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关键词： 纳米ZnO   Ce掺杂   光催化罗丹明B   结构特征   动力学  

摘要： 以高温热解法制备的纳米ZnO为底物,掺杂稀土元素Ce制备纳米材料Ce-ZnO,采用X-射线衍射分析(XRD)和能谱分析(EDS)表征材料的结构特征和元素组成。以罗丹明B(RhB)染料为单一污水体系,研究Ce-ZnO光催化降解RhB染料效果。XRD分析结果显示纳米材料Ce-ZnO具有六方晶系纤锌矿型结构特征衍射峰,且出现与CeO2相关的衍射峰。EDS分析确定Ce-ZnO中Ce和Zn元素质量比为1∶23.88。Ce-ZnO光催化降解RhB按照一级动力学反应进行,其中在自然光下的一级动力学常数k1为0.0398,大于紫外光下的一级动力学常数0.0240,说明掺杂稀土元素Ce能有效提高纳米ZnO在自然光下催化降解RhB。

关键词： 染料颜色   溶解度   苯环   羰基   优化设计  

摘要： 在染整行业中,染色环节是染料对织物上染颜色的过程,因此染料的性质决定了产品的质量。色谱和溶解度是染料的两个重要指标,它们都受分子量影响。通常染料色谱越深,分子量越大;但分子量越大,溶解度却越小。因此,色谱和溶解度二者是相互矛盾的。尤其对于超临界CO2染色,染料的溶解度是当前染料设计研究面临的技术难题,色谱深的染料溶解性能较差,因此解决色谱和溶解度的矛盾问题对提高染料设计效率和染料质量具有重要意义。为了解决以上存在的问题,本课题一方面优化设计染料的分子结构,得到目标染料,另一方面根据目标染料的分子结构,优化设计染料的合成路线,研究内容如下:1、通过分析分子轨道、电子跃迁来研究含羰基功能团的链状多苯环染料的分子结构。以薛定谔方程为理论基础建立染料分子结构与颜色的微观模型,并建立不含功能团的链状多苯环染料分子最大吸收波长与苯环个数模型,进一步引入羰基功能团,分别建立染料分子最大吸收波长与羰基个数和羰基位置的模型,并通过Gaussian等仿真软件验证了模型的准确性。2、染料的色谱和溶解度都与分子结构有关,为了同时满足色谱和溶解度的要求,建立以染料色谱深度为约束,溶解度最大即相对分子质量最小为目标函数的弱极性染料分子结构的最优化模型,并采用多目标分层优化的方法得到链状多苯环染料色谱深度最大时最小的苯环个数、羰基个数以及最佳的羰基位置,设计出最优的染料分子结构,并验证了最优化方法设计染料分子结构的可行性,为以后染料分子设计提供有效的方法,提高了染料设计的效率。3、以并四苯-1,7-二酮染料为目标染料,利用启发式搜索算法得到染料合成的中间体,并通过构建贝叶斯网络得到合成目标染料的最佳路线,提高了染料合成的效率,保证了产品质量。以上的研究为染料分子结构及合成的优化设计提供有效参考,对提高染料设计效率、降低染料合成成本和提高染料质量具有重要意义。

