开题报告(环境工程水处理)

开题报告

题目名称粒子电极制备条件对三维电极光电催化影响研究

题目来源 A 题目类型 3 导师姓名苏会东

学生姓名张聪班级学号0908020216 专业环境工程

具体内容（课题背景和意义、国内外研究现状、课题主要内容、课题研究方案、日程安排、参考文献）1、课题背景和意义：

目前我国各种染料产量已达90万t，染料废水已成为环境重点污染源之一。染料行业品种繁多，工艺复杂，其废水中含有大量的有机物和盐份，具有COD高，色泽深，酸碱性强并含有对微生物有抑制性的中间体，可生化性差等特点，一直是废水处理中的难题。常用的废水治理方法有过滤和反过滤技术、物理吸附法。物理化学法、化学法和生化法。然而过滤和反过滤技术、物理吸附法只是将废物集中起来，没有从根本上消除污染物，只是一个短期的解决办法；而且仅靠一般的生化法和混凝沉淀法，往往难以达到预期的处理目的。

三维电极的概念提出于上个世纪60年代末期，是一种新型的电化学反应器。它是在二维电极的基础上在电极间添加粒状或者碎屑状的电极材料，与二维电极相比增加了单位槽体积的电极表面积，传质效果好，具有较高的电流效率[1]。在粒状电极材料上附载某种半导体，由于半导体具有能带结构，价带和导带之间存在禁带。当用能量大于或等于禁带宽度(带隙)的光照射半导体时,价带上的电子被激发跃迁至导带而产生空穴,光生空穴具有很强的氧化能力,可夺取水分子的电子生成·OH。而·OH是水中存在的氧化剂中反应活性最强的,且对作用物几乎无选择性,故能使多种难于降解的水中有机污染物完全无机化[2]。

本课题以负载TiO

2

的陶粒作粒子电极，与钛网或石墨构成三维电极。研究其体系的光电催化性能，以及在粒子电极上掺杂有机或无机元素，研究其对光电催化活性的影响。其主

电极及粒子电极都实现的TiO

2的固定化，充分发挥TiO

2

的光催化与光电催化特性，并且用

陶粒作载体，采用溶胶-凝胶法负载TiO

2，使载体发挥了吸附作用，与TiO

2

协同作用，使负

载型催化剂具有更高的光催化活性，又解决了TiO

2

粉末难回收的问题。因其具有化学稳定性好、无毒、成本低等优点，在环境保护、能源、卫生医疗等方面有比较广泛的应用价值[3]。

光电催化氧化法降解有机污染物，在污水治理方面有着不可低估的作用。我国自80年代后期，尤其是近几年来，在光电催化氧化降解污染物方面取得了一定进展，但仍不够成熟。三维电极光电催化研究正处于工业化前期阶段，作为一项很有前景的废水处理技术，还需要

大量研究。

2、国内外研究现状：

在国内，三维电极处理废水的研究已有一定的基础。许文林、王雅琼[4]研究了用固定床电化学反应器处理含铜废水，用这类反应器可有效地处理含Cu2+、Pb2+、Ag2+、Hg+等重金属离子的废水，使水质达到排放标准，同时回收相应金属，是一种经济有效的处理方法。杨卫身等[6]研究了用复极性固定床电极处理偶氮类染料活性蓝和络合染料废水的效果，COD去除率可达50%以上，脱色率可达90%以上。赵少陵等[7]用活性炭纤维电极电解处理印染废水和染料废水，结果表明，在色度去除方面总体上并不比广泛使用的Fenton[12]试剂法逊色。

