廢水處理用新型光催化劑的制備及應(yīng)用

趙鵬雷

遼寧省環(huán)境科學(xué)研究院，遼寧沈陽 110031

1 試驗(yàn)?zāi)康暮头椒?/h2>

試驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^羅丹明B在光催化劑、水溶液的PH值以及YVO4納米粉體的粒徑都各自不同的情況下的光催化降解率來分析影響光催化有機(jī)廢水的各種因素，探究怎樣的條件下廢水的處理效果最佳，以此來證明YVO4納米粉體催化廢水的可行性。

研究方法：研究對象為羅丹明B水溶液，用羅丹明B來模擬有機(jī)廢水進(jìn)行試驗(yàn)研究。考慮各種影響因素，充分運(yùn)用已有的各種設(shè)備，采用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)的方法，尋找能使廢水處理達(dá)到最佳狀態(tài)的運(yùn)行參數(shù)，另外還初步探討了YVO4光催化機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 光催化反應(yīng)器及實(shí)驗(yàn)過程

光催化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)可在自制的可控溫反應(yīng)器中完成，反應(yīng)器的組成部分有：400W的高壓泵燈、暗箱以及冷卻水系統(tǒng)。通過磁力攪拌來使溶液中光催化劑維持在懸浮狀態(tài)。在循環(huán)水的作用下，整個(gè)降解過程都在25℃左右下進(jìn)行。

進(jìn)行光催化實(shí)驗(yàn)時(shí)，先在燒杯中放入500mL的羅丹明B水溶液，另外將一些自制的光催化劑放入燒杯，進(jìn)行超聲分散20min；加入0.01mL的NaOH的水溶液調(diào)節(jié)酸堿度；再將微型的空氣泵開啟，使水溶液中有空氣通入，不停的攪拌60min，使羅丹明B在光催化劑的表面的吸附和脫附能夠平衡。最后把少燒杯放入暗箱里，將高壓泵燈打開開始光催化降解實(shí)驗(yàn)，并每隔10min取出5mL反應(yīng)液，用高速離心機(jī)進(jìn)行分離后，在羅丹明B的最大吸收波長出用清液檢驗(yàn)它的吸光度。

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

正是實(shí)驗(yàn)不需要進(jìn)行太多的實(shí)驗(yàn)就可以找到好的實(shí)驗(yàn)條件，但由于水平有限，最佳值還需要做進(jìn)一步的研究。通過單因素條件研究光的催化條件，以此來獲得最佳的參數(shù)。

2.2.1 水溶液的pH值對光催化效率的影響

光的催化劑選擇粒徑為10mm的YVO4的納米粉體，當(dāng)光催化劑的濃度達(dá)到1g/l時(shí)，水溶液的PH值會(huì)發(fā)生改變，分析光催化劑對降解率的影響。用稀的HCL和NaoH調(diào)節(jié)成PH值為3，4，5的溶液，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

水溶液的pH 值對催化作用的影響不是單純的增加或減少線性，而是H+和OH相互之間起作用。從圖1中可以看出，光催化降解率隨著水溶液pH值的增加而增加。但pH值為4時(shí)，降解率的值達(dá)到最高。所以合理的選擇pH值直接關(guān)系到光催化劑效果的提高。

圖1 pH值對降解率的影響

2.2.2 光催化劑的濃度對光催化劑效率的影響

反應(yīng)體系在無光照催化劑條件下進(jìn)行空白樣實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2。

圖2 光催化劑濃度對光催化劑降解率的影響

經(jīng)過60min的光照，羅丹明B只降解了20%以下。說明羅丹明B在無光催化劑的條件下降解率較低。

如果光催化劑采用10mm的YVO4納米粉體，pH值為4時(shí)，改變光催化劑的濃度得到以下結(jié)果：當(dāng)光催化劑的濃度為0.59/時(shí)，60min的光催化降解率達(dá)到87.6%；當(dāng)濃度為1g/L時(shí)，60min的光催化降解率為92%；當(dāng)光的催化劑濃度為1.5g/L時(shí)，一部分的光催化劑會(huì)失活，60min的光催化降解率又降低到82.9%。

所以光催化劑的最佳濃度是1g/L。光催化劑的濃度不同，對光催化效率的影響也就不同，這表現(xiàn)的十分突出，如圖3。

圖3 光催化劑濃度對光催化效率的影響

在沒有加催化劑的情況下，光催化效率的值僅為0.0036465；當(dāng)光催化劑的濃度為0.5g/L時(shí)，K值立刻上升到0.20538；當(dāng)光催化劑的濃度提高到1.0g/L時(shí)，K的值達(dá)到最大：0.042774；濃度再往上，K值下降為0.03003，最佳濃度下的催化反應(yīng)速率是不加催化劑的11.7倍。

2.3 光催化降解羅丹明B機(jī)理分析

目前光催化反應(yīng)機(jī)理中統(tǒng)一的觀點(diǎn)是半導(dǎo)體電子—空穴理論。主要研究在pH不同的情況下納米TiO2對亞甲基藍(lán)的降解率，此時(shí)pH值為9，就是說在弱堿性時(shí)對染料的脫色降解有利。說明在紫外光下催化，電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，形成了電子—空穴對?？昭ㄔ诜磻?yīng)時(shí)水中的OH-會(huì)被消耗掉。使其成為強(qiáng)氧化活性的OH。

接著電子和空穴會(huì)分別與染料發(fā)生氧化還原反應(yīng)完成降解。

如果YVO4的光催化降解羅丹明B溶液過程中符合光催化電子—空穴理論，在紫外光的照射下，電子形成電子—空穴參與到還原降解反應(yīng)中，那么在堿性條件下，YVO4的催化效率也會(huì)很高。實(shí)驗(yàn)證明，在特定的酸性條件下，YVO4會(huì)達(dá)到最好的催化效果。這違背了光催化電子—空穴理論。另外，從YVO4催化降解實(shí)驗(yàn)中可以看出，pH值在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后比在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)要大。而且在光催化條件達(dá)到最佳狀態(tài)時(shí)，pH值提高了很多，達(dá)到了4.5，這說明YVO4有著降低反應(yīng)，符合光敏化過程。另外，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，pH值越低催化效果不一定越好。這表明YVO4催化過程并非是單純的光敏化過程。而是光敏化與光催化相結(jié)合的結(jié)果。當(dāng)光敏化和光催化達(dá)到一定的平衡時(shí)，催化效果達(dá)到最佳狀態(tài)。

3 結(jié)論

總之，本文光催化降解實(shí)驗(yàn)中的光催化劑選擇了YVO4納米粉體，還以羅丹明B作為染料模擬廢水，探討了光催化劑的濃度和水溶液的pH值對水溶液中羅丹明B的降解率的影響。得到了以下結(jié)論：

1）通過正交實(shí)驗(yàn)法分析了YVO4光催化劑水溶液的濃度、水溶液的pH值對羅丹明B降解率的影響。其中，水溶液的pH值對水溶液中羅丹明B的降解率影響最大，其次是光催化劑的濃度，最后是光催化劑的粒徑；

2）在光催化劑的濃度為19/L，光催化劑的粒徑10mm，水溶液的pH值為4時(shí)羅丹明B的降解率能達(dá)到最佳狀態(tài)。

[1]劉曄.廢水處理用新型光催化劑的制備及應(yīng)用研究[D].青島理工大學(xué)，2009(6).

[2]趙金剛.新型光催化劑的制備及降解染料廢水的研究[D].青島理工大學(xué)，2010(6).

[3]宣寧，劉紅英，劉薇.光催化材料在廢水處理中的應(yīng)用[J].民營科技，2009(9).