关键词： 有机染料   吸附   光催化   水滑石基材料   层级结构   过渡金属  

摘要： 印染纺织工业中的染料废水直接排放将对生态环境平衡和人类健康造成严重的负面影响。因此,对大量有机染料废水进行有效处理具有重要意义。吸附法因其操作简便且效率高被广泛的应用于有机染料废水处理中;光催化技术能将难以生物降解的污染物彻底去除且绿色环保,具有广阔的应用前景。水滑石基材料因其来源广泛且分散性高、稳定性强,具有可调控的化学组成和多样化的结构形貌,成为吸附/光催化处理染料废水领域的研究热点。因此,本文主要是一步法制备具有层级结构的水滑石基材料,并探究其处理有机染料废水的应用。具体研究内容如下:以纳米级氧化铝(γ-AlO)粒子为可牺牲的软模板剂,利用双滴共沉淀一步法制备了具有三维层级花状结构的镁铝水滑石和含过渡金属的层级结构水滑石基材料(LDH-M,M:Co、Ni、Cu和Zn),该制备方法易于操作、产率高、合成的可控性强且绿色环保。探究了不同制备方法、过渡金属种类和掺入量及体系p H对LDH-Ni结构形貌的影响,并提出了层级花状结构可能的形成机理。将水滑石基材料前驱体在500℃高温下焙烧,以层级花状结构镁铝水滑石的焙烧产物为吸附剂,探究其对有机阴离子染料刚果红、甲基橙和甲基蓝的吸附性能,并对吸附机理进行研究。结果表明,该吸附剂对三种有机染料均具有优异的吸附能力并展现出良好的循环使用性,且吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir吸附等温线;优异的吸附能力主要是由表面静电吸附,水滑石的结构“记忆效应”和三维层级花状结构形貌共同决定。以含过渡金属的水滑石基材料的焙烧产物为光催化剂,探究其对有机染料甲基橙和亚甲基蓝的光催化降解性能。结果表明,过渡金属的掺入并没有提高水滑石基材料的吸附性能,却极大地提高了材料的光催化性能,且光催化过程符合拟一级动力学方程;过渡金属Zn掺杂的水滑石基材料对亚甲基蓝具有良好的光催化降解能力,催化剂LDO-Zn在500℃下焙烧,用量为100 mg时,在偏弱酸或弱碱的环境下对阳离子染料亚甲基蓝的降解率高达96.0%以上;光催化过程为催化剂在紫外光照条件下产生羟基和光生空穴等活性自由基,并与染料分子发生氧化还原反应,从而降解染料。

