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研究生:薛珮穎
研究生(外文):Pei-Ying Hsueh
論文名稱:二氧化鈦光催化降解偶氮染料之反應特性
論文名稱(外文):Reaction Characteristics of Photocatalytic Degradation of Azo Dyes in Titanium Dioxide Suspensions
指導教授:莊瑞鑫莊瑞鑫引用關係
指導教授(外文):Ruey-Shin Juang
學位類別:碩士
校院名稱:元智大學
系所名稱:化學工程與材料科學學系
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:96
中文關鍵詞:二氧化鈦光觸媒偶氮染料雙成分染料
外文關鍵詞:titanium dioxidephotocatalystazo dyebinary dye mixtures
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染料廢水主要具高色度、高COD及生物難分解性,對於染料廢水之處理技術,以高級氧化程序處理,具有能夠快速促使染料廢水脫色,並且有效達到礦化之效果,以利後續的處理程序。
染整業中常使用不同之染料,染料的使用提升了物質的經濟價值及滿足人們視覺上的感觀享受,卻也同時帶來了環境污染問題,其中偶氮染料的使用,約佔所有染料之50 %。本研究係利用UV/TiO2程序,進行偶氮染料之降解實驗,以Acid Orange 7 (酸性染料)及Reactive Red 2 (反應性染料)為目標污染物,探討水溶液酸鹼度、染料濃度及二氧化鈦添加量,在降解程序中各自所扮演角色之影響,最後並探討雙成分染料之分析。由實驗結果發現本實驗染料皆且具有二種形式,而該二種形式互為可逆反應。不照光吸附實驗顯示,TiO2對染料的吸附能力會隨著溶液酸度增加而提高,而與反應時間長短無關。由UV/TiO2系統實驗結果得知,染料色度去除率會隨著TiO2的添加量增加而增加,光催化效率並未因遮蔽效應而降低;然而隨著染料初始濃度增加,其光催化效率會隨之降低。在雙成分染料分析部分,運用將吸光度作一階微分的方式可處理雙成分染料定量的問題。
Dye-containing wastewater is a potential hazard of the environmental contamination. The characteristics of the dye pollutants are with high residual hues, with high chemical oxygen demand (COD), and difficult in decolorization and degradation by the bio-treatment. In the development of the technologies on the wastewater treatment, the advanced photochemical oxidation process is an effective solution to reduce the color and mineralize the dye-containing wastewater.
Among the dyes used in the dyeing industries, most parts, approximately 50 %, are azo compounds. And the azo-based dyes are concerned as the important environmental pollutants because they are suspected to be carcinogenic danger. Therefore, in this paper, it was used UV/TiO2 photocatalyic treatment process to investigate the properties of the degradation and decolorization for the Acid Orange 7 (AO7) and the Reactive Red 2 (RR2) dyes. The effect of parameters, such as pH, initial dye concentration, and TiO2 concentration was examined. Finally, the behavior of degradation for the binary-component dye mixtures was also checked. For the single component dye system, it is observed that the chemical form will be changed under different pH and the transition is reversible. The pH of the solution plays an important role on the degradation behavior in the TiO2 adsorption process. It is found that the adsorption of dyes on TiO2 increases with the solution acidity and is independent of reaction time. For the effect of TiO2 dose in UV/TiO2 degradation process, results show that the decolorization rate increases with TiO2 concentration and no screening effect was found. However, the increasing of the initial dye concentration results in the reduction of UV/TiO2 photocatalyic efficiency. In additions, for the binary dye mixtures, the study shows the first-order-differential absorption method can successfully analyze the quantities of dyes respectively and the decomposition rate therefore can be determined.
摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 IX
表目錄 XII
符號說明 XIII
第一章 序論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 4
1.3 研究內容及規劃 5
第二章 文獻文顧 7
2.1 染料概述 7
2.1.1 染料簡介 7
2.1.2 染料的種類與特性 7
2.1.3 染料的發色原理 10
2.1.4 染料之降解途徑 11
2.1.5 染整污染現況 12
2.1.6 染整廢水之處理 13
2.2 半導體光觸媒 17
2.2.1 半導體的種類 17
2.2.2 半導體光催化特性 20
2.3 二氧化鈦光催化降解 22
2.3.1 二氧化鈦簡介 22
2.3.2 二氧化鈦光催化原理 24
2.3.3 二氧化鈦反應機制 26
2.3.4 影響光催化反應速率的因素 28
2.3.4.1 金屬摻雜 28
2.3.4.2 TiO2使用量 28
2.3.4.3 量子尺寸效應 28
2.3.4.4 晶相型態的差異性 29
2.3.4.5 光強度及光波長 30
2.3.4.6 反應物的初始濃度 30
2.3.4.7 pH值的影響 30
2.3.4.8 溫度的影響 30
2.3.4.9 外加氧化劑的影響 31
2.3.5 二氧化鈦的改質 31
2.3.5.1 二氧化鈦摻雜金屬 32
2.3.5.2 二氧化鈦摻雜非金屬 33
2.3.5.3 二氧化鈦摻雜其他半導體 33
2.4 二氧化鈦光催化降解染料動力學 34
第三章 實驗部分 36
3.1實驗藥品與儀器 36
3.1.1 實驗藥品 36
3.1.2 實驗儀器 36
3.1.3二氧化鈦光降解反應器 37
3.1.3.1 光觸媒反應器之光源 37
3.1.3.2 光觸媒降解反應器裝置 39
3.2 實驗步驟及方法 41
3.2.1 染料溶液基本分析 42
3.2.1.1 全波長變化實驗 42
3.2.1.2 pH值對TiO2吸附染料能力之影響 44
3.2.2 背景實驗 44
3.2.2.1 單獨照光-UV燈直接降解 44
3.2.2.2 單獨吸附- TiO2對於染料之吸附作用 44
3.2.2.3 自然光解 45
3.2.3 實驗流程 46
3.2.4 UV/TiO2系統染料廢水降解 47
3.2.4.1 不同TiO2添加量對染料廢水降解之影響 47
3.2.4.2 不同染料濃度對降解之影響 47
3.2.4.3 不同初始pH值染料廢水對降解之影響 48
第四章 實驗結果與討論 49
4.1 染料特性實驗 49
4.1.1 AO7染料溶液基本分析 49
4.1.1.1 全波長變化實驗 49
4.1.1.2 pH值對TiO2吸附染料能力之影響 51
4.1.2 RR2染料溶液基本分析 52
4.1.2.1全波長變化實驗 52
4.1.2.2 pH值對TiO2吸附染料能力之影響 54
4.1.3 綜合分析 55
4.2 背景實驗 57
4.2.1 AO7染料溶液背景實驗 57
4.2.1.1 單獨照光-UV燈直接光解 57
4.2.1.2 單獨吸附- TiO2對於染料之吸附降解 58
4.2.1.3 自然光解實驗 60
4.2.2 RR2染料溶液背景實驗 61
4.2.2.1 單獨照光-UV燈直接光解 61
4.2.2.2 單獨吸附- TiO2對於染料之吸附降解 62
4.2.2.3 自然光解實驗 64
4.2.3 綜合分析 65
4.3 UV/TiO2系統染料廢水降解 66
4.3.1 TiO2添加量 66
4.3.1.1不同TiO2添加量對AO7染料廢水降解之影響 66
4.3.1.2不同TiO2添加量對RR2染料廢水降解之影響 67
4.3.2 染料溶液濃度 69
4.3.2.1不同初始AO7染料濃度對降解之影響 69
4.3.2.2不同初始RR2染料濃度對降解之影響 71
4.3.2.3 染料廢水之礦化 73
4.3.3 染料溶液pH值 74
4.3.3.1不同初始pH值AO7染料溶液對降解之影響 74
4.3.3.2不同初始pH值RR2染料溶液對降解之影響 75
4.3.4 綜合分析 76
4.4雙成分染料系統分析 77
4.4.1雙成分系統定量實驗 77
4.4.2 利用一階微分法分析雙成分染料濃度 78
4.4.2.1 判斷AO7及RR2之最佳分析波長 78
4.4.2.2 驗證一階微分方法之可行性 80
4.4.3 雙成分染料濃度定量 85
4.4.4 UV/TiO2系統雙成分染料廢水降解 87
第五章 結論 89
參考文獻 91
自述 96
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