TiO2有機膨潤土復合光催化材料處理TNT廢水的實驗研究

于豐閣

摘? 要：該文以鈉基膨潤土（NM）為原料，以十六烷基三甲基溴化銨為改性劑，制備有機膨潤土（YM）。并以其為載體，采用溶膠凝膠法制備鐵摻雜TiO2/膨潤土復合光催化材料，以TNT為目標降解物，考察復合材料的光催化活性。自制復合材料在可見光下無活性，在紫外光下具有較好的光催化性能。經TNT光催化實驗證明，當加入濃硝酸1.5mL（pH=1.5），TiO2與有機膨潤土質量比為1∶0.8，摻鐵量在2.0%～3.0%之間時，得到的復合材料在紫外光照射下對TNT溶液具有最好的光催化活性，反應平衡時去除率可達到75%以上。

關鍵詞：TNT廢水? 改性膨潤土? TiO2? 光催化

中圖分類號：X703 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）11（b）-0067-02

TNT廢水產生于炸藥等化工產品生產中，由于其毒性大，且難生物降解，不適宜采用生物法及一般物化法處理。該實驗旨在通過制備高效的負載型二氧化鈦光催化劑，以TNT溶液為目標降解物，使用光催化方法來降解TNT水溶液。通過制備高效的二氧化鈦/膨潤土復合材料，增加二氧化鈦作為光催化劑的穩(wěn)定性與易回收性;用摻雜鐵元素的方法擴大光響應范圍，提高催化劑活性;確定制備復合材料的各參數(shù)，得到具有較高活性、性質穩(wěn)定的復合材料。

1? 實驗內容

實驗以鈉基膨潤土（NM）為載體，采用溶膠凝膠法制備鐵摻雜TiO2/膨潤土復合光催化材料，并以TNT為目標降解物，考察其光催化活性。具體實驗過程為：鐵摻雜TiO2/有機改性膨潤土復合材料的制備。通過溶膠凝膠法制得鐵摻雜的二氧化鈦，并利用改性膨潤土的吸附性能，使二氧化鈦附著其上得到復合材料。通過探究復合材料對TNT廢水的光催化降解性能確定最佳的原料配比及反應條件。

2? 實驗部分

2.1 試劑和儀器設備

TNT，工業(yè)制品;濃硝酸，分析純;硫酸，分析純;氫氧化鈉，分析純;污水乙醇，分析純;無水亞硫酸鈉，分析純;十六烷基三乙基溴化銨，分析純;鈉基膨潤土，工業(yè)制品;去離子水，自制;硝酸鐵，分析純;鈦酸丁酯，分析純。

紫外-可見分光光度計;電子天平：磁力加熱攪拌器;抽濾機;馬弗爐;離心機;電熱鼓風干燥箱;恒溫水浴振蕩器;其他實驗室常用玻璃器皿。

2.2 鈉基膨潤土的改性

稱量4.00g鈉基膨潤土，置于1000mL錐形瓶中，加水400mL，室溫下電磁攪拌30min使其完全溶脹。向錐形瓶中加入0.80g改性劑（CTAB），加熱至60℃，200rpm/min攪拌4h。待冷卻后使用濾膜過濾器抽濾，去離子水洗滌沉淀2次，80℃烘干沉淀。研磨，過120目篩，105℃活化2h，得到有機改性膨潤土。

2.3 鈦酸丁酯制備TiO2溶膠

在室溫下，準確量取10.0mL鈦酸丁酯溶于40mL無水乙醇中。在通風櫥中迅速加入一定量的濃硝酸以控制pH值。電磁攪拌30min使其醇化，得到淺黃色溶液A。室溫下，混合20mL無水乙醇和20mL去離子水，得到1∶1的混合液。準確稱量一定量的硝酸鐵晶體溶于上述混合液，得到黃色的透明溶液B。使用一次性滴管，在劇烈攪拌情況下將溶液A逐滴滴加到溶液B，繼續(xù)攪拌一段時間后得到淡黃色的溶膠。

2.4 TiO2與膨潤土的復合

向2.3制得的溶膠中，少量多次加入稱量好的一定量有機膨潤土，充分攪拌使膨潤土均勻懸浮于燒杯中。繼續(xù)攪拌可觀察到，溶液粘度逐漸變大，攪拌變得困難，最終得到粘稠、半透明的二氧化鈦凝膠。調整pH至中性。使用50mL離心機，4000rpm/min離心3min，分離出下層泥狀沉淀。再分別用無水乙醇和去離子水洗滌沉淀，離心分離。將沉淀于80℃烘干，研磨，過120目篩，500℃下馬弗爐焙燒2h，得到TiO2/膨潤土復合材料。