关键词： 夹心型多酸   合成   光电性能   光阳极   染料敏化太阳能电池  

摘要： 化石能源的急剧消耗以及由其引起的环境问题,使得当今社会对能源的需求日益增多,为此需要开发利用新型可持续能源来代替化石能源。而太阳能是我们最容易获取、使用最广泛的一种清洁可持续能源。染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized solar cells简写为DSSC）可以将太阳能转化为电能,它作为最有前景的第三代光伏设备中的一员,具有很多其它电池没有的优点,比如较低的制造成本以及简便的制造方法。这样的优点使得DSSC有很大的潜力代替传统的硅基光伏设备。DSSC主要由光阳极、对电极和电解液三部分构成,其中光阳极是基于半导体（比如TiO2、ZnO等）制造而成,主要起到传输电子与吸附染料的作用,并且影响光电压和光电流的大小。但是染料分子与半导体材料之间存在的电子重组会影响电子传输的速度,而且半导体的紫外吸收范围通常较窄,也会影响可见光的吸收,这会降低电池的性能。为了提高DSSC的光电性能,改善光阳极是很有必要的。而多金属氧酸盐（polyoxometalates简写为POM）具有特殊的氧化还原性能,可以在进行多电子可逆氧化还原反应后仍然保留原来的结构。其中夹心型多酸更是由于其引入了过渡金属,可以将多酸的吸收光谱由单一的紫外光延伸至可见光,甚至整个吸收光谱,表现出了极其优异的光吸收性能。并且夹心型多酸能够作为电子受体捕获半导体导带中的光生电子,在一定程度上可以抑制电子复合。这些性质使得夹心型多酸在光阳极的应用中具有非常广阔的前景,将夹心型多酸与半导体复合后制成光阳极用来抑制电子复合是减少光电子损耗的一种重要方法。本文中,合成了两种新型的有机无机杂化的夹心型多钨酸盐,将其作为电子受体应用在光阳极中,有效的提高了DSSC的光伏性能。此外,还选择在可见区有较强吸收的纯无机夹心型多酸,将该多酸与TiO2进行复合,改善TiO2的光吸收以及电子传输效果,从而改善光电性能。具体工作如下:1.水热合成了两种有机-无机杂化的夹心型钨酸盐,化合物1为H6[Cu（im）4][Na2Cu3（H2O）3Cu（H2O）2(SbW9O33)2]·36H2O（1）(im=咪唑),它是四核夹心型多钨酸盐。化合物2为H5[Cu(im4)][Na（H2O）2Cu5（H2O）5(AsW9O33)2]·31H2O（2）,它是五核夹心型多钨酸盐。通过红外（IR）、粉末X-射线衍射、固体漫反射谱、热重以及循环伏安法对其性质进行了表征分析。通过单晶衍射分析得知,在两种化合物中,[Cu（im）4]2+阳离子与夹心型多酸单元交替连接构成了一维链结构。研究了化合物1在DSSC中的应用。通过循环伏安曲线计算出其LUMO能级为-4.89 eV,比TiO2的能级（-4.0 eV）低,表明化合物1的能级与TiO2的导带很好的匹配。将化合物1与TiO2复合作为DSSC的光阳极后,对于DSSC的光电转化效率的提高有明显作用,将DSSC的光电转化效率从6.08%提高到7.71%,比起纯的P25的效率提高了26.8%。化合物1作为电子受体应用到光阳极后,可以加速电子的移动。同时多酸的引入提高了TiO2对于光能的吸收,改善DSSC的光电性能。2.选取纯无机多钨酸盐Na9[Na3（H2O）6Cu3（H2O）3(SbW9O33)2]·40H2O（Cu3Na3）应用于光阳极中,最终提高了DSSC的光电转化效率。通过红外（IR）、粉末X-射线衍射、固体漫反射谱、热重以及循环伏安法对其性质进行了表征分析。由循环伏安曲线计算出的LUMO能级为-5.02 eV,这表明化合物Cu3Na3的LUMO能级低于TiO2的能级,说明化合物Cu3Na3可以作为电子受体应用于光阳极中。固体漫反射光谱表明化合物Cu3Na3在200-900 nm的范围内均有光吸收,并且吸收强度较高。采用溶胶凝胶法将其与TiO2复合,可以将TiO2的吸收范围由λ<430 nm（紫外区）扩展到全光谱吸收,改善了TiO2的光吸收。将化合物Cu3Na3应用到光阳极后,对于DSSC效率的提高有明显作用,化合物Cu3Na3将DSSC的效率从6.08%提高到6.91%,光电转化效率比起纯的P25提高了13.66%。

