氧化鉍膨潤土固載光催化劑的光催化反應(yīng),實驗結(jié)果見圖6。

        圖6 氧化鉍膨潤土固載重復(fù)使用效果Fig.6 Reuse effect diagram of Bi2O3 bentonite immobilization

        由圖6可知,氧化鉍膨潤土固載催化劑的脫色較好,使用3次后脫色率并沒有明顯下降,但在第4次反應(yīng)過程中,膨潤土顆粒破碎,不能再繼續(xù)使用。

        3 結(jié)論

        (1)利用金屬醇鹽水解法和二步法制備納米氧化鉍,經(jīng)X射線衍射和透射電子顯微鏡檢測,均為納米粉體,但金屬醇鹽水解法制得的納米氧化鉍性狀較佳。

        (2)使用由金屬醇鹽鹽水法制得的納米氧化鉍粉體降解亞甲基藍(lán),脫色率達(dá)到97.1%,較普通氧化鉍粉體效果好。

        (3)氧化鉍與EDTA螯合,增加螯合劑用量,亞甲基藍(lán)脫色率先增大后減小;同時當(dāng)螯合溶液pH值增大時,有利于光催化反應(yīng)。

        (4)在氧化鉍中摻雜金屬離子可明顯提高催化活性,摻雜氯化鐵和硝酸鐵對脫色效果之間比較,硝酸鐵效果相對較好。

        (5)將氧化鉍固載在活性炭和膨潤土上,可實現(xiàn)催化劑的重復(fù)利用,可節(jié)約成本。

        [1] 王世敏,許祖勛,傅晶,等.納米材料制備技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004:123-127.

        [2] 孫璐薇,何永.納米氧化鉍研究[J].傳感器技術(shù),2000,19(1):21-22.

        [3] 張素香,屈撐囤,王新強.光催化劑改性及固定化技術(shù)的研究進(jìn)展[J].工業(yè)水處理,2002,22(7):12-15.

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        [5] 王光玉.納米二氧化鈦光催化材料研究現(xiàn)狀[J].無機鹽工業(yè),2012,44(3):50-53.

        [6] 華東理工大學(xué)分析化學(xué)教研組.分析化學(xué)[M].4版.北京:高等教育出版社,1999:246-249.

        [7] 程艷,高靜,徐紅納,等.螯合劑 EDTA 簡介[J].化學(xué)教育,2009(5):4-6.

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