自1972年Fujishima[5]等发现光照TiO

2

半导体电极具有分解水的功能,特别是1976年

Cary等陆续报道了在紫外光照射下TiO

2

水体系可使各种难降解有机化合物降解以来,光催化作为一种水处理的方法引起了广泛的重视[3]。光电催化用外电路来驱动电荷,使光生电子转

移到阴极,利用这种方法对电子、空穴的分离简单而有效,且不再需要不停地通入O

2

作为接受电子的载体。

TiO

2

作为一种重要的光催化剂，学者们发现如果对其进行掺杂改性可有效扩展其光谱响

应范围，可以有效提高其光催化活性。TiO

2禁带宽度越大，光催化活性越高。纯TiO

2

的禁带

宽度较宽（Eg＝3.2eV），只有当价带电子吸收能量＞3.2eV（波长＜387nm）的光子后才能发

生跃迁并在原来价带的位置产生空穴，形成具有强还原性的电子和强氧化性的空穴。因此，太阳光中只有波长＜387nm的紫外光才能激发TiO

2

的电子发生跃迁，而这部分紫外光仅占太阳光总量的４％左右，照射到室内的部分就更少，并且紫外光对人体的刺激损伤较严重，因

此开发具有可见光响应的TiO

2

光催化产品，提高其对光的利用率以及拓宽其在室内的应用成为这个领域的重点研究内容[8]。

目前，对稀土离子与N共掺杂TiO

2

光催化剂在实验方面的研究较多，某些稀土离子与N

共掺杂能够有效地拓展TiO

2

的光谱吸收范围，减小光生电子－空穴对的复合率，抑制相转

变以及晶粒长大，从而提高其光催化性能。但是对TiO

2

进行稀土元素与N共掺杂改性仍存在许多问题：（1）掺杂改性机理尚未明确，仍需要进行理论上的系统研究。（2）掺杂离子不

能完全进入TiO

2

晶格中，未进入晶格中的掺杂离子对其性能的影响尚不明确，仍需作进一

步研究并在制备工艺上加以改进以增加掺杂离子进入TiO

2

晶格的量[8]。

TiO

2

光催化氧化技术在彻底氧化水中有机污染物和可以利用太阳能而节约能源等方面有着突出的优点,特别是当水中有机污染物浓度很高或用其它技术方法很难降解时,有着更

明显的优势。美国、日本、加拿大等国已尝试将TiO

2

光催化氧化技术应用于水处理,国内大

都还限于实验室研究水平,尚未有把该技术投入实际应用的报道[10]。从目前的研究成果看，

可见光催化或能量转换效率还普遍偏低，对各种改性方法制得的TiO

2

可见光光催化机理认

识尚未统一，还存在争议。此外，对于最佳掺杂方法以及掺杂TiO

2

催化剂的应用还有待于

进一步的研究，因此可见光TiO

2光催化剂的研究仍将是今后的研究热点。未来，可见光TiO

2

光催化剂的研究将向着思路创新、方法创新的方向发展，着力于提高TiO

2

对可见光的吸收，

降低禁带宽度，提高光催化活性[9]。

3、课题主要内容：

用钛网或石墨电极，以铁屑为导电粒子与陶瓷负载TiO

2

颗粒为粒子电极，研究三维电极光电催化对处理染料废水的影响。研究影响三维电极处理染料废水的条件，研究陶瓷负载

TiO

2

颗粒制备条件、电极表面处理对三维电极处理亚甲基蓝染料废水的影响。

4、课题研究方案

（1）采用溶胶-凝胶法制备二氧化钛，并将其负载到粒子电极上。

（2）选择陶瓷为粒子电极，烧杯作为反应器，铁屑为导体粒子，硫酸钠溶液作支持电解质。（3）研究粒子电极制备条件，表面处理对光电催化性能的影响。

（4）研究影响三维电极处理染料废水的条件，如外加偏电压、染料废水溶液浓度、电极间距、PH、曝气等。

（5）确定影响因素，分析得出结论。

5、日程安排：

（1）.查资料确定实验方案1——3周

（2）.准备试验4——5周

（3）.进行试验6——15周

（4）完成论文参加答辩16周

6、参考文献

[1] 关蕾，董家利，等. 三维电极在污水处理技术中的研究与应用[J]. 沈阳建筑大学，

2012,11

[2] 郝晓刚李一兵樊彩梅孙彦平. TiO2光电催化水处理技术研究进展[J].太原理工

大学,2003,5

[3] 王雅文. 纳米TiO2的低温合成及光催化性能研究[D].华中师范大学.2011