本文是一篇土木工程论文，本研究主要对Fe、N共掺杂TiO 2/ACFs光催化氧化处理活性艳红染料废水开展研究，制备了Fe、N共掺杂TiO 2/ACFs光催化剂，研究了制备条件；并以活性艳红染料废水为对象，试验研究Fe、N共掺杂TiO 2/ACFs光催化活性艳红染料废水的效果及工艺参数。
1绪论
1.1课题的研究背景与意义
1.1.1课题的来源
课题是国家“十三五”重大水专项一个子任务中的研究内容。课题编号为2018ZX07601001。
1.1.2研究背景
光催化氧化法是工业废水处理的主要方法之一，其核心原理就是半导体催化剂，如二氧化钛（TiO2）、ZnO、CDs和WO3，在光照射下能够产生羟基自由基（-OH），而自由基（-OH）氧化能力强，能够氧化分解有机物。TiO2是一种新型多功能材料，在环保、涂料、医药及化妆品等领域都得到了广泛的应用。日本学者在七十年代初发现，用光催化二氧化钛，在常温常压下就能将水中难生物降解的有机物氧化分解。从此，TiO 2光催化氧化技术在环保领域备受关注。1977年，学者采用TiO 2光催化氧化处理氰酸盐，标志着TiO 2光催化氧化技术首次应用于污水处理。TiO 2光催化氧化技术对有机物的氧化分解效果好，能够较彻底地将有机物氧化成CO2、H2O。二氧化钛属于两性氧化物，在自然界中以3种品型的形式存在[1]。因此，TiO 2光催化氧化技术在难降解废水处理方面越来越受到重视，用于处理染废水、造纸废水、含酚废水等研究越来越多，并取得较理想的处理效果。TiO 2由于优异性能，有杀菌防紫外线、防雾及自清洁、光电转化等作用[2]。TiO2在光催化研究中地位较为核心[3]。工业废水中有机污染物处理效果可通过二氧化钛光催化技术氧化去除[4]。如何提高TiO 2光催化氧化技术的效能以及TiO 2的分离与重复使用问题是近几年TiO 2光催化氧化技术研究热点。负载型TiO 2光催化剂能够提高TiO 2光催化剂分离效果，降低处理成本，离子的掺杂可以提高TiO 2催化氧化效果TiO 2负载的载体、掺杂离子的性质、掺杂离子种类的多少，对TiO 2光催化氧化效果都有很大影响。
染料废水成分复杂、难生物降解有机物含量高，处理难度大，是难处理的工业废水之一。染料废水若不达标排放，将严重污染对水环境。染料化学结构越来越复杂，性能也越来越稳定，进而增加了染料废水的处理难度。处理染料废水的一般方法有化学氧化、生物氧化、混凝沉淀（气浮）、吸附等，但处理后的合格率不足60%[5]。近几年，采用高级氧化处理染料废水的研究越来越多，TiO 2光催化氧化技术就是其中研究比较多的一种。为了提高TiO2的光催化效率和实际应用的便捷性，TiO 2负载及离子掺杂是目前研究重点内容。
1.2国内外研究现状
1.2.1染料废水处理的研究现状
染料废水，尤其是偶氮染料废水，化学成分结构复杂，难于生物降解，处理难度大。传统的处理法包括吸附、生物氧化、化学氧化、膜分离、混凝沉淀（气浮）等，有时也采用组合工艺进行处理。
活性炭比表面积大，吸附能力强，采用活性炭吸附染料废水，有机物和色度均有较好的处理效果。活性炭吸附多用于小水量、低浓度染料废水的处理，有时也可以用做深度处理。吸附饱和的活性炭需要再生，再生费用较高。
化学氧化就是用氧化剂氧化处理染料废水，研究应用较多的是高级氧化法，包括臭氧氧化法、Fenton试剂法及其类芬顿氧化法、光催化氧化法等。高级氧化技术的核心实质是利用羟基自由基（·OH）氧化分解废水中的污染物，其特点是反应速率快、氧化效果好。O3/H2O2法对印染废水有较好的处理效果，不仅COD和色度的去除率分别达到82%和97%，而且废水的可生化性也得改善。Fenton试剂法对活性艳红X-3B染料废水有较好的处理，TOC去除率为48.81%，色度去除率达到98.93%。采用湿式空气氧化法处理酸性大红G废水，脱色效率达到94%以上。采用超声氧化-SBR工艺处理农药废水也取得较理想的处理效果。用Fenton试剂法、光催化氧化法等高级氧化法处理染料废水的研究越来越多，处理效果也比较好，值得做进一步的升入研究。
膜分离技术是21世纪废水处理领域中的一项新技术，对染料废水具有较好的处理效果。其中微滤（MF）、超滤（UF）在染料废水处理中应用较多。膜分离技术工艺简单，运行管理方便，处理效果，并且对污染物的去除还可以进行选择。但处理成本高，而且膜孔容易堵塞，重复利用率低。采用UF+NF的组合工艺处理含有两种染料的染料废水，SS、浊度、色度和COD均取得较理想的去除效果。
2试验装置及研究方法
2.1试验装置与载体
2.1.1试验装置