关键词： 金属有机框架   染料包封   二氨基吖啶   晶体结构   发光感应  

摘要： 合成功能性多孔金属有机骨架之后,客体分子的封装越来越引起人们的兴趣。近来,荧光染料被用于掺入MOF的孔道中,来抑制聚集诱导的猝灭(ACQ)效应,大大限制了它们在固态器件中的应用,。MOF包含周期性重复的孔道结构和可控制的孔径,有利于包封的染料分子的束缚作用。封装的染料分子则表现出增强的发射量子产率和光化学稳定性。但然而,由于大多数MOF的晶体结构,结合不可避免地被扭曲或破坏,MOFs密闭空间中被包封的染料分子的分布和分子间相互作用的实验确定仍处于起步阶段,并且具有巨大的挑战性。此外,多步骤过程既费时又有问题。因此,需要研究染料@MOF复合材料。本文的主要内容和主题概括如下:基于1,3,5-苯并三羧酸酯和1,2,4,5-苯并四羧酸酯配体的两种PF包封的锌(Ⅱ)MOF的合成,结构和发光性质(1)在本章中,两种基于染料包封的MOF:[Zn(BTC)(HPF)(H2O)](1)and[Zn(H2BTEC)0.5(BTEC)0.5(HPF)(H2O)2](2)是分别由一锅水热法中用 1,3,5-苯三羧酸(H3BTC)和1,2,4,5-苯四羧酸(H4BTEC)配体与原黄素(PF)处理Zn(Ⅱ)离子而合成的。同时,还首次确定了 PF与溶剂分子[PF(H2SO4)(DMF)(EtOH)](PFa)的超分子自聚集。然而,在实验过程中,还得到了另外两个不含PF分子的Zn-MOF[Zn3(BTC)2(H2O)8](H2O)4 和[Zn2(BTEC)(H2O)6]·2H2O。表征了这些化合物的单晶结构和光致发光性质。1和2的光物理性质表明,这两种化合物的发射主要归因于PF分子的电子跃迁,导致不同的聚集体结构。染料在有限空间内的发光行为与分子堆积模式的变化有关。因此,研究了 1和2的晶体结构,发现在1和2中存在具有质子化PF功能的新型氢键模式,这是因为在层之间发现了供体并形成了三维网络。另外,为了利用PF的固有特性,我们能够探索1和2对不同阴离子和硝基芳香族化合物的感测能力。即使在存在其他竞争性干扰分析物的情况下,Cr2O72-离子也可在水性介质中显着猝灭1的强发射。此外,2在淬灭效率分别为80%和79%的水性介质中显示出对Cr2O72-和TNP的高度选择性和灵敏检测。而其他阴离子和硝基芳族化合物则不会引起发射猝灭,最后讨论了荧光猝灭机理。基于5-硝基间苯二甲酸酯配体的PF封装的锌(Ⅱ)MOF的合成,结构和发光性能(2)通过使用5-硝基间苯二甲酸(5-H2NIPH)作为桥连配体,在相同条件下合成了化合物[Zn(NIPH)2(HPF)2](3)。化合物3具有以Zn(Ⅱ)为中心的Diamond dia拓扑结构,NIPH可以充当2连接的桥接配体。质子化的PF位于3的通道中,作为客体分子用于电荷平衡,空间填充和结构定向。该化合物在596 nm固态最大值处的荧光性质主要归因于PF染料。该化合物在晶体中显示红色荧光,在溶液中显示绿色发射。溶液中3的强烈绿色发射可用于探索对不同阴离子和金属离子的传感特性。因此,它可以灵敏和选择性地检测Cr2O72-和Fe3+离子。通过紫外可见吸收光谱,粉末X射线衍射(PXRD)和发射寿命衰减测量探究了可能的检测机理。基于1,3,5-苯三羧酸和1,2,4,5-苯四羧酸酯配体的两种PF包覆的Cd(Ⅱ)MOF的合成,结构和发光性质(3)在本章中,我们使用一锅水热法合成了两种新型的染料包覆的MOF。为此,我们将 Cd(Ⅱ)离子与 Profllavin 染料配合使用,配制了[Cd(BTC)(HPF)(H2O)](4)和[Cd(H2BTEC)0.5(BTEC)0.5(HPF)(H2O)2](5)。研究了化合物 4 和 5 的晶体结构,发现在 4和5中具有质子化PF功能的新型氢键模式是在两层之间发现了供体并形成了三维网络。同时,用原黄素(PF)染料和HABTEC配体通过自聚集法合成了超分子[(HPF)(H2BTEC)(BTEC)(H2O)2]PF-BTEC,这些结果表明:该方法可用于获得具有不同金属离子的新型荧光染料包裹的MOF。上述结果表明,我们可以通过改变金属和配体来合成新型的荧光染料包封的复合材料。这项工作展示了重要的成果,即一锅法制备染料@MOFs系统的稳定方法。因此,这些研究能够扩展MOF领域的应用范围。

