製備含氮、鐵二氧化鈦披覆粒狀活性碳應用連續式流體化床光催化 處理偶氮染料之研究

Photodegradation of azo dye in fluidized bed reactor by Fe/N-TiO2 with granular activated carbon

林廣山(Kuang-Shan Lin)

指導教授 ： 陳孝行

國立臺北科技大學/工程學院/環境工程與管理研究所/碩士(2009年)

摘要

二氧化鈦（TiO2）為具有光催化性質之光觸媒，在利用紫外光（UV light）照射下，方可降解有機污染物；為了將二氧化鈦於可見光下有更多的應用範圍，本研究添加硝酸氨及硝酸鐵來改質二氧化鈦，利用氮元素及鐵元素植入二氧化鈦表面，縮短二氧化鈦之能隙，使其於可見光下即可降解有機污染物；而本研究將改質之含氮鐵二氧化鈦（Fe/N-TiO2）結合粒狀活性碳（Granular Activated Carbon, GAC），使二氧化鈦於實場應用時，可改善不易回收及容易產生逸散現象之缺點；並利用活性碳與二氧化鈦所產生之協同作用，增加處理有機污染物之效率，亦可增加可見光觸媒於實場的應用性
在製備含氮鐵二氧化鈦物性分析，經由本研究結果顯示，於UV/Visible能隙變化評估部分，在經由氮、鐵改質之二氧化鈦其吸收光波長紅位移至480 nm，能隙縮小為2.87 eV。在XRD晶相分析部份可發現，所製備之含氮鐵二氧化鈦其晶型皆為Anatase phase，並無Rutile phase產生。在ESCA表面元素分析部份，在經過計算後，本研究製備之Fe/N-TiO2其最高含氮鐵量分別為5.58 %及5.48 %。比表面積部份，本研究所製備之Fe/N-TiO2 比表面積範圍在141 ~ 223 m2/g，並且隨著水熱溫度增加而增加。
含氮鐵二氧化鈦之批次式可見光光催化處理偶氮染料活性測試部分，本研究製備之含氮鐵二氧化鈦有一最佳光催化活性，其製備條件為：氮鐵添加量為N = 0.001 mole、Fe = 0.0012 mole，水熱溫度150℃，反應時間1 hr，針對偶氮染料（10 mg/L）於光波長419 nm，光強度35 mW/cm2照射下，其反應速率為0.56 hr-1，優於未改質之二氧化鈦，反應速率為0.0853 hr-1。
Fe/N-TiO2-GAC應用於連續式流體化床可見光光催化系統中，在不同pH值之條件下，此系統於酸性條件下有較好的反應速率，反應速率常數為k = 0.60 hr-1。在水力停留時間部分，結果顯示當系統在酸性條件下，其去除效率隨著停留時間愈長，反應效率愈好在光照強度部分，隨著光照強度的提高，對於偶氮染料（AO7）在光催化反應呈現增大的趨勢。在不同初始濃度部份，結果顯示其去除效率隨著濃度增加而下降，反應速率常數由1.74 hr-1降低至0.17 hr-1。

關鍵字

溶膠凝膠 ； 含氮鐵二氧化鈦 ； 光催化反應 ； 活性碳

並列摘要

The objective of this study is to synthesize nano-particle titanium dioxide catalyst using Sol-gel/Hydrothermal process. In our research, doping of nitrogen in TiO2 enhances photoresponse in visible light region and doping of Fe3+ reduces the recombination of electrons and holes. Both of the above effects are beneficial for improving the performances of Fe/N-TiO2 photocatalyst. Besides, the photocatalytic oxidation of acid dye (Acid orange 7) in visible light (419 nm) irradiation was carried out in a fluidized bed reactor. Fe/N-TiO2-granular activated carbon was employed as the photocatalysts, and the lamp was used as the light source.
Nanocrystalline Fe/N-TiO2 by Sol-gel/Hydrothermal process was prepared by NH4NO3 and Fe(NO3)3. The wavelength of absorption of Fe/N-TiO2 was shifted to the range of visible light (480 nm). The ESCA measurement showed that N and Fe was surely doped in the titanium oxide, and the highest N content in Fe/N-TiO2 is 5.58 %, Fe content in Fe/N-TiO2 is 5.48 %. The XRD measurement showed that crystal is Anatase phase. The surface area of prepared Fe/N-TiO2 is 141 ~ 223m2/g and is increased along with the temperature increases. The zeta potential measurement show that zero point charge (pHzpc) is 6.0.
The photocatalytic oxidation of acid dye (Acid orange 7) in visible light (419 nm) irradiation was carried out in a fluidized bed reactor. It can be seen that maximum removal percent of AO7 is 95% at pH =3 and C0 = 100 mg/L and the minimum one is 60% at pH = 3 and C0 = 200 mg/L. The pseudo-first-order rate constant kobs for acid orange 7 was enhanced with increase of light intensity and HRT. The highest kobs was 0.60 hr-1 at pH = 3, HRT = 10 hr and light intensity = 35 mW/cm2.

並列關鍵字

Sol-Gel ； Fe/N-TiO2 ； Photocatalytic activity ； Activated Carbon

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