負(fù)載型二氧化鈦光催化劑對染色廢水光催化降解性能的研究

陶 然，姚 平

(蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

1 引言

染色廢水由于其成分復(fù)雜、濃度高、色澤深、可生化性差等特點(diǎn)，為難處理工業(yè)廢水之一[1]。目前常用的廢水處理方法如化學(xué)氧化法、生物法、物理化學(xué)法等對染色廢水的處理效果都存在一定的局限性[2]。光催化氧化降解技術(shù)是具有發(fā)展前景的水處理技術(shù)，而二氧化鈦光催化劑因其無毒廉價(jià)、催化效率高等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注[3]。但二氧化鈦光催化反應(yīng)體系為均相反應(yīng)體系，如何實(shí)現(xiàn)光催化劑與廢水的有效分離是需要解決的問題。

本文使用負(fù)載型二氧化鈦光催化劑與紫外光燈組成非均相光催化體系，選用酸性紅18和活性紫145兩種染料溶液來模擬染色廢水，討論光催化劑對這兩種染料溶液的催化降解情況，并進(jìn)行相關(guān)動力學(xué)分析，比較兩種染料的光催化降解性能。

2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文所用負(fù)載型二氧化鈦光催化劑為實(shí)驗(yàn)室自制，兩種染料分別為：酸性紅18(市售)和活性紫145(市售)。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器與方法

2.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

本文所用實(shí)驗(yàn)儀器包括：TU-1901型紫外-可見分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)、賽多利斯電子天平(BSA224S，德國)，酸度測試儀(WTW pH3310，德國)，集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(DF-101S，力辰科技)，石英紫外線殺菌燈(市售)等。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)方法

模擬染料溶液的配制：分別使用酸性紅18和活性紫145染料溶液來模擬酸性染料染色和活性染料染色的廢水，兩種染料的濃度都為100 mg/L。具體配置方法如下：正確稱取0.1 g染料，并加入1000 mL自來水，所得溶液即為模擬染色廢水。

光催化降解實(shí)驗(yàn)：在1000 mL的模擬染色廢水(酸性紅18或活性紫145染料溶液)中加入一定量的光催化劑(0.5 g)，在磁力攪拌的條件下吸附30 min，然后開啟紫外光進(jìn)行光催化降解反應(yīng)，間隔一定的時(shí)間取樣，并測定其吸光度。

3 結(jié)果與討論

本文首先討論了負(fù)載型二氧化鈦光催化劑對酸性紅18染料的催化降解性能。酸性紅18染料為單偶氮型酸性染料，可用于錦綸或者蠶絲織物的染色。經(jīng)光催化降解后，酸性紅18染料溶液吸光度隨光催化反應(yīng)時(shí)間的變化情況如圖1所示。從圖1中可知，酸性紅18染料溶液在200 nm～700 nm波長范圍內(nèi)存在三個比較明顯的吸收峰，其中在508 nm處的吸收峰為酸性紅18染料的特征吸收峰。隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，酸性紅18染料溶液的特征吸收峰呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，這說明酸性紅18染料的分子結(jié)構(gòu)得到不斷的氧化降解。經(jīng)過130 min的光催化降解后，酸性紅18染料的溶液的吸收峰基本得到消除。

為了確定酸性紅18染料溶液隨反應(yīng)時(shí)間的色度去除情況，對各個時(shí)間段提取的染料溶液樣品進(jìn)行可視化表征，具體結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以明顯的看到，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，酸性紅18染料溶液的顏色逐漸消失。經(jīng)過130 min的光催化降解后，酸性紅18染料溶液的顏色基本為無色透明，取得了良好的光催化降解效果。

圖1 酸性紅18染料溶液吸收度隨光催化反應(yīng)時(shí)間的變化圖

圖2 酸性紅18染料溶液的顏色隨反應(yīng)時(shí)間的變化圖注：A—0 min；B—5 min；C—10 min；D—25 min；E—40 min；F—55 min；G—70 min；H—100 min；I—130 min