关键词： 植物靛蓝   合成靛蓝   结构特性   染色工艺   应用鉴别  

摘要： 随着绿色环保的理念深入人心,合成染料在生产、使用和废弃过程中对人体健康和生态环境的不利影响越来越受到人们的关注,天然染料则以其绿色安全、抗菌消炎和环境相容等优异的特性重新受到了世人的喜爱和追捧,尤其是使用最为广泛的植物靛蓝。为促进植物靛蓝的大规模工业化生产与应用,本课题以植物靛蓝染料为主要研究对象,对靛蓝的分子结构、光谱特性、染色工艺、鉴别方法与应用性能进行了系统的研究。本文通过采用理论计算与实验相结合的方法,研究了靛蓝的分子结构与光谱特性。几何构型研究表明,靛蓝为共轭程度较高的平面型分子,属于C2h点群;分子表面静电势揭示了单个靛蓝分子中可同时形成两个分子内氢键;前线轨道分析表明靛蓝分子的化学性质比较稳定。基于以上分子结构的研究,进一步分析了靛蓝在红外与拉曼光谱中的84种振动模式,研究了靛蓝在紫外与荧光光谱中的发光机制。光谱特性研究结果表明,靛蓝位于268 nm与612 nm处的主要特征吸收峰均属于π→π*跃迁,靛蓝位于486 nm处的荧光发射峰,也属于π→π*跃迁。以纯棉织物为载体,通过使用单因素与正交实验法优化了植物靛蓝的染色工艺参数。结果显示:以K/S值作为评价指标时,当植物靛蓝染料用量为5.0%（o.w.f）,还原温度为50℃,烧碱浓度为0.625 g/L,保险粉浓度为1.125 g/L,分散剂浓度为10.0 g/L时,棉织物的染色效果最佳,此时K/S值可达13.518。对比了植物与合成靛蓝染料在物理性状、成分、染色性能与应用性能的差异。研究发现,植物靛蓝通常为粉末状,颜色萎暗,有鱼腥草气味,合成靛蓝通常为颗粒状,有金属光泽;市售植物靛蓝中掺杂氯化钠与硫酸钠等无机物,通过X射线衍射法与红外光谱法均可快速、准确地鉴别植物与合成靛蓝染料;染色性能对比研究的结果表明,植物靛蓝吸附在杂质上使染料颗粒变大,其扩散性和移染性相对较差,但植物靛蓝的初染性和匀染性均与合成靛蓝相似;应用性能对比研究结果表明,植物靛蓝与合成靛蓝染色织物的色牢度基本一致,均达到了服用性能指标,其中植物靛蓝染色织物的耐摩擦色牢度更好,且植物靛蓝染色织物的手感更加柔软,对大肠杆菌还有一定的抑制作用。

关键词： 高分子材料系   电功能高分子材料   高分子学科   材料科学与工程学院  

摘要： 同济大学是我国较早从事高分子材料教学与科研的高等院校之一,其高分子学科的历史可追溯至1959年创建的建筑塑料专业,创始人为阮金望教授.经过多年发展,尤其是近年来引进了不少高端人才,高分子学科凝聚了一支结构合理的优秀教师队伍,培养了大量优秀的本科生和研究生.2015年,新的高分子材料系成立,进一步加强了高分子学科的教学科研力量和综合实力.

