納米ZnO處理含Pb2+廢水的實(shí)驗(yàn)分析

崔 月

(黑龍江省大慶水文水資源中心，黑龍江 大慶 163000)

0 引 言

Pb2+是一種對(duì)人體危害較大的重金屬離子。水體中的Pb2+能夠侵入人的脊柱、破壞造血系統(tǒng)，或者侵入神經(jīng)組織、腎臟及消化系統(tǒng)造成臟器衰竭[1]。常規(guī)的處理方法有物理吸附法、絮凝法、生物處理法等[2-4]，但這些方法均不能有效降解這些離子。這里介紹一種新型的降解方法，在光照條件下納米ZnO能夠催化降解水體中的Pb2+，進(jìn)而降低其對(duì)環(huán)境的破壞力，維持水環(huán)境的穩(wěn)態(tài)與平衡。

1 納米ZnO的催化降解原理

納米ZnO是一種新型半導(dǎo)體材料，具有較大的比表面積。當(dāng)其受到≥禁帶寬度Eg的紫外光或可見光hυ照射時(shí)，其表面的價(jià)電子被激發(fā)躍遷至能量更高的