Fe-TiO2/AC光催化降解單寧酸性能研究

四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 任吉萍 韓東升 王 銳

國家煙氣脫硫中心

四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 尹華強(qiáng)

Fe-TiO2/AC光催化降解單寧酸性能研究

四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 任吉萍 韓東升 王 銳

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自光催化技術(shù)被稱為人類可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境友好催化新技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。納米二氧化鈦具有良好的光催化特性，可直接利用陽光作為光源，對有機(jī)和無機(jī)污染物進(jìn)行光降解，因而是一種理想的綠色光催化劑，再加上TiO2光催化技術(shù)對反應(yīng)溫度和壓力沒有什么特別要求，近幾十年受到越來越多人士關(guān)注。但在處理水方面卻由于粒徑小，難回收易造成二次污染，因而近幾年半導(dǎo)體光催化劑的固定化、負(fù)載化的研究日益成為人們討論的熱點。

活性炭（Activated carbon簡稱AC）因為具有合適的微孔結(jié)構(gòu)，比表面積較大，粉末活性炭具有巨大表面積和強(qiáng)大吸附作用，并具有高度的物理、化學(xué)穩(wěn)定性，使用方便、便捷等特點，因而廣泛應(yīng)用于空氣凈化、廢水處理等現(xiàn)代環(huán)保領(lǐng)域。

本文，筆者研究將利用超聲分散金屬Fe，將其與鈦酸四丁酯與活性炭混合液混合，采用溶膠凝膠法加工干燥，然后，通過煅燒得到所需催化劑。

一、實驗部分

1.光催化劑制備。稱取一定量的活性炭，用蒸餾水?dāng)嚢枨逑匆欢螘r間，之后將其放入一定濃度的硝酸溶液中浸泡一段時間，過濾后洗至中性，烘干。在強(qiáng)力攪拌器下，將一定量的Fe加入A液（無水乙醇與蒸餾水混合液，比例將近1∶1），進(jìn)行超聲分散15 min后，將A液滴加入B液（活性炭，鈦酸四丁酯，無水乙醇與冰醋酸混合液，其中鈦酸四丁酯，無水乙醇與冰醋酸約為1∶0.6∶2），滴加完畢后繼續(xù)攪拌100 min，靜置凝膠，凝膠后干燥，煅燒即成。

2.光催化降解反應(yīng)。光催化降解反應(yīng)在自制的光催化反應(yīng)器（圖1）中進(jìn)行。所用光源為8 W的紫外燈管。

圖1反應(yīng)器的有效容積為1.5 L，但單寧酸的實際加入量為1.0 L，反應(yīng)器底部通過曝氣頭鼓入含氧氣體（空氣），使光催化劑與單寧酸溶液更好混合。反應(yīng)器中置入石英管，以放置試驗所需的紫外燈管。夾層玻璃中通循環(huán)水，保證整個實驗中外界溫度一致，盡量減少實驗中造成的誤差。整個反應(yīng)在黑暗環(huán)境中進(jìn)行，待達(dá)到吸附平衡后（30 min），打開紫外燈進(jìn)行光催化反應(yīng)，反應(yīng)過程中每隔一定時間取樣，通過紫外分光光度計在波長272 nm處測定單寧酸的吸光度，從而計算確定剩余反應(yīng)液的濃度，并得到降解率。由單寧酸溶液濃度-吸光度關(guān)系計算。

式中，η表示降解率，C0表示溶液的初始濃度，Ct表示t時刻溶液的濃度。

3.單寧酸標(biāo)準(zhǔn)曲線。稱取單寧酸0.1 g于容量瓶中,溶解并稀釋至刻度,得單寧酸濃度為0.1 g/L的儲備液備用。用分光光度計測定系列標(biāo)準(zhǔn)溶液在此處的吸光度值。

二、結(jié)果與討論

1.單寧酸標(biāo)準(zhǔn)曲線。以濃度C對吸光度A作圖,并對曲線進(jìn)行回歸分析,結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，C-A呈線性關(guān)系。二者關(guān)系式為：

Y=0.033X+0.0345，R2=0.9995。 （2）

式中，Y表示吸光度；X表示樣品濃度，mg/L；R2為相關(guān)系數(shù)。

2.單寧酸初始濃度對光降解的影響。圖3為單寧酸初始濃度對光降解的影響。

從圖3可以看到，光降解效率隨著單寧酸初始濃度的變化而改變。單寧酸初始濃度在100 mg/L前，光降解效率隨著單寧酸初始濃度的增加而提高，當(dāng)單寧酸濃度一旦超過100 mg/L時，光降解效果反而降低。原因可能是在100 mg/L前，由于濃度相對比較低，活性炭跟TiO2共同吸附使的光降解速率大大提高，但一旦單寧酸初始濃度過高，包圍單寧酸分子包圍在催化劑周圍使其不能充分接觸，降低了光催化效果。

3.催化劑不同負(fù)載量對光降解的影響。圖4為催化劑不同負(fù)載量對光降解的影響。

從圖4可以看出，隨著Fe負(fù)載量的增加，催化劑對單寧酸的去除效果是先增加再減少這樣一個過程.當(dāng)負(fù)載量小于3%時，即圖4所示的0.05 mol/L時，隨著Fe負(fù)載量的增加，光催化降解的效率在提高，但當(dāng)負(fù)載量增大到一定程度超過0.05 mol/L時，光降解效率反而依次降低。原因可能是由于Fe負(fù)載量的增加導(dǎo)致活性炭的部分孔道堵塞，使單寧酸分子不易擴(kuò)散到活性炭的內(nèi)表面，阻礙了被活性炭吸附的單寧酸分子向TiO2表面遷移，影響了催化劑的吸附性能，若負(fù)載量過大，可能會屏蔽催化劑與光照的接觸，影響光利用率，使光催化效果下降。

三、結(jié)論

1.用溶膠凝膠法制備的催化劑有利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行。

2.通過考察Fe負(fù)載量、和初始濃度對降解效率的影響因素，得到降解單寧酸最佳的實驗條件：Fe負(fù)載量3%，單寧酸溶液初始濃度100 mg/L。