光沉積Fe（Ⅲ）摻雜TiO2光催化降解莠去津廢水研究

張新海

（鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030）

莠去津，化學(xué)名稱為2-氯-4-二乙胺基-6-異丙胺基-1,3,5-三嗪，又名阿特拉津，是一種旱地使用藥劑，除草范圍廣泛，效果好，對(duì)植物安全，殘效期短，適用于玉米、高粱等旱田作物，可防除稗草、藍(lán)花草、蒼耳、車前草、三棱草和柳蒿等，因成本低和除草效果好，成為玉米田中最常用的除草劑之一。但是近年來(lái)有許多研究報(bào)道，莠去津在自然環(huán)境介質(zhì)中難降解，殘留期長(zhǎng)，存在生物蓄積等，不但對(duì)水體、土壤等會(huì)造成深遠(yuǎn)的影響，破壞環(huán)境，還可能影響到人類的健康與發(fā)展[1]。

近年來(lái)，TiO2作為一種新型光催化材料，以較好的催化性能，在環(huán)境治理方面受到眾多研究者的青睞，在高效催化劑的制備、光催化作用原理研究以及固體催化劑的摻雜與改性等方面取得了許多卓越成果。但是TiO2在光催化過(guò)程中產(chǎn)生的光生電子和光生空穴，在遷移的過(guò)程中極易復(fù)合，導(dǎo)致催化效率較低，工業(yè)應(yīng)用進(jìn)展緩慢[2-3]。本研究利用光沉積法制備了Fe（Ⅲ）摻雜TiO2光催化劑，并探討了催化劑催化降解莠去津的影響因素。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 Fe（Ⅲ）摻雜TiO2光催化劑的制備

利用光沉積法制備Fe（Ⅲ）摻雜TiO2光催化劑，在煅燒溫度400℃、鐵與鈦的質(zhì)量比為1.5%的條件下，得到Fe（Ⅲ）摻雜TiO2光催化劑。制備流程見圖1。

圖1 Fe（Ⅲ）摻雜TiO2光催化劑的制備流程Fig.1 Preparation process of Fe(Ⅲ)-doped TiO2 photocatalyst

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)定方法

光催化反應(yīng)在自制裝置中進(jìn)行，反應(yīng)裝置見圖2。

圖2 TiO2光催化反應(yīng)裝置Fig.2 TiO2 photocatalytic reaction device

用莠去津溶液模擬廢水，考察催化劑的催化性能。采用高效液相色譜法檢測(cè)溶液中的莠去津含量，使用紫外檢測(cè)器，設(shè)定波長(zhǎng)為220nm，分析溶液中莠去津的含量[4-5]。按式(1)計(jì)算光催化效率，該數(shù)值越大，說(shuō)明光催化的效果越好，催化劑性能越好。

式中：Ct為光催化反應(yīng)后溶液殘留莠去津濃度；C0為原始莠去津濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)催化效率的影響

在催化劑濃度為0.5g·L-1的反應(yīng)體系中，分別反 應(yīng) 2min、4min、6min、8min、10min、12min、14min、16min、18min，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)催化劑性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。從圖3可知，隨反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，催化效率逐漸增大，反應(yīng)時(shí)間達(dá)到14min時(shí)，催化效率達(dá)到最大，再延長(zhǎng)時(shí)間，催化效率基本不再增加?？紤]到反應(yīng)效率和經(jīng)濟(jì)性，確定反應(yīng)時(shí)間14min為最佳反應(yīng)時(shí)間。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)催化效率的影響Fig. 3 Effect of reaction time on catalytic efficiency

2.2 催化劑使用量對(duì)催化效率的影響

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，改變Fe（Ⅲ）摻雜TiO2光催化劑的投入量，催化劑濃度為 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4g·L-1時(shí)，反應(yīng)14min后，考察催化劑使用量對(duì)催化劑性能的影響，結(jié)果見圖4。從圖4可知，起初，隨催化劑量增加，催化效率明顯上升，但催化劑使用量達(dá)到0.8g·L-1后，催化效率不再上升而開始下降。這是因?yàn)榧尤脒^(guò)量的催化劑后，催化劑的大量加入影響了反應(yīng)體系的透光性，使得催化反應(yīng)不能徹底進(jìn)行，催化效率出現(xiàn)下降。因此，催化反應(yīng)過(guò)程中，0.8g·L-1為最佳催化劑使用量。

