造纸废水排放量大、颜色深、浓度高、污染物种类多，处理难度大，传统的处理方法难以满足行业排放标准，而不少研究表明光催化氧化法处理造纸废水能够获得比较令人满意的效果。在诸多半导体光催化材料中，TiO2以其化学稳定性好、光催化效率高、成本低、无毒等优点，成为国内外环境工作者在废气、废水处理领域的关注热点。但分离、回收困难、易产生二次污染等是普通粉末状TiO2在使用过程中普遍存在的问题，因此对TiO2进行矿物负载、改性逐渐成为新的研究热点。采用低品位的矿物原料制备新型环境材料是矿产资源高效利用的重要途径，有利于节约资源、保护环境和可持续发展；改变TiO2的存在形态以便克服其难回收的缺点，同时保持其催化活性也具有重要的现实意义。
本论文主要包括三个部分：(1)褐铁矿基纳米TiO2晶体膜的制备、表征及性能研究；(2)过渡金属掺杂褐铁矿基纳米TiO2晶体膜的合成、表征及性能评价；(3)纳米TiO2光催化颗粒材料的制备、表征及用于处理造纸废水研究。系统研究了制备褐铁矿基纳米TiO2晶体膜的一些基础性问题，探索并优化在褐铁矿基材表面制备纳米TiO2晶体膜的工艺条件，重点研究了制备的主要影响因素并进行一定的理论分析；构建了过渡金属离子掺杂方式，通过对造纸废水的光催化氧化处理，提出了工业化应用的一些基础参数；研究了颗粒光催化材料的制备条件，构建了另一种形式的光催化材料的负载方式，将其用于造纸废水处理并分析其回收重复利用的可能性。以上研究的主要内容及结果如下：
(1)褐铁矿基纳米TiO2晶体膜的制备、表征及性能研究
以褐铁矿为载体，以钛酸丁酯为前躯物，采用溶胶——凝胶法制备具有核/膜结构的褐铁矿/TiO2光催化剂，并利用低浓度造纸废水来研究光催化剂的制备条件实验和降解条件实验，同时利用XRD、SEM等测试手段对样品进行表征分析。结果表明：
1)单因素试验确定褐铁矿/TiO2光催化剂的最佳制备条件为：反应时间3h，反应温度40℃，焙烧时间2h，焙烧温度500℃，负载物粒度-0.074mm；
2)正交试验确定制备褐铁矿/TiO2光催化剂的各因素影响大小为：焙烧温度＞反应温度＞反应时间＞焙烧时间。确定最佳组合参数为：反应时间3h，反应温度50℃，焙烧温度500℃，焙烧时间2h。；
3)废水在紫外光影响下的脱色率为6％，基本可以忽略。褐铁矿负载二氧化钛后，其吸附能力有明显提高，初次降解后回收的光催化复合材料，仍有较高的吸附能力；
4)处理造纸废水最佳工艺条件为：催化剂用量5g/L，废水pH=4.0，光照时间2h时脱色率达到85％，CODcr去除率达到70％；
5)回收实验和表征分析显示，褐铁矿表面已经形成一层较为均匀的锐钛矿相TiO2膜，且核/膜结构较为牢固。
(2)过渡金属掺杂褐铁矿基纳米TiO2晶体膜的合成、表征及性能评价在矿物负载纳米TiO2晶体膜的基础上，对褐铁矿/TiO2光催化剂进行Fe3+掺杂改性，结果表明：
1)单因素试验确定褐铁矿/Fe3+-TiO2光催化剂的最佳制备条件为：掺杂量0.5％，反应时间3h，反应温度40℃，焙烧时间2h，焙烧温度400℃；
2)正交试验确定制备褐铁矿/Fe3+-TiO2光催化剂的各因素影响大小为：Fe3+掺杂量＞焙烧温度＞反应温度＞焙烧时间。制备最佳组合参数为：Fe3+掺杂量0.5％，反应温度40℃，焙烧温度400℃，焙烧时间2h；
3)褐铁矿/Fe3+-TiO2比掺杂前具有更高的光催化活性，在优化实验条件下，光照时间2h时脱色率达到95％，CODcr去除率达到80％，效果高于褐铁矿/TiO2；
4)回收试验和表征分析可知：通过掺杂，在提高催化剂光催化活性基础上，褐铁矿/Fe3+-TiO2光催化剂中褐铁矿表面均匀地包覆了一层以锐钛矿为主要成分的TiO2膜，核/膜结构较为牢固。
5)利用光催化活性最好的褐铁矿/Fe3+-TiO2进行絮凝—光催化试验处理造纸废水原液，原液CODcr3000mg/L，经光催化处理4h后造纸废水CODcr去除率达到94％，废水剩余CODcr183mg/L，pH=6.3，达到国家行业排放标准。重复利用实验研究显示，在一定条件下，光催化剂回收率较高，可多次循环使用，有较好的重复利用效果。
(3)纳米TiO2光催化颗粒材料的制备、表征及处理造纸废水研究
以纳米TiO2的光催化作用为前提，通过矿物负载，同时进行造粒研究，使其具备较高吸附和光催化活性，解决粉状材料回收困难的问题。结果表明：
1)负载材料累托石与粉煤灰的配比是影响颗粒材料光催化活性的主要因素，造粒过程适量膨润土的加入有利于提高颗粒强度。回收颗粒经加热处理后，重复使用4次，仍具有很好的去除效果。
2)采用絮凝——光催化氧化法联合对造纸废水进行处理，当硫酸铝投加量8g/L，pH值6.5～8.5，颗粒材料用量0.12g/mL，流经2个反应柱，光照4.5h，COD去除率和脱色率均可达80％以上，处理后出水达到国家造纸工业废水污染物排放标准(GB3544-2001)的一级排放标准。处理过程中适量H2O2的加入有利于降低COD，缩短光照时间。
3)颗粒状光催化材料处理造纸废水时，其吸附规律较好的符合Freundlich和Langmuir方程，光降解反应为准一级反应。
4)利用XRD、SEM等表征手段对所制光催化颗粒材料进行结构表征，结果显示：回收的颗粒材料形貌结构清晰可见，没有出现模糊、微孔被堵的现象。说明颗粒在焙烧过程中烧结较好，耐冲击性强，遇水没有发生分散、粉化的现象。
- 作 者：
- 韩沛
- 学科专业：
- 环境工程
- 授予学位：
- 博士
- 学位授予单位：
- 武汉理工大学
- 导师姓名：
- 龚文琪
- 学位年度：
- 2009
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
