微波協(xié)同TiO2/AC光催化降解水中甲基橙的研究

吳曉林　袁東

摘 要：以酞酸丁酯為鈦源，以活性炭（AC） 為載體，采用Sol-Gel法制備TiO2/AC，以甲基橙為模擬污染物，考察了微波功率對(duì)反應(yīng)的影響，研究了吸附動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特征。結(jié)果表明，微波功率為300w、輻照時(shí)間60min、甲基橙初始濃度為10mg/L，光催化投加量為8g/L時(shí)，對(duì)甲基橙的吸附率可達(dá)98.7%；動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)分析表明，TiO2/AC對(duì)甲基橙的吸附作用過(guò)程符合準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和Langmuir熱力學(xué)吸附模型。

關(guān)鍵詞：TiO2/AC；微波；光催化；甲基橙

基金項(xiàng)目：四川理工學(xué)院研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（NO.Y2013023）

在全球范圍內(nèi)，對(duì)水質(zhì)和水生態(tài)環(huán)境影響最嚴(yán)重的是有機(jī)污染，主要污染途徑是城市生活污水和工農(nóng)業(yè)有機(jī)廢水的排放[1]。傳統(tǒng)的物化及生物處理技術(shù)，工藝復(fù)雜、成本高，且存在二次污染，難以滿足對(duì)其凈化處理的要求[2-3]。近年來(lái)，TiO2因帶隙能適中，光催化活性高，對(duì)反應(yīng)物幾乎沒(méi)有選擇性，能分解絕大多數(shù)有機(jī)物，對(duì)一些無(wú)機(jī)物也能進(jìn)行氧化還原作用，從而成為環(huán)境污染治理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[4-6]。但純TiO2光催化效率低，易凝聚，且微粒細(xì)小在水處理中存在難以分離回收等問(wèn)題，限制了該技術(shù)的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用[7-8]。本文以酞酸丁酯為鈦源，活性炭為載體，采用Sol-Gel法制備TiO2/AC復(fù)合型光催化劑，研究了微波協(xié)同TiO2/XAC復(fù)合光催化劑處理甲基橙廢水的影響因素及機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

試劑：鈦酸丁酯；冰醋酸；無(wú)水乙醇；甲基橙；濃鹽酸；氫氧化鈉；活性炭。

儀器：AR1140型分析天平；AS-7240AT型超聲波清洗儀；DHG-9140B型恒溫鼓風(fēng)干燥箱；GL-3250C型磁力攪拌器；UWave-1000型微波·紫外·超聲波三位一體合成萃取反應(yīng)儀；DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；HL-2型恒流泵；752型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)。

1.2 TiO2/AC光催化劑的合成

在T=25℃、溶膠體系pH=4，將A液（A液為無(wú)水乙醇與去離子水的混合溶液，其中V水=16.2mL，VA無(wú)水乙醇=17.5mL，pH2～3）以1滴/s的速度滴加至B液中（B液為活性炭、鈦酸丁酯、冰醋酸、無(wú)水乙醇的混合溶液，其中m活性炭=4.8g，V鈦酸丁酯=17mL，V冰醋酸=11.5mL，VB無(wú)水乙醇=35mL）滴加完畢后，繼續(xù)攪拌至凝膠狀態(tài)，靜置老化，干燥，研磨，于馬弗爐中先升溫至200℃恒溫1h除去揮發(fā)物，然后升溫至所需溫度鍛燒2.5h于玻璃研缽中研磨后放置干燥器中待用[9]。

1.3 TiO2/AC光催化劑的表征

采用捷克TESCAN公司VEGA 3型掃描電子顯微鏡對(duì)光催化劑進(jìn)行SEM譜圖研究。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

配制一定濃度的甲基橙溶液，調(diào)節(jié)至實(shí)驗(yàn)所需pH，取250ml微波協(xié)同紫外光催化反應(yīng)裝置中，加入一定量的光催化劑，每隔10min取樣一次，4000r/min離心5min后，用紫外分光光度計(jì)在波長(zhǎng)為464nm下測(cè)定甲基橙溶液的吸光度，計(jì)算光催化劑對(duì)甲基橙廢水的去除率以及吸附量。

2 結(jié)果與討論

2.1掃描電子顯微鏡（SEM）

本文擬采用掃描電鏡對(duì)AC與TiO2/AC復(fù)合光催化劑進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)及形態(tài)觀察，從而可以直觀看到TiO2在活性炭上的負(fù)載情況，SEM譜圖如圖1所示。

由活性炭（AC）的SEM圖可以看出本實(shí)驗(yàn)中采用的活性炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)；由TiO2/AC的SEM圖可得，TiO2較好的負(fù)載于活性炭表面或孔徑內(nèi)，而且活性炭的吸附通道也并未堵塞，活性炭仍然可以很好的利用它強(qiáng)大的吸附能力將有機(jī)分子吸附到復(fù)合光催化劑表面，進(jìn)行光催化氧化降解。