关键词： 染料敏化太阳电池   密度泛函理论   含时密度泛函理论   Ru配合物染料   有机染料   扩展的休克尔分子轨道理论   界面电子转移  

摘要： 染料敏化太阳能电池(DSSCs)具有低成本、低污染且可高效的将太阳能转化为电能的优点而被广泛研究。深刻理解染料敏化太阳能电池的工作机理对提高电池的光电转化效率起着重要作用。染料分子是染料敏化太阳能电池中最重要的组成部分。染料被用于捕获太阳光并进行界面电子转移,针对染料敏化剂进行合理地结构修饰能有效的提高电池效率。理论计算可预测实验并辅助实验,并从原子细节揭示染料敏化太阳能电池的工作机理并表征不同组件对其效率的重要影响。本文从广泛研究的Ru(II)配合物染料和有机染料出发,从理论层面深入探讨染料分子的微观结构对电池性能的影响。从而为实验设计新型高效的染料敏化剂提供有益的理论指导。相关研究内容如下:现阶段在Ru(II)配合物染料中通常使用中性配体,然而阴离子配体却较少被关注到。基于此,针对Ru(II)配合物染料中阴离子辅助配体对DSSCs性能的影响进行深入探讨。详细讨论了三种具有中性或阴离子四唑基配体的Ru(II)配合物染料。使用密度泛函理论结合含时密度泛函理论方法调查了染料分子的几何结构、电子结构、光学吸收性质以及界面相互作用。计算结果表明,阴离子辅助配体能有效增强给电子能力、提高占据轨道能级从而增强光捕获能力。同时改善界面电荷分离,抑制不利于电池性能的能量损失通道。而中性配体的主要光学吸收带呈现配体至配体的电荷转移特征,不利于分子内电荷分离。为了阐明阴离子辅助配体如何影响染料/Ti O2的界面电荷转移,执行了量子动力学模拟。研究结果表明电子初始态的选择强烈影响界面电荷注入,同时证实了阴离子基团的引入能有效加快界面电荷转移。总之,模拟结果与实验数据很好地吻合,有助于理解阴离子四唑基配体如何对器件性能进行改善。建议实验设计高效的染料分子可以拓展到含有阴离子基团的钌配合物染料分子上。探究了钌配合物中染料分子的吸附基团取代位置的差异对染料光电性能的影响。采用基于芳基胺的正方形平面四齿配体的Ru(II)配合物染料K1作为母体染料,通过提高辅助配体共轭性以及变换吸附基团的取代位置从理论角度设计了三个新型染料(Ru1、Ru2和Ru3)。实验已证实,K1由于具有高度共轭的辅助配体使其光吸收能力优于著名的N749染料,因此将其作为母体染料进一步结构修饰并对不同染料性能进行详细表征。具体针对染料的几何和电子结构性质、光的捕获及利用、分子内/分子与界面的电荷转移进行详细探讨。研究结果表明,相比于参考染料K1,含有共轭性更强的芳基甲烷基团的Ru1具有更强的光吸收能力和更有效的界面电子转移。证实了羧酸吸附基团的位置能够很大程度上影响界面电子转移速率。根本原因在于改变吸附基团的位置导致电子给体与电子受体轨道之间相互作用的耦合程度发生改变,因此Ru3(吸附基团连接到吡啶环上)比Ru2(吸附基团连接到吡咯配体上)具有更快的界面电子转移速率。系统的研究了有机染料分子中π-桥的共轭扩展和电子给体的结构修饰对染料性能的影响。通过多种修饰策略调控有机染料分子电子给体和π-桥基团,从理论角度设计了一系列有前景的有机D-π-A染料。全面地分析了影响染料以及染料/Ti O2界面体系效率的光吸收性能、分子内电荷转移、染料与电解质I2复合特性、染料再生性质以及界面电子注入速率。研究结果表明,进一步延长染料的π-桥能够使得吸收光谱逐渐红移,光捕获能力增强,但却会使得最高占据分子轨道(HOMO)能级下降,导致染料的HOMO能级与电解质的氧化还原电势之间产生不利的能级排布。因此注入到Ti O2中的电子与电解质之间的电荷复合增加,染料再生效率低下,从理论上揭示了电池性能降低的关键原因。用咔唑或香豆素电子给体基团进一步取代三苯胺电子给体可以定向降低HOMO能级,在保持其他优异特性的前提下同时避免无效的染料再生过程。最终设计出了一个光吸收效率、染料再生效率均较高的染料分子。电子受体基团可强烈影响界面电子转移从而控制电池表现,因此值得深入探讨。研究了一系列用于染料敏化太阳能电池的吸附基团,并特别关注于最具潜力的新型吡啶叶立德吸附基团。使用量子化学计算分析染料的光吸收性质、染料/(Ti O2)16团簇复合体系态密度变化以及界面电荷转移。通过对影响短路电流和开路电压的关键参数进行全面评估以衡量不同吸附基团对染料性能的影响,从而筛选出更具前景的吸附基团。研究结果表明,基于吡啶叶立德吸附基团的染料有利于光的捕获并改善分子内电荷转移特征,同时向上迁移Ti O2半导体导带边缘,因此进一步提升了短路电流和开路电压。由于更强的电子给体-电子受体的相互作用,具有共轭结构的若丹宁-3-乙酸吸附基团相对于其非共轭结构增强了电子注入能力。理论计算结果表明,与传统的羧酸和若丹宁-3乙酸吸附基团相对比,新型吡啶叶立德吸附基团具有巨大的应用潜力。揭示了局部结构变化在界面电子转移中的关键作用。

