论文总字数：20651字

摘 要

异丙醇作为一种有机化工原料，广泛应用于溶剂、制药、精细化学品加工、有机合成等领域，但是含有异丙醇的废水、废气的排放对生态环境和人体健康均存在着较大的危害。近年来，光催化由于其绿色环保、廉价易得等特点被广泛应用于各个领域，成为了解决环境污染问题最有前景的绿色化学技术之一。

本文以二氧化钛（TiO₂）为基底，通过高温固相法负载氮化碳（g-C₃N₄）和聚苯胺（PAN），从而合成了TiO₂/g-C₃N₄/PAN的三元复合材料，并利用XRD、UV-vis、FT-IR、PL等表征对材料的结构和光学性质进行表征并且进行了光催化降解异丙醇的性能测试。g-C₃N₄的负载有效的拓宽了TiO₂/g-C₃N₄材料（CT-x）的可见光响应范围、增加了活性位点，而PAN的加入提高了反应中光生电子-空穴对的迁移速率和分离速率，从而提高了TiO₂/g-C₃N₄/PAN材料（PCT-x）的光催降解性能。其中，PCN-0.1具有最佳的光催化降解异丙醇的性能，其降解率达到了91%。

关键字： 光催化；异丙醇；降解；二氧化钛；氮化碳；聚苯胺

Preparation of Modified TiO₂ Photocatalyst and

Study on Degradation of Isopropanol

ABSTRACT

As an organic chemical raw material, isopropanol is widely used in the fields of solvent, pharmaceutical, fine chemical processing, organic synthesis, etc.However, the discharge of exhaust gas and wastewater containing isopropanol is harmful to the ecological environment and human health. In recent years, photocatalysis has been widely used in various fields due to its characteristics of environmental protection, low cost and easy availability, and has become one of the most promising green chemical technologies for solving environmental pollution problems.

In this study, based on titanium dioxide (TiO₂), ternary composites of TiO₂/g-C₃N₄/PAN were synthesized by high-temperature solid-phase loading of carbon nitride (g-C₃N₄) and polyaniline (PAN). The structure and optical properties of the composite were characterized by X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), ultraviolet diffuse reflection (UV-vis), fluorescence spectroscopy (PL). The performance of photocatalytic degradation of isopropanol was tested. The loading of g-C₃N₄ effectively broadened the visible light response range and increased the active sites of the titanium dioxide/g-C₃N₄ material (CT-x). The addition of PAN increased the migration rate and separation rate of photogenerated electron-hole pairs in the reaction, thus improving the photocatalytic degradation performance of the TiO₂/g-C₃N₄/PAN material (PCT-x). Among them，PCN-0.1 has the best photocatalytic degradation of isopropanol, with its degradation rate reaching 91%.

Key words: Photocatalytic; Isopropanol; titanium dioxide; carbon nitride; polyaniline

