磁場對光催化降解苯酚廢水的影響

閆艷，曹夢竺，劉潔

（徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院藥品食品學(xué)院，江蘇徐州 221000）

目前，半導(dǎo)體光催化技術(shù)能將許多水中難降解有機(jī)污染物徹底礦化去除，具有除凈度高、無二次污染、降解速率快和反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)，是一種極具前途的環(huán)境污染深度凈化技術(shù)，受到了廣泛關(guān)注[1]。但是，因?yàn)榉磻?yīng)效率低，光催化反應(yīng)還未應(yīng)用于實(shí)際。為了提高反應(yīng)效率，除了對光催化劑的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性外[2]，還可以對光催化體系附加外場[3]，包括電場、磁場、微波場和超聲波場等，以使外加能量場與光場產(chǎn)生耦合效應(yīng)，促使光生載流子有效分離，從而達(dá)到延長其壽命，并提高光催化反應(yīng)總量子效率的目的。交變磁場對光催化反應(yīng)的影響文獻(xiàn)報(bào)道較少[4]。本文以僅含苯酚的水溶液模擬工業(yè)含酚廢水作為處理對象，研究通過外加交變磁場對光催化降解苯酚反應(yīng)產(chǎn)生的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器

分析天平；Agilent1100 高效液相色譜儀；COD 恒溫加熱器；離心機(jī)；精密pH計(jì)；恒溫循環(huán)器；恒電位儀。

1.2 主要試劑

苯酚；二氧化鈦；甲醇；硫酸；氫氧化鈉；去離子水。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

用苯酚溶液作為模擬廢水，用自制實(shí)驗(yàn)裝置，研究在外加交變磁場的條件下，苯酚溶液的初始pH值、催化劑的投加量、H2O2的投加量、交變磁場的頻率等因素對催化效果的影響。通過高效液相色譜法測定苯酚含量，計(jì)算其降解率。

苯酚含量測定采用高效液相色譜法。

苯酚降解率按照下式進(jìn)行計(jì)算:

式中：A0—處理前苯酚的色譜峰面積；A—處理后苯酚的色譜峰面積；η-苯酚降解率。

2 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)選用LED 燈作為光源，通過燈的恒電流為20 mA，改變不同的反應(yīng)條件進(jìn)行如下研究。

2.1 溶液初始pH值對光催化降解的影響

取25 mg/L苯酚模擬廢水50 mL，分別用稀H2SO4及NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH值為4、6、7、8、10，加入0.10 g 的TiO2催化劑，25 μL 30%的H2O2，恒溫30℃，LED燈光照，攪拌反應(yīng)1 h，交變磁場的頻率為9 kHz，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 溶液初始pH值對苯酚降解率的影響

結(jié)果表明，苯酚的降解率隨pH 增大，先增大后減小，當(dāng)pH 為8 時(shí)，苯酚的降解率最高，故實(shí)驗(yàn)選用此值為最佳pH。

研究表明[5]，強(qiáng)酸環(huán)境( pH＜6) 或強(qiáng)堿環(huán)境( pH＞9)均會(huì)使光催化降解苯酚能力降低，這是因?yàn)門iO2光催化劑的表面有雙親性。在中性至弱堿性條件下，吸附在顆粒表面的水或氫氧基團(tuán)都可以與空穴發(fā)生反應(yīng)，生成羥基自由基，溶液中的OH-濃度較高，有利于羥基自由基的生成，而羥基自由基的生成加快了光催化反應(yīng)的速率。

2.2 催化劑TiO2的量對光催化降解的影響

在其他條件不變的情況下，測定催化劑量為0.06 g、0.08 g、0.10 g、0.12 g、0.14 g 的 TiO2催化劑時(shí)溶液的降解率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 催化劑的量對苯酚降解率的影響

實(shí)驗(yàn)表明，隨著TiO2光催化劑用量的增加，苯酚的降解率先增大，達(dá)到最大值后，降解率略有降低，幾乎保持不變。

當(dāng)苯酚溶液的濃度一定時(shí)，其光催化降解所需要的光催化劑活性中心數(shù)量也是一定的。當(dāng)TiO2用量過少時(shí)，活性中心就過少，降解反應(yīng)就慢，降解率較低；隨著TiO2增多，活性中心也增加，因此反應(yīng)隨之加快，使光催化效率加快，降解率也增大；當(dāng)TiO2濃度過高時(shí)，TiO2在反應(yīng)溶液內(nèi)分布過飽和，微粒之間會(huì)互相遮蔽光線，阻擋了紫外光的利用，反而降低光催化效率。

2.3 過氧化氫的用量對光催化降解的影響

在其他條件不變的情況下，測定加入H2O2量為5 μL、15 μL、25 μL、50 μL、100 μL 時(shí)溶液的降解率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 過氧化氫的用量對苯酚降解率的影響

反應(yīng)體系中加入H2O2后，苯酚的降解率明顯提高，說明H2O2對光催化降解苯酚有很大的促進(jìn)作用，但是H2O2的量并非越多越好。

羅亞田等[6]在對苯酚降解的過程中發(fā)現(xiàn)，單一的超聲波、電場、紫外光催化對苯酚的降解率影響很低，但是加入H2O2后，降解率都有不同程度的提高，其中，三能場在反應(yīng)2 h 后降解率幾乎達(dá)到100%。但是，H2O2的加入量要適當(dāng)，當(dāng)加入的H2O2量過少時(shí)，光催化降解效率較低；隨著H2O2量的增加，其對光催化降解有較大的促進(jìn)作用，過量后H2O2對光催化降解有一定的抑制作用[7]。

2.4 外加交變磁場頻率對光催化降解的影響

在其他條件不變的情況下，測定交變磁場的頻率分別為 0 kHz 、1 kHz 、3 kHz、5 kHz、7 kHz、9 kHz、11 kHz時(shí)溶液的降解率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 交變磁場的頻率對苯酚降解率的影響

結(jié)果表明，苯酚的降解率比不加交變磁場時(shí)高，在交變磁場頻率為9 kHz 時(shí)，有最大值，說明交變磁場對光催化降解苯酚有一定限制，但是總體交變磁場對光催化降解苯酚是有促進(jìn)作用的，交變磁場與光場可能產(chǎn)生了耦合作用。

3 結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，外加交變磁場降解苯酚的最佳優(yōu)化條件為：苯酚模擬廢水濃度為25 mg/L，用量為50 mL ，其pH=8，加入催化劑TiO2量為0.10 g，加入30%的H2O2量為25 μL，恒溫30℃，交變磁場的頻率為9 kHz，光照攪拌反應(yīng)1 h，苯酚的降解率為52.14%。