纳米二氧化钛晶型对其催化臭氧活性的影响机理研究

催化臭氧化技术是一种非常有应用前景的饮用水深度处理技术。二氧化钛无毒、稳定、没有金属离子溶出现象，是一种性能优良的催化剂。申请者采用纳米二氧化钛催化臭氧化工艺去除水中难降解有机污染物取得了良好效果，电子自旋共振波谱检测证实了催化臭氧化反应遵循羟基自由基机理。纳米二氧化钛的晶型对其催化臭氧化活性有很大的影响，金红石和无定形二氧化钛的活性明显高于锐钛矿。.本项目拟深入研究纳米二氧化钛催化臭氧化过程的机理；重点分析晶型对二氧化钛表面性质、分解臭氧、吸附有机物过程的影响规律，揭示二氧化钛晶型对其催化活性的影响机理，在此基础上研究纳米二氧化钛催化臭氧化降解典型有机物过程中的产物种类、浓度及毒性的变化规律，分析推测典型有机物的降解途径。本研究将为纳米二氧化钛催化臭氧化技术的实际应用提供理论支持。

纳米二氧化钛作为一种稳定无毒的催化剂材料，在臭氧氧化过程中表现出良好的催化效率，然而催化剂作用机理仍未明确。研究二氧化钛结构、晶型对表面性质以及催化臭氧化活性的影响，分析催化剂活性强弱的原因，是本项目的主要目的。采用溶胶——凝胶法制备无定形纳米二氧化钛，通过热处理得到结晶型催化剂。催化剂在晶型转变的过程中，表面性质也发生了变化。对催化剂进行XRD、TEM、BET、TG-DSC、Zeta电位、pHzpc、Raman、FT-IR、XPS表征分析，二氧化钛在热处理过程中逐渐由锐钛矿转变为金红石，比表面积急剧降低，表面羟基和有机基团逐渐挥发，Zeta电位由正转负，pHzpc由酸性向中性过渡。FT-IR分析表明，气相臭氧分子在纳米二氧化钛表面吸附并生成活性氧物种，无定形二氧化钛保留的表面羟基使其对臭氧的作用最强。在水溶液中，无定形二氧化钛对臭氧的吸附/分解能力仍是最高，但采用EPR检测催化臭氧化体系的羟基自由基，发现700℃烧结得到的金红石最有利于引发臭氧转化生成自由基。无定形和结晶型二氧化钛催化臭氧化的机制有所不同，无定形二氧化钛的表面羟基是催化臭氧的活性位，而结晶型二氧化钛则凭借其在水溶液中生成的水化羟基表面与臭氧作用。目标污染物莠去津几乎不被催化剂吸附，而催化臭氧化反应能够有效地去除水中莠去津，并依次生成脱烷基（去乙基莠去津、去异丙基莠去津、去乙基去异丙基莠去津）、脱氯（二氨基三嗪）、脱氨基（5-氮尿嘧啶）产物。莠去津虽然不能被完全矿化，但它的毒性在催化臭氧化过程中显著降低。