[01365459]膨润土负载纳米TiO2在造纸废水处理中的应用

1.课题来源及背景： “膨润土负载纳米TiO2在造纸废水处理中的应用”是潍坊市科技局2018年下达的潍坊市科学技术发展计划项目（项目编号：2018GX060）。 据统计,潍坊市内造纸厂约50余家,造纸工业废水排放量大,水污染严重,生态破坏性大,多年来一直是造纸工业和环境界研究的重点,解决造纸废水污染问题已受到全社会的普遍关注。因此,造纸废水的处理依然是国内外环保行业的研究重点,而以二氧化钛为光催化剂的高级氧化技术是处理工业废水最有应用前景的技术之一。 2.研究目的和意义： 粘土负载型光催化剂以其较高的催化活性、比表面积、稳定性和易回收性,受到人们的广泛关注。由于膨润土具有比表面积大、稳定性好、吸附能力强等特点,非常适合用作光催化剂载体,制备具有较高吸附性能和光催化性能的膨润土负载型光催化剂具有非常广阔的应用前景及环境意义。 本项目以廉价的硫酸氧钛为原料,利用一步水热法制备膨润土/纳米二氧化钛功能材料,利用XRD、FT-IR、BET等技术对材料的形貌、结构和组成进行表征,并考察钛-膨润土之比、膨润土悬浮液浓度等因素对材料物理结构的影响;以造纸废水作为降解对象探讨膨润土/纳米二氧化钛功能材料的制备条件与降解效果的关系,研究协同作用机理,并探讨膨润土/纳米二氧化钛功能材料的重复使用寿命,结果表明该材料对造纸废水具有较强的COD去除率,且稳定性好,重复利用价值较高。 3. 项目的创新性、先进性如下： （1）膨润土负载纳米二氧化钛光催化材料的研究目前鲜有报道,本项目在已有研究基础之上,将高效的二氧化钛基纳米光催化材料负载在改性膨润土上,利用膨润土的吸附性能和光催化剂的催化性能的协同效应处理造纸废水,并研究二者的协同作用机理,为后续研究提供理论依据。 （2）利用简单的一步水热法,完成纳米二氧化钛、膨润土的改性和单分散的纳米二氧化钛光催化剂在膨润土上的负载,避免了传统的负载实验中煅烧过造成的结构坍塌。 （3）考察样品的稳定性,避免负载纳米二氧化钛在催化过程中的脱落问题,以最大限度的发挥膨润土和纳米二氧化钛的协同作用,提高纳米光催化材料的循环使用寿命。 4.本项目的技术指标 （1）在制备样品时,以价格低廉的硫酸氧钛和膨润土为原料,利用水热法在较低温度下原位合成纳米二氧化钛/膨润土复合材料。与水解-水热法、溶胶-凝胶法和固相法相比,该法使用的原料价格低廉,在制备过程中无需引入了大量有机溶剂,且在实验过程中不会产生大量挥发性酸,反应过程容易控制,无需高温煅烧而影响产物的品相结构,该法工业化生产的可操作性较强。 （2）XRD测试表明样品中的二氧化钛为锐钛矿型纳米二氧化钛;样品具有比膨润土更大的BET比表面积,保证了其光催化性能;FTIR表征说明二氧化钛较好的插入到了膨润土的层间结构中;光催化降解实验显示,该法制备的催化剂样品对高浓度造纸废水COD的去除率较高（60%-70%）,经过10次循环后,该法制备的样品对造纸废水COD的去除率仍高达60.91%,说明该法制备的催化剂具有较强的稳定性和循环利用能力,满足大规模应用的条件。 （3）传统的水解-水热法、溶胶-凝胶法和固相法使用原料价格高昂,对设备要求较高,且耗能较大,制备的样品循环利用效果较差,限制了其在废水处理中的产业化应用。利用水热法原位合成的TiO2/膨润土光催化剂不仅对造纸废水的COD去除率较高,稳定性较好,循环利用价值大,制备流程简单,而且原料价格低廉,极大降低成本,是实现规模化生产的良好选择。 5.本项目的主要经济社会效益 通过TiO2/膨润土基复合光催化材料的制备和在造纸废水处理中的应用,揭示插层反应机理,揭示了催化剂的用量、溶液的初始pH值和光照时间对造纸废水COD去除率的影响,以及与其它常用方法之间的区别,深化人们对TiO2/膨润土基复合光催化规律的认识,对指导TiO2/膨润土基复合光催化材料的制备和推广应用,加速推动环境产业的发展具有较强的意义。 本论文的研究工作已经取得了一些成果,制备的催化剂具有优良的催化活性及循环使用性能,但是由于受到各种主客观条件的限制,今后在一些问题还需要深入探讨。 （1）催化剂的性能不仅与催化活性位点密度相关,还受催化剂的导电性、孔结构、比表面积、结晶度等特性影响,因此设计制备具有高比表面、高结晶度和合理多级孔结构的复合材料是进一步提高其催化性能的主要手段。 （2） 造纸废水成分复杂、杂质离子含量大、色度高,单一的降解方法很难100%去除废水的色度和COD,因此,亟需开发针对浓度高污染废水的多种处理方法联用技术。