摘要
偶氮染料废水在厌氧条件下被微生物分解的中间产物具有致畸致癌性，对生态环境和人类健康构成危害。如何高效处理废水中的偶氮染料已成为环境修复领域的研究热点。光催化技术具有成本低、效能高和节能环保等优点，在偶氮染料废水处理领域被广泛应用。已报道的光催化剂中，TiO2因其化学性质稳定、无毒性和低成本等优点应用最广。但TiO2的带隙较大，主要吸收紫外光，在可见光下降解染料的效率较低，且其处理染料后难以回收。 针对上述问题，本研究利用零价铁对TiO2进行改性，以促进TiO2光响应范围向可见光区的延伸，降低电子-空穴对的复合率，提高TiO2的光催化活性，同时实现TiO2的回收再利用。本文通过水热法制备获得Fe78Si9B13/TiO2和纳米Fe/TiO2两种零价铁/TiO2复合材料作为光催化剂，以酸性橙7（AO7）为目标降解物，构建Fe78Si9B13/TiO2光催化降解AO7体系和纳米Fe/TiO2光催化活化过硫酸盐（PDS）降解AO7体系，研究不同因素对AO7降解效果的影响，并探究其降解机理。主要的研究结果如下： （1）采用水热法成功合成Fe78Si9B13/TiO2和纳米Fe/TiO2复合材料。表征分析结果表明，与纯TiO2相比，Fe78Si9B13/TiO2和纳米Fe/TiO2复合材料，其晶粒尺寸更小，说明零价铁会抑制TiO2晶粒的生长，使TiO2的比表面积增大。此外，复合Fe78Si9B13和纳米Fe后均能有效抑制TiO2光生电子-空穴对的复合，降低TiO2禁带宽度，使吸收带边红移，从而增加对可见光的利用率。 （2）构建Fe78Si9B13/TiO2光催化降解AO7体系，考察初始溶液pH值、Fe78Si9B13复合量、水热温度、水热时间、催化剂用量、AO7浓度对AO7的光催化降解效果的影响。实验结果表明，可见光照射120min后，在初始溶液pH值为3，Fe78Si9B13复合量为5%，水热温度为180℃，水热时间为24h，催化剂用量为0.8g·L-1时，AO7的降解率达到最高，为94.36%，反应速率常数为0.0232min-1。AO7的初始浓度越高，Fe78Si9B13/TiO2光催化降解AO7的降解速率越慢。Fe78Si9B13/TiO2还具有良好的重复利用性能，循环稳定性好。 （3）构建纳米Fe/TiO2光催化活化PDS降解AO7体系，考察PDS浓度、溶液pH值、催化剂用量、AO7浓度对AO7降解效果的影响。实验结果表明，可见光照射40min后，当PDS浓度为4mM，初始溶液pH为5，催化剂用量为0.4g·L-1时，AO7的降解率达到最高，为98.40%，反应速率常数为0.1152min-1。材料在使用4次后仍能保持较高的光催化性能，且具有良好的磁回收性能。 （4）自由基捕获实验表明，在Fe78Si9B13/TiO2光催化体系，h+和·O2-是降解AO7染料的关键自由基。在纳米Fe/TiO2光催化活化PDS体系，·SO4-和h+是降解AO7染料的关键活性物种。它们打破AO7染料分子的发色基团，促进其中间体分解。
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