自制试验反应器为长方体有机玻璃槽，长为100cm、宽为45cm、高为60cm。光源采用紫外线灯和自然光，紫外线灯功率为45W，波长为253.7nm。紫外线灯置于反应器装置内部顶端，水平放置。转子流量计、曝气管以及曝气头共同组成了曝气系统。反应装置内可以放置4个1000mL的烧杯。为了避免光源外泄，用锡箔纸将反应装置外壁包裹。试验装置实物图如图2.1所示，原理图如图2.2所示：
2.2试验方法
（1）TiO 2/ACFs光催化剂制备及处理活性艳红染料废水的试验研究
将活性炭纤维剪裁成5cm×5cm，然后进行预处理。具体是将块状放入蒸馏水中进行超声震荡10min，然后自然晾干。如果自然晾干不完全，在干燥箱里用100℃的电热鼓风干燥2h。
取预处理后活性炭纤维，在室温条件下，采用溶胶—凝胶/浸渍—提拉法制备TiO 2/ACFs光催化剂。试验研究水和无水乙醇、煅烧时间、煅烧温度、镀膜次数对催化剂性能的影响。催化剂性能的验证试验是通过活性艳红X-3B废水脱色和COD的去除效果进行评价。
对制备出TiO 2/ACFs光催化剂进行SEM及XRD表征分析。
采用2.1.1的试验装置，试验研究自制的TiO 2/ACFs光催化剂处理活性艳红染料废水的效果，包括外加剂H2O2投加量、催化剂投加量、pH值、曝气量对处理效果的影响。
（2）Fe、N共掺杂TiO 2/ACFs光催化剂制备及处理活性艳红染料废水的试验研究
在制备TiO 2/ACFs光催化剂过程掺杂Fe和N，进而制备出Fe、N共掺杂TiO 2/ACFs光催化剂，制备步骤与上述方法基本相同，不同的是要把Fe和N掺杂进去。具体步骤是，在6个250ml的烧杯，分别加入30ml无水乙醇，然后分别加入不同量的Fe（NO3）3·9H2O，使n（Fe）：n（Ti）的比值分别为0.3%，0.5%，0.7%，0.9%，1.1%，1.3%，加入一定量的钛酸四丁酯和乙酰丙酮，在转速为300rad/min的条件下搅拌30min，得到溶液A。按同样方法，将Fe（NO3）3·9H2O改为尿素，使n（N）：n（Ti）的比值为0.1，0.2，0.4，0.6，0.8，得到溶液B。
将B溶液和A溶液均匀混合，在转速为300rad/min的条件下搅拌1h，产生溶胶凝胶，把溶胶负载在活性炭纤维上，制备出Fe、N共掺杂TiO 2/ACFs光催化剂。
3 TiO 2/ACFs光催化剂制备及处理活性艳红染料废水的试验研究.........................21
3.1催化剂载体的选择与预处理..........................21
3.1.1催化剂载体选择...........................21
3.1.2催化剂载体活性炭纤维的预处理.......................22
4 Fe、N共掺杂TiO 2/AFCs光催化剂制备及光催化处理活性艳红废水的研究..............37
4.1 Fe、N掺杂改性负载型TiO 2光催化剂的制备................................37
4.1.1 Fe、N掺杂改性负载型纳米TiO 2光催化剂的制备方法............................37
4.1.2离子掺杂对改性负载型光催化剂催化活性的影响.....................................37
5自然光下Fe、N共掺杂TiO 2/AFCs光催化剂处理活性艳红染料废水的研究.............53
5.1废水pH对处理效果的影响.....................................53
5.2催化剂的投加量对处理效果的影响......................54
5自然光下Fe、N共掺杂TiO2/AFCs光催化剂处理活性艳红染料废水的研究
5.1废水pH 对处理效果的影响
为了考察色度和COD去除率受到Fe、N共掺杂TiO2/AFCs处理活性艳红染料废水时pH值影响，做pH值单因素试验。在反应器中加入1L色度280倍，COD浓度为448mg/L染料废水，曝气量控制在0.6m3/h，混合均匀，在自然光照射下，反应时间120min。pH 值用盐酸调节，pH值控制在1、3、5、7、9、11、13的试验结果见图5.1，具体数据详见附表5.1。
由图5.1可以看出，pH值=3时，色度去除率和COD去除率分别为92.96%和86.02%。色度去除率和COD去除率随着pH值的逐步提升而降低。当pH超过9时，色度去除率和COD去除率随着pH值的逐步提升也不断提升。综上所述，pH值为3时，染料废水处理效果最好。
6结论与展望
6.1结论
本研究主要对Fe、N共掺杂TiO 2/ACFs光催化氧化处理活性艳红染料废水开展研究，制备了Fe、N共掺杂TiO 2/ACFs光催化剂，研究了制备条件；并以活性艳红染料废水为对象，试验研究Fe、N共掺杂TiO 2/ACFs光催化活性艳红染料废水的效果及工艺参数，得出的主要结论如下