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 传统的处理异丙醇的方法 2

1.2.1 吸附法 2

1.2.2 化学沉淀絮凝法 2

1.2.3 生物处理法 3

1.3 光催化技术 3

1.3.1 光催化机理 3

1.3.2 光催化剂 4

1.3.3 光催化的应用 7

1.4 二氧化钛概述 8

1.4.1二氧化钛的结构及其性质 8

1.4.2二氧化钛的制备方法 9

1.5 研究内容及意义 11

第二章 实验 12

2.1 化学试剂与仪器 12

2.1.1 化学试剂 12

2.1.2 实验仪器 12

2.2 催化剂的制备 13

2.2.1 g-C₃N₄-TiO₂光催化剂的制备 13

2.2.2 PAN -g-C₃N₄-TiO₂光催化剂的制备 13

2.3 性能测试 13

第三章 改性TiO₂复合材料对光催化降解异丙醇的研究 14

3.1 材料的表征 14

3.1.1 X-射线衍射仪（XRD） 14

3.1.2 红外光谱（FT-IR） 14

3.1.3 荧光光谱（PL） 16

3.1.4 紫外可见光分度计（UV-vis） 17

3.1.5 BET测试 17

3.2 对IPA光催化降解性能 18

第四章 结论与展望 19

4.1 结论 19

4.2展望 19

参考文献 21

致谢 24

第一章 绪论

1.1 引言

随着工业发展，人类工业活动的无节制排放使得环境污染远远超出了自然界所能正常降解的能力，自然环境越来越差。由于大量煤、石油、天然气等不可再生的化石能源的使用刺激了工业的迅猛发展，大量废水、废气和废渣（三废）的排放随之而来。如果这些废弃物未经过妥善处理，没有达到排放标准就排放到环境中，不但会造成环境的污染，而且会直接或间接地影响工业生产和社会生活，降低人们的生活品质和幸福感。其中，达不到排放标准的工业废水排入江河湖海后，不仅会污染地表陆地水和地下重力水的水质，还会破坏水产资源，影响生活和生产用水，并且受到污染的水体要想在短时间内通过自净能力恢复到以前的状态比较困难。我国的水资源并不丰富，人均水资源占有量只有2300立方米，仅相当于世界平均水平的四分之一，是全球十三个人均水资源最贫乏的国家之一^[1]。而废水排入江河湖海中，将会加剧水资源短缺的矛盾，这不可避免会影响到各行各业生产生活，尤其是工农业生产。随着城市化进程的加快，加工产业以及石化产业的急剧增加，当前全国多数城市地下水的污染状况呈点、面状，并且这种污染状况局部上略有改善，但整体上愈加严重，且一年比一年严重。而且水资源开发难度极大，因此选择合适的方法治理水质环境迫在眉睫。

异丙醇在溶剂、制药、精细化学品加工、有机合成等领域应用广泛，但是工业排放的异丙醇超标将会造成封闭、半封闭环境的空气污染、水质污染。异丙醇易挥发，有一定的毒性，而且遇火非常容易爆炸，并且它会造成呼吸系统的损害，对人体健康、舒适度以及生产、生活、活动造成严重影响。若保存不当，被阳光照射将会臭氧化,产生光化学烟雾。如果不慎让这些烟雾接触到眼睛或者进入肺、鼻、咽喉，将会对人体造成巨大危害。当环境中异丙醇积累达到一定的浓度后，将会使人感到头晕、呕吐，而且异丙醇有弱毒性，容易对人体肝脏和神经系统造成损伤，因此我们不得不寻找一种能够高效稳定降解异丙醇的技术^[2]。

1.2 传统的处理异丙醇的方法

传统处理异丙醇的方法主要有三种：物化方向的吸附法、化学方向的化学混凝沉淀法和生物方向的生物处理法。

1.2.1 吸附法

吸附法是将异丙醇废水通过吸附剂滤床，利用多孔吸附材料的吸附性能将其中的异丙醇进行吸附，从而达到净化的效果。活性炭是吸附法最常见的吸附剂，工业级的活性炭可以在20℃的条件下从废水中除去以甲醇和异丙醇为代表的多种醇类化合物。虽然活性炭吸附性能很好，但是活性炭吸附异丙醇时，难以脱附再生，脱附再生必须在高温下进行，且需要较长的脱附再生周期，不利于反复循环使用处理工业废水。另外活性炭吸附剂颗粒的结构强度也较差，经过高温再生的活性炭颗粒粉化度每次达到10-20%，必须经常补充新的活性炭颗粒填料，增加了日常的运行维护费用。其次，吸附法处理过后的废水通常无法达到排放标准，仅能作为前处理的部分工艺，无法承担完整的净化任务，尤其是在处理含量较低的异丙醇废水时，现有技术往往存在周期长、耗能高的问题。因此在工业废水处理的应用中有很大的局限性。