2.1 不同反應(yīng)體系對(duì)降解過(guò)程的影響

為了考察微波協(xié)同光催化降解廢水的處理效果，本研究選擇了4 種不同反應(yīng)體系：（1）微波（MW）體系；（2）催化劑吸附（TiO2/AC）體系；（3）紫外+催化劑（UV+TiO2/AC）體系；（4）微波+紫外+催化劑（UV+MW+TiO2/AC）體系。光催化實(shí)驗(yàn)條件：向微波協(xié)同紫外裝置反應(yīng)器中加入pH為4的廢水250mL10mg/L的甲基橙廢水，光催化劑質(zhì)量濃度為8.0 g/L，微波功率為300 W，反應(yīng)最高溫度為100℃。不同反應(yīng)體系對(duì)降解過(guò)程的影響如圖2所示。

由圖2可知，反應(yīng)1h 后。單獨(dú)微波作用對(duì)甲基橙溶液沒(méi)有任何效果，即單純的微波能并不能破壞廢水中的任何有機(jī)成分；TiO2/AC體系對(duì)甲基橙的吸附率能達(dá)到46.8%，并且呈繼續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)；UV+MW體系對(duì)甲基橙的吸附率能達(dá)到86%，并呈繼續(xù)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)；MW+UV+ TiO2/AC體系甲基橙的吸附率為97.7%，基本達(dá)到平衡。由此說(shuō)明，微波與光催化之間存在耦合效應(yīng)，能提高光催化效率。微波促進(jìn)光催化效率提高的原因可能是微波對(duì)催化劑的極化作用提高了光致電子的躍遷幾率，并在催化劑表面形成陷阱中心，降低了電子空穴對(duì)的復(fù)合率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，UV+MW+TiO2/AC為最佳反應(yīng)體系，下述實(shí)驗(yàn)均在該體系中進(jìn)行。

2.3 微波功率對(duì)降解過(guò)程的影響

不同微波功率對(duì)TiO2/AC光催化劑降解甲基橙的影響如圖3所示。

由圖3可知，光催化劑對(duì)甲基橙的降解率隨著微波輻射功率的升高而增高。原因可能是由于隨著微波功率的提高，活性炭表面“熱點(diǎn)”吸收的能量變多，同時(shí)可能在一定功率范圍內(nèi)隨著功率的升高，“熱點(diǎn)”的數(shù)量也有增加，因而降解率隨之提高；同時(shí)還強(qiáng)化了顆粒活性炭的能量吸收，加大了固液溫差，有利于誘導(dǎo)自由基產(chǎn)生。微波功率達(dá)到300w以后，催化劑對(duì)甲基橙的降解率基本達(dá)到平衡，隨著功率的升高降解率變化不大，300w時(shí)甲基橙的降解率能達(dá)到98.4%。因此確定本實(shí)驗(yàn)中取微波功率為300w。

2.4 動(dòng)力學(xué)分析

為了研究微波協(xié)同紫外下TiO2/AC光催化劑對(duì)甲基橙溶液的光催化降解作用，對(duì)不同甲基橙初始濃度下TiO2/AC光催化劑降解甲基橙數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。得到準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

從表1中各線性方程和參數(shù)可知：在低濃度下，TiO2/AC在微波協(xié)同紫外光下對(duì)甲基橙的降解較好滿足準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。

2.5 熱力學(xué)分析

為更深一步了TiO2/AC微波協(xié)同紫外光下對(duì)甲基橙的降解作用，并對(duì)其進(jìn)行熱力學(xué)分析。采用Langmuir等溫吸附方程及Freundlich等溫吸附方程擬合所得參數(shù)見(jiàn)表2。

由表2可知，用Langmuir等溫吸附模型擬合所得的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9787以上，對(duì)微波協(xié)同TiO2/AC光催化劑催化降解甲基橙的過(guò)程的描述，較Freundlich等溫吸附模型更好。而且，采用Langmuir方程，光催化劑對(duì)甲基橙的最大吸附量為3.2982mg/g，表明微波協(xié)同TiO2/AC光催化劑對(duì)甲基橙有很好的催化降解作用。

3 結(jié)論

采用Sol-Gel法制備了負(fù)載狀況良好TiO2/AC復(fù)合型光催化劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在微波協(xié)同作用下，TiO2/AC對(duì)甲基橙的降解效果有了明顯的提升，本文的研究為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)一種實(shí)用新型的微波協(xié)同光催化劑對(duì)有機(jī)污染物的治理提供一條新途徑奠定了工作基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介

吳曉林（1990-），男，漢族，四川犍為，碩士研究生，主要從事環(huán)境污染與防治。