β-FeOOH及其负载TiO2光催化还原Cr(Ⅵ)的效果与作用机制研究

铬(Chromium)是广泛存在于自然界的一种元素，主要以Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)两种形态存在于环境中。Cr(Ⅵ)迁移性大、毒性强，对人类和环境有着严重的污染和毒害作用。铬及其化合物是冶金、金属加工、电镀、制革、颜料和有机合成等行业中常用的基本原料。在这些行业生产过程中产生的大量含铬废渣、废气和废水未经严格合理的处理就肆意排放，从而导致了我国许多地区存在着严重的铬污染问题。因此，选择高效快速的处理方法治理环境中的铬污染具有重要意义。以TiO2为代表的半导体材料光催化技术已在环境治理领域取得了一定的成效，但是该体系现有效率还难以满足实际运用的需求。相比之下，氧化铁和羟基氧化铁因其在自然界丰富的储量及特殊的物理化学性质而成为一类具有较大应用前景的光催化材料。
　　本文以Cr(Ⅵ)为目标污染物，主要研究了施氏矿物、黄钾铁矾、β-FeOOH及其复合物作为光催化剂还原Cr(Ⅵ)的催化反应机理。研究内容包括:1、施氏矿物、黄钾铁矾和β-FeOOH及在不同小分子有机酸（酒石酸、柠檬酸、草酸）协同下光催化还原Cr(Ⅵ)的效率研究。2、用生物和化学制备方法制得的β-FeOOH进行光催化还原Cr(Ⅵ)，探讨了pH、催化剂浓度、小分子有机酸(SOA)浓度变化对β-FeOOH光催化还原Cr(Ⅵ)效率的影响，并讨论了β-FeOOH协同小分子有机酸光催化还原Cr(Ⅵ)的机理。3、采用生物和化学法制备了β-FeOOH/TiO2的复合材料，用XRD、SEM、BET对复合材料进行表征，探讨了各实验因素变化对复合材料光催化还原Cr(Ⅵ)效率的影响。4、用因子试验设计研究各种试验条件(溶液pH值、Cr(Ⅵ)浓度、催化剂装载量及反应时间）及其相互作用对六价铬光催化还原效率的影响，并得出最佳反应条件。
　　经过系列试验，获得如下主要结果:
　　1、生物制备的施氏矿物、黄钾铁矾和β-FeOOH三种铁基材料对Cr(Ⅵ)光催化还原能力从大到小依次为:β-FeOOH＞施氏矿物＞黄钾铁矾。三种小分子有机酸中，酒石酸与施氏矿物、黄钾铁矾和β-FeOOH协同效果最好，Cr(Ⅵ)的还原率分别达到为92.8％、99.2％和67.8％。
　　2、生物成因β-FeOOH协同酒石酸后还原Cr(Ⅵ)能力增加明显，是没有β-FeOOH对照处理的4.35倍。并且pH、酒石酸浓度、催化剂浓度变化后对其光催化还原Cr(Ⅵ)影响较大;而化学制备β-FeOOH协同酒石酸后，光催化性能提升不明显，并且对各实验条件变化不敏感。生物制备的β-FeOOH具有较好的重复使用性能，在使用四次后，对Cr(Ⅵ)还原率还能够达到60％。
　　3、用生物方法将β-FeOOH和TiO2制备成复合材料后对β-FeOOH光催化性能提升较大。其中Fe3+∶ TiO2物质的量之比为60∶40的复合材料60β-FeOOH/TiO2光催化性能最优，当pH为2时，酒石酸浓度为100μmol/L，反应进行到40min时，Cr(Ⅵ)已被完全还原，是生物成因β-FeOOH在相同时间内还原效率的2倍。
　　4、用化学方法将β-FeOOH和TiO2制备成复合材料后光催化还原Cr(Ⅵ)效率提升很大。其中Fe3+∶ TiO2物质的量之比为75∶25的复合材料75β-FeOOH/TiO2光催化性能最优，在没有酒石酸协同的前提下，pH为4，反应进行到30min时，Cr(Ⅵ)已被完全还原。因子设计法设计试验结果表明pH值(X1)对Cr(Ⅵ)光催化还原效率贡献最大(47.76％)，之后依次是反应时间(X4，30.03％)、Cr(Ⅵ)浓度(X3，10.43％)、催化剂装载量(X2，7.80％)，而试验条件（独立变量）的相互作用总贡献率只有3.98％。方差分析显示拟合方程能较好地在各种试验条件下预测Cr(Ⅵ)光催化还原的效率(R2=97.84％)。