1.2.2 化学沉淀絮凝法

化学沉淀絮凝法是指添加絮凝剂后，废水中的胶体粒子和细小而分散悬浮污染物与添加药剂反应，利用分子力的相互作用从而黏附、聚集成絮状的大沉淀物，最终通过液固分离方式除去。化学混凝沉淀法所用的絮凝剂主要分为无机絮凝剂和有机絮凝剂，常见的无机絮凝剂有硫酸亚铁、氯化亚铁等，常见的有机絮凝剂有聚氯化铁、PAC（聚合氯化铝）和PAFC（聚合氯化铝铁）等^[3]。若废水中异丙醇含量较大时，通过加入聚丙烯酰胺、聚合硫酸铁铝等絮凝剂去除含异丙醇废水的效果较差。其次，若加入硫酸亚铁量过大时，对pH的要求会相对严格，会产生大量残渣并增加处理成本。若pH没有调整到合适的值，导致亚铁离子含量高和水质变黄。虽然该方法处理效率高，但是易造成二次污染，因此该方法通常不独立使用，仅作为工业废水初期处理净化的手段。

1.2.3 生物处理法

生物处理法是利用微生物的新陈代谢作用，将废水中的有机污染物质分解，一部分通过微生物的同化作用转化成为微生物的细胞物质，一部分分解从而释放出能量来维持微生物的生命活动，最终达到净化废水的目的^[4]。生物法的主体是各类微生物，来源广泛、对不溶性固体不敏感、有非常好的渗透能力、且繁殖简单且迅速。相较于其他处理法，该方法反应条件温和、不额外消耗能量、操作简单、无二次污染、分解产物能够反哺自然界产生良性循环，因而近年来越加受人们的重视。但是生物处理法要求废水可生化性好，而异丙醇废水可生化性很差，难以用生物处理法直接降低其有机污染物含量。目前用生物处理法进行降解，必须要进行预处理，否则直接进入生化池，不仅难以处理而且会影响微生物的生存。

1.3 光催化技术

1972年，Fujishima和Honda发表了二氧化钛电极光催化分解水的研究报告，自此以后科学界进入光催化研究新范畴^[5]。1977年，Carey等将TiO₂用于光催化降解处理水质污染，开启了光催化技术在处理废水、环境净化范畴的篇章，此后越来越多的学术研究者投身于光催化领域中。光催化技术具有以下的优点：（1）使用太阳光激活光催化，太阳光取之不尽用之不竭；（2）光催化剂造价相较传统吸附剂更为廉价，且性能稳定，可重复使用；（3）光催化过程易于控制，清洁不会造成二次污染。近年来，光催化由于其优点被广泛应用于各个领域，被广泛认为是能够解决当前环境污染和能源危机的绿色化学技术。

1.3.1 光催化机理

光催化通常指的是半导体光催化，是以太阳光作为反应推动力，以半导体材料作为催化媒介物的反应。半导体材料在光的激发下产生电子和空穴，而电子和空穴将分别引发还原反应和氧化反应，所有的光催化应用基本上都是围绕着这两个反应或者其引发的后续反应进行的，具体反应机理如图1-1所示。半导体材料其本身具有带隙结构，能够对一定波长范围的太阳光响应，吸收不小于禁带宽度的光子所带能量会生成光生载流子——光生电子（e^-）和光生空穴（h ）。光生电子（e^-）逃逸富集的地方，称为导带，而产生的光生空穴（h ）留在价带上。导带上的光生电子（e^-）自由移动，可以被氧化参与还原反应，价带上的空穴（h ）带正电可以参与氧化反应。在催化剂内部，光生电子（e^-）和光生空穴（h ）发生转移或失活。而在光催化剂表面，导带上的光生电子（e^-）被氧化参与还原反应，生成有强氧化性的自由基团(·OH，O₂^-等)；价带上的空穴（h ）带正电参与氧化反应，生成具有一般氧化能力的物质(H₂O₂)。这两个反应及后续反应生成最后矿化产物，完成污染物的催化降解或还原转化。

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