关键词： 杂多酸盐   负载   超声催化   降解  

摘要： 印染废水因色度深、排放量大、有机污染物浓度高、有机污染物种类多、成分复杂等因素对环境及人类健康造成巨大危害。传统处理方法很难达到理想的降解有机污染物的效果,超声作用可利用超声的空化效应将污染物最终降解为CO2、H2O或低毒性的小分子物质,具有高效节能、绿色环保、避免二次污染等优点。因此,受到各国学者的广泛关注。杂多化合物作为目前新型的催化材料,具有独特的结构、“假液相”行为、多功能性（强酸性、氧化性、光电催化）、低温高活性以及无毒、无味、无挥发性等优点,在催化研究领域具有较好的应用前景。本研究运用经典酸化法制备四种杂多酸盐催化剂,以四种典型染料（亚甲基蓝、结晶紫、茜素黄和罗丹明B）配制的模拟染料废水为目标降解物,在超声辅助下,探讨杂多酸盐的催化降解性能。为解决杂多化合物存比表面积小,易溶于溶液,难回收等问题,采用接枝法制备高效可再生杂多化合物复合型催化剂,并综合考察其催化降解性能。本课题采用经典酸化法制备1:11系列Keggin型杂多酸盐Na5（6）[XZr W11O39]·n H2O（记为:XZr W,X为Mn、Zn、Ti及Cr）,综合运用红外光谱（FT-IR）、X-射线衍射（XRD）、紫外-可见吸收光谱分析（Uv-Vis）和扫描电子显微镜（SEM）等检测手段对杂多酸的结构及性质作出系统表征,结果表明制备的样品具备典型Keggin结构,且有较好的热稳定性及较为规则的晶体结构。实验结果表明,Zn Zr W与Ti Zr W具有较强的催化性能,对亚甲基蓝及结晶紫模拟染料废水具有较强的催化降解效果。并在超声波辅助作用下考察杂多酸盐催化剂,在催化剂用量、模拟染料废水初始浓度、超声频率、超声功率、溶液温度以及溶液的p H值等因素对催化降解效果的影响。实验结果表明,在最佳催化条件下,杂多酸盐Zn Zr W对亚甲基蓝模拟染料废水的催化降解率可达93.5%,对结晶紫模拟染料废水的催化降解率可达90.6%。在最佳催化条件下,杂多酸盐Ti Zr W对亚甲基蓝模拟染料废水的最佳催化降解率可达94.6%。对结晶紫模拟染料废水的催化降解率可达92.3%。杂多化合物以其优良催化性能被广泛应用于催化领域,本课题将杂多化合物固载于Si O2上,弥补了杂多化合物比表面积低、难回收的缺陷。本研究采用接枝法制得氨基化中空Si O2微粒,并通过偶联剂（APTMS）将磷钨酸（HPW）搭载于NH2-Si O2,最终制得氨基化中空Si O2磷钨酸复合型催化剂NH4PW-Si O2,并对催化剂进行了FT-IR、XRD、SEM、BET和ICP-OES分析。探讨杂多化合物复合型催化剂对模拟染料废水催化降解性能,综合考察了催化剂用量、模拟染料废水初始浓度、溶液p H、溶液温度、超声频率及超声功率对催化降解的影响。实验结果表明,在实验条件为:催化剂投加量1.5 g/L、模拟染料废水初始浓度为15 mg/L、超声频率60 KHz、超声功率100%、溶液p H 7、室温条件下,NH4PW-Si O2对亚甲基蓝模拟染料废水的最佳催化降解率可达88.3%。在实验条件为:催化剂投加量1.5 g/L、模拟染料废水初始浓度为15 mg/L、超声频率60 KHz、超声功率100%、溶液p H 7,室温条件下,NH4PW-Si O2对结晶紫模拟染料废水的最佳催化降解率可达89.6%。且NH4PW-Si O2再生方法简单,经重复使用5次后,催化降解效率未见显著降低。利用一级反应速率方程-d C_t/dt=k C_t,研究了典型染料（亚甲基蓝、结晶紫）单组分模拟体系的催化降解反应动力学,发现各典型染料的表观反应级数均为一级。

