制备奈米二氧化钛触媒材料与应用电触媒处理染料废水.doc

製備奈米二氧化鈦觸媒材料與應用電觸媒處理染料廢水摘要電觸媒處理技術應用於染料廢水處理上已有相當的成效,其主要為當系統提供足夠能量於觸媒材料時,可經由觸媒激發後產生氫氧自由基(hydroxylradical),快速分解有機汙染物並改善廢水中的色度。而觸媒材料中,二氧化鈦具有良好之化學穩定性及高能隙()等性質,常受到廣泛地使用;若進一步將觸媒材料奈米化亦能提升整體催化活性,將有利於未來應用的重要關鍵。因此,本研究針對奈米二氧化鈦觸媒電極的製備、特性與染料降解進行試驗與探討。觸媒電極係利用化學氣相沉積儀器進行製備,經分析結果顯示,觸媒電極表面主要以Ti和O元素組成、二氧化鈦顆粒以奈米級尺度有效地沉積於基材上,且以批覆2次與氧化反應10hr為最佳製備條件。另外,利用電觸媒技術處理***橙染料廢水試驗中,使用各式觸媒電極、電解液種類與電流密度為操作參數,藉由分析處理前後廢水之色度及TOC,探討在不同條件下染料廢水之降解效果,並分析觸媒電極及其奈米化的特性反應。試驗顯示,以添加碳酸鈉(Na2CO3)電解液對於色度去除效果較佳,色度的去除效率與施加的電流密度大小成正相關;其中,奈米二氧化鈦極板(批覆2次)於電流密度20mAcm-2處理160min後,染料色度之去除效率可達約97%,TOC亦有約56%的去除效率。關鍵字:電觸媒、氫氧自由基、二氧化鈦、奈米化、化學氣相沉積、染料前言染料廢水因水質變化性大、高濃度、高色度且大量排放等性質[1],於高環境品質要求下,傳統染料廢水處理方法已略顯不足,且於處理上有些許的限制與缺失;主要為染料分子結構中常具有微生物難分解之特性,造成了傳統方法於去色效果上並不顯著。近年來,各種高級氧化程序(AOP)如光觸媒氧化法[2]、電觸媒氧化法[3-4]和其他組合式技術已陸續提出,成為改善傳統處理方法的一種新技術。其中,電觸媒技術因設備簡單、操作容易且對於有機汙染物有良好之降解能力,是一種無污染且有效的廢水處理方法,亦是具潛力之新穎技術。其基本原理為當觸媒材料受到足夠能量激發後,將產生電子與電洞對,進而再與水分子反應產生具有活性之氫氧自由基,可有效分解污染物結構達到礦化效果[5]。電觸媒技術是以施加電能於觸媒電極上,進而產生一連鎖反應,因此觸媒極板扮演著相當重要之角色。觸媒材料於近幾年來被認為具有淨化環境潛力的材料,主要有TiO2、ZrO2、ZnO、SnO2、CdS、WO3等[6],其中,二氧化鈦的物化性質穩定且有較大之能隙,對於有機汙染物有較佳的氧化能力,故受到廣泛使用;另外,為了能提升整體催化效率,將觸媒材料奈米化也是重要關鍵之一,能使材料之比表面積與表面活性提高,提升觸媒材料之反應活性[7]。而一般製備二氧化鈦的方法有Sol-Gel[8]、Sputtering[9]、spraypyrolysis[10]、ChemicalVaporDeposition[11]等方法,這些方法皆能得到高品質之觸媒。其中,CVD係利用化學反應的方式,將氣體反應物帶入某區域內反應,並沉積於基材表面的一種技術,此製備方法具有粒子均勻、純度高與化學反應性良好的特性,已逐漸成為半導體中重要之製備技術。因此,本試驗主要目的以化學氣相沉積儀器製備奈米級二氧化鈦觸媒電極,冀能製備出均勻性良好且粒徑微小之特性,並利用不同之操作條件探討電觸媒技術處理***橙染料降解效