圖4 催化劑使用量對(duì)催化效率的影響Fig.4 Effect of catalyst usage on catalytic efficiency

2.3 過(guò)氧化氫濃度對(duì)催化效率的影響

Fe（Ⅲ）摻雜TiO2光催化劑的投入量為0.8 g·L-1，向反應(yīng)體系中分別加入 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4mmol·L-1的過(guò)氧化氫溶液，反應(yīng) 14min后，考察過(guò)氧化氫濃度對(duì)催化劑性能的影響，結(jié)果見圖5。從圖5可知，隨著雙氧水的加入，催化效率顯著增加，但雙氧水濃度達(dá)到0.8mmol·L-1后，催化效率出現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是因?yàn)殡p氧水加入后，雙氧水濃度較低時(shí)，自身釋放出來(lái)的羥基自由基較多，可以促使莠去津的降解反應(yīng)發(fā)生，但雙氧水本身也會(huì)與羥基自由基結(jié)合，當(dāng)雙氧水濃度較大時(shí)，自身會(huì)消耗一部分羥基自由基，使得催化效率出現(xiàn)下降。因此，催化反應(yīng)過(guò)程中，0.8mmol·L-1為最佳過(guò)氧化氫濃度。

圖5 過(guò)氧化氫濃度對(duì)催化效率的影響Fig.5 Effect of hydrogen peroxide concentration on catalytic efficiency

2.4 溶液pH值對(duì)催化效率的影響

Fe（Ⅲ）摻雜TiO2光催化劑的投入量為0.8 g·L-1、過(guò)氧化氫濃度為0.8mmol·L-1條件下，調(diào)節(jié)溶液 pH 值分別為 1、2、3、4、5、6、7、8、9，反應(yīng) 14min后考察催化劑的催化性能，結(jié)果見圖6。由圖6可知，當(dāng)溶液pH值小于3時(shí)，隨pH值增大，催化效率逐漸增大，但pH值超過(guò)3以后，催化效率呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。這是因?yàn)槿芤簆H太小時(shí)，催化劑負(fù)載的鐵會(huì)發(fā)生析出現(xiàn)象，影響催化劑性能。而溶液pH=3時(shí)，反應(yīng)體系中的雙氧水和催化劑都比較穩(wěn)定，催化效率可達(dá)到最優(yōu)效果。因此，催化反應(yīng)過(guò)程中pH=3是最佳溶液pH值。

圖6 溶液pH值對(duì)催化效率的影響Fig.6 Effect of pH value of solution on catalytic efficiency

2.5 催化劑重復(fù)使用性能

催化劑的重復(fù)使用是考察催化劑性能的重要指標(biāo)之一。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在Fe（Ⅲ）摻雜TiO2光催化劑的投入量為 0.8 g·L-1、過(guò)氧化氫濃度為 0.8mmol·L-1、反應(yīng)時(shí)間為14min、溶液pH=3的最佳反應(yīng)條件下，考察催化劑的重復(fù)使用性能。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用過(guò)的催化劑每次都經(jīng)分離、洗滌、干燥后再重復(fù)使用，結(jié)果見圖7。由圖7可知，在最佳反應(yīng)條件下，催化劑的催化效率可達(dá)95%以上，并且催化劑使用6次后，催化效率仍基本保持不變，顯示了光沉積法所制備的催化劑具有較好的穩(wěn)定性和可重復(fù)使用性。

圖7 催化劑重復(fù)使用對(duì)催化效率的影響Fig.7 Effect of catalyst reuse on catalyst efficiency

3 結(jié)論

采用光沉積法制備了Fe（Ⅲ）摻雜TiO2光催化劑，考察了反應(yīng)時(shí)間、催化劑使用量、過(guò)氧化氫濃度、溶液pH值對(duì)催化劑性能的影響，并在最優(yōu)條件下研究了催化劑的重復(fù)使用性能。研究結(jié)果表明，在反應(yīng)時(shí)間14min、催化劑使用量0.8g·L-1、過(guò)氧化氫濃度0.8mmol·L-1、溶液pH=3的反應(yīng)條件下，采用光沉積法制備的Fe（Ⅲ）摻雜TiO2光催化劑，處理莠去津廢水的催化效率可達(dá)95%以上，催化劑循環(huán)使用6次后，催化性能下降較低，可實(shí)現(xiàn)催化劑的循環(huán)利用，生產(chǎn)過(guò)程中可以有效減少催化劑用量，節(jié)約原料，降低生產(chǎn)成本。