2.5 復合材料處理TNT廢水

2.5.1 TNT標準溶液的配制

準確稱量50mgTNT粉末，加入3mL濃硫酸，攪拌使其溶解。將溶解了TNT的濃硫酸緩慢傾倒入大量去離子水中，用稀氫氧化鈉溶液調節(jié)pH=3，用1000mL容量瓶定容。得到50mg/L的TNT標準溶液。

2.5.2 TNT的測定方法

分析步驟如下。

樣品吸光度的測定：取樣品2～20mL比色管，加水到10mL刻度，加入5mL亞硫酸鈉溶液（200g/L），以水稀釋至20mL刻線處，搖勻，顯色5min。用10mm比色皿，于 420nm波長處測定吸光度。

校準曲線的繪制：吸取梯恩梯標準使用液0、0.50、1.00、1.50、2.00、2.50、3.00mL，按上述步驟進行操作，記錄吸光度。以吸光度為縱坐標，對應的梯恩梯含量（μg）為橫坐標，繪制校準曲線。

3? 結果與討論

3.1 不同pH值復合材料的光催化性能的比較

當加入硝酸體積分別為0.5mL、1.0mL、1.5mL、2.0mL時，得到二氧化鈦溶膠的pH值分別為>3、≈2、1～1.5、<1。凝膠時間也有很大差別，分別為<10min、20～30min、30～60min、>120min。即在酸性條件下聚合反應速率較小，凝膠時間較長。在溶膠凝膠反應中，控制摻鐵量為0.1%，二氧化鈦與有機膨潤土的配比為1∶1，常溫反應，TNT溶液pH=3，改性膨潤土投量為0.5g/100mL，轉速r=200r/min，TNT初始濃度50mg/L。得到加酸量與復合材料光催化TNT的降解率間關系。

實驗結果顯示：加酸量對復合材料的活性影響不大，降解率在60%～75%范圍內波動。但考慮到當pH值大于3時，溶膠會在很短時間內發(fā)生聚合反應而生成凝膠，不利于材料的制備。而當加酸量過多，pH值小于1時，凝膠時間太長，影響操作效率。故認為最適的制備條件應為pH值約等于1.5，即加濃硝酸量為1.5mL時，反應制得的二氧化鈦具有較好的光催化活性。

3.2 不同配比復合材料的光催化性能的比較

向制備的溶膠中少量多次分別加入改性膨潤土1.175g、1.88g、2.35g、2.82g、3.535g，控制濃硝酸用量為1mL（pH=2），摻鐵量0.1%，分別得到配比為1∶0.5、1∶0.8、1∶1、1∶1.2和1∶1.5的二氧化鈦/有機膨潤土復合材料。分別在常溫常壓紫外光照射下，測定不同二氧化鈦-有機膨潤土配比與復合材料對TNT溶液降解率的關系。TNT溶液pH=3，改性膨潤土投量為0.5g/100mL，轉速r=200r/min，TNT初始濃度50mg/L。

實驗結果顯示：當二氧化鈦與有機膨潤土質量比為1∶0.8時，得到的復合材料具有最好的光催化性能，為66%。

3.3 不同摻Fe量復合材料光催化性能的比較

在溶膠凝膠法制備二氧化鈦的過程中，改變硝酸鐵的質量，分別加入硝酸鐵0.05939g、0.11878g、0.23755g、0.35633g，可分別得到摻鐵量為0.05%、0.2%和0.3%的復合材料。

實驗結果顯示：當摻鐵量由0逐漸增加至0.3%，復合材料對TNT溶液的光催化活性總體逐漸增加。最高點出現(xiàn)在摻鐵量為0.2%處，摻鐵0.3%時活性略有下降。故認為最佳的摻鐵量應在0.2%～0.3%之間。

4? 結語

通過改變材料制備過程中加酸量、二氧化鈦/有機膨潤土配比、摻雜鐵離子量，得到一系列不同催化活性的復合材料。該材料對TNT溶液在各種酸堿性條件下均不具有明顯的吸附效果。經TNT光催化實驗證明，當加入濃硝酸1.5mL（pH=1.5），TiO2與有機膨潤土質量比為1∶0.8，摻鐵量在0.2%～0.3%之間時，得到的復合材料在紫外光照射下對TNT溶液具有最好的光催化活性。

參考文獻

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