本文還測定了光催化劑對活性紫145染料溶液的光催化降解效果，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看到，活性紫145染料溶液在200 nm～700 nm波長范圍內(nèi)也存在三個比較明顯的吸收峰，其中560 nm處的吸收峰為其特征吸收峰。隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，活性紫145染料溶液的特征吸收峰也呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，經(jīng)過130 min的反應(yīng)后，特征吸收峰的峰高得到了很大的下降，但沒有全部消除，這說明活性紫145染料溶液沒有得到完全的光催化降解。而活性紫145染料溶液的顏色隨反應(yīng)時(shí)間的變化情況如圖4所示，從圖4中也可以看到活性紫145染料溶液的顏色隨著反應(yīng)時(shí)間的增加呈現(xiàn)出變淺的趨勢，但經(jīng)過130 min的光催化反應(yīng)后，活性紫145染料溶液仍然為比較明顯的紫色，色度的去除程度有限。

圖3 活性紫145染料溶液吸收度隨光催化反應(yīng)時(shí)間的變化圖

圖4 活性紫145染料溶液的顏色隨反應(yīng)時(shí)間的變化圖注：A—0 min；B—5 min；C—10 min；D—25 min；E—40 min；F—55 min；G—70 min；H—100 min；I—130 min

為了量化表征酸性紅18和活性紫145的光催化降解情況，以兩種染料溶液吸光度的下降程度(特征吸收峰所對應(yīng)的吸光度)來表示染料的去除效率，所得結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看到，酸性紅18和活性紫145染料溶液隨反應(yīng)時(shí)間的增加，去除百分率呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，并且前25 min時(shí)間內(nèi)兩種染料溶液的去除效率基本相同。但隨著反應(yīng)時(shí)間的進(jìn)一步增加，酸性紅18染料溶液的去除效率更高，經(jīng)過130 min反應(yīng)后，酸性紅18的去除百分率為99.1%，而活性紫145的去除百分率僅為78.2%，兩種染料溶液存在一定的差異。

圖5 酸性紅18和活性紫145染料溶液的去除百分率與時(shí)間的關(guān)系曲線

為了進(jìn)一步量化催化降解的速率，本文使用假一級反應(yīng)動力學(xué)方程來描述催化降解過程。假一級反應(yīng)動力學(xué)方程如下所示：

LnA=ln(At/A0)=-kt

式中：At為時(shí)間t時(shí)酸性紅18和活性紫145染料溶液在特征吸收波長條件下的吸光度；A0為初始酸性紅18和活性紫145染料溶液在特征吸收波長條件下的吸光度；k為反應(yīng)速率常數(shù)(min-1)；t為反應(yīng)時(shí)間(min)。

酸性紅18和活性紫145染料溶液的LnA與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖6所示。從圖6中可以明顯地看到，在光催化氧化條件下，兩種染料都發(fā)生了降解，酸性紅18染料溶液氧化降解的反應(yīng)速率常數(shù)為0.0344(min-1)，而活性紫145染料溶液氧化降解的反應(yīng)速率常數(shù)為0.0134(min-1)，酸性紅18染料溶液的氧化降解速率約為活性紫145染料溶液的2.5倍，降解速率更快。

圖6 酸性紅18和活性紫145染料溶液的LnA與時(shí)間的關(guān)系曲線

4 結(jié)語

本文討論了負(fù)載型二氧化鈦光催化劑對酸性紅18和活性紫145兩種染料的光催化降解情況，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)討論得知：在紫外光燈照射的條件下，負(fù)載型二氧化鈦光催化劑實(shí)現(xiàn)了對酸性紅18和活性紫145兩種染料溶液的光催化氧化降解，兩種染料的去除百分率分別為99.1%和78.2%；通過反應(yīng)動力學(xué)分析，酸性紅18染料溶液的光催化氧化降解速率更高，約為活性紫145染料溶液的2.5倍，經(jīng)過130 min的反應(yīng)后，酸性紅18染料溶液基本呈現(xiàn)無色透明的狀態(tài)。