关键词： 染料循环系统   染料池   粒子图像测速技术   背景纹影技术   折射率   结构改进  

摘要： 染料循环系统作为染料池的装载设备,为染料池的性能提供了重要保证。染料循环系统广泛应用于激光、废水处理及利用等领域,染料池作为染料循环系统的核心部件,因其内部结构特殊,难以保持流态的均匀性,因此研究染料池的折射率、边界层厚度及涡量分布等具有十分重要的意义。然而目前对染料循环系统和染料池的研究还不够全面,为此本文采用数值模拟和试验相结合的方法研究了染料循环系统的各项性能以及染料池的内流特性,并对染料池结构进行改进。本文主要工作和研究成果如下:1.较为详细地阐述了目前染料循环系统以及染料池的研究现状,并总结了PIV技术和折射率的研究现状。2.搭建了染料循环系统性能测试试验台,对30Hz、40Hz和50Hz工频下旋涡泵的能量特性、空化特性、压力脉动、振动和噪声特性进行测量,并对阀门全开和半开时染料循环系统中染料池进出口压力和旋涡泵出口的压力脉动、振动特性、噪声和温度特性进行测量,研究表明:(1)旋涡泵的最佳效率点随转速向大流量偏移;临界汽蚀余量随流量和工频的增大而增大;压力脉动的宽频带随流量的增大而缩短,压力脉动的均值随工频的增加而增大;噪声随流量的上升呈下降趋势。(2)染料池两端的压降随工频和流量的增加而增大。(3)染料循环系统中旋涡泵出口的压力脉动幅值随工频的增加而增大,随流量的增加而减小;振动速度幅值随流量的增大而减小;噪声随工频的增加而增大,随流量的增加而减小;温度随工频的增加而升高,随流量的增加而降低。3.搭建了染料池可视化试验台,通过粒子图像测速技术及背景纹影技术对50Hz工频时3个不同流速下的染料池内部流态及折射率进行了分析,研究表明:(1)染料池内流线分布比较均匀,速度梯度随流速的增大而增大。(2)当v=5.99m/s时,折射率范围为0.99989～1.00015;当v=7.82m/s时,折射率范围为0.99985～1.00025;当v=9.80m/s时,折射率范围为0.99983～1.00025。4.基于CFX分析了中间流速分别为6m/s、8m/s和10m/s时染料池流道的边界层厚度、速度分布、压力分布以及涡核分布,同时对染料池主体流道结构进行改进,改变其收缩角、扩散角,并对流道尖角部分进行倒角处理,最终选出4个较优方案,进行对比分析,研究表明:(1)不同流速下,染料池内边界层分布规律相似,平均边界层厚度均为0.020mm。(2)染料池收缩段和扩散段的速度梯度较大,扩散段产生漩涡,流动状态较差。(3)染料池收缩段和中间段的压力呈对称分布,扩散段的压力分布较为杂乱;染料池进出口压降随流速的增加而升高。(4)随着流速的增加,染料池内涡核分布也明显增多,主要分布在染料池扩散段处,中间段涡核分布也明显增多,并呈对称分布。(5)各改进方案中均产生少量的漩涡以及回流,对整体流态的影响较小,流动状态优于原方案,并且进水段压力与原方案基本相同,出水段的压力明显高于原方案,降低了染料池进出口压降。(6)方案F和方案G中涡核在流道内体积占比均低于原方案。