漂浮式多孔晶态TiO2陶瓷膜太阳光催化剂的构筑及其去除浮油机制

传统的粉体TiO2光催化体系透光差，对太阳光的利用率低且光催化剂难以重复使用。本课题拟利用前期合成的高热稳定性有序介孔TiO2为粉料，采用室温冷冻浇注成型方法制备高效、稳定的漂浮式多孔晶态TiO2陶瓷膜太阳光催化剂，开展清除水体中薄层浮油的实用化研究。通过考察陶瓷粉料在液相中的表面电性及陶瓷料浆的流变特性，解析高热稳定性有序介孔TiO2粉体在液相中分散、液相室温凝固结晶、液相结晶时定向生长等物理化学过程，可控制备易于回收的漂浮型多孔晶态TiO2陶瓷膜。利用高效液相质谱、电子顺磁共振谱等手段探究光催化过程中浮油污染物及降解中间产物变化规律，解析TiO2陶瓷膜去除浮油的主要途径和作用机制，归纳出浮油污染物在光催化体系中的迁移转化规律。详细考察漂浮式TiO2陶瓷膜光催化降解浮油的动态传质过程，并结合污染物降解的动力学特征建立相应的光降解模型，为推进光降解浮油污染物的实用化进程提供实验和理论指导。

传统的粉体TiO2光催化体系透光差，对光的利用率低且光催化剂难以重复使用。本研究首先以乙二胺修饰的P25为粉料，采用室温冷冻浇注成型方法成功制备了高效、稳定的漂浮型大孔晶态TiO2陶瓷，并开展了清除水体中难降解有机污染物的实用化研究。实验结果表明，用乙二胺作为保护剂在高温焙烧条件下可以有效抑制TiO2晶粒的生长和晶相的转变，所制备的漂浮型大孔晶态TiO2陶瓷在800 oC条件下具有较高的孔隙率、抗压强度和光催化活性。对于10 mg•L-1的罗丹明B光催化降解5个小时后其TOC的去除率可以达到96.7 %。罗丹明B的降解符合假一级反应动力学方程。所制备的漂浮型大孔晶态TiO2陶瓷是可以重复使用的，并且在6次循环使用后，光催化效果没有明显改变。此外，该陶瓷对于苯酚，阿特拉津，灭草丹和辛烷都有较好的去除效果。为了进一步提高光催化效果，本研究又以课题组前期合成的高热稳定性有序介孔TiO2为粉料，采用室温冷冻浇注成型方法成功制备了漂浮型大孔/介孔晶态TiO2陶瓷光催化剂，并将其应用于污水净化。实验结果表明，所制备的陶瓷具有分级的大孔/介孔结构，其在800 oC焙烧条件下同样可以保持高的孔隙率和抗压强度。有序介孔TiO2的网络框架在焙烧过程中可以保持高热稳定性，且可以抑制锐钛矿向金红石相的转变。所制备的陶瓷对于辛烷和罗丹明B降解均展示出了良好的吸附和光催化活性，光催化降解3个小时后对于辛烷和罗丹明B的TOC去除率可以分别达到98.8 %和98.6 %。此外，所制备的陶瓷也可以循环使用，且对苯酚，拉特拉津和灭草丹都具有较高的光催化降解活性。因此，这种新颖的漂浮型光催化剂对无论是清除水面上的漂浮型有机污染物还是水中溶解性有机污染物都将具有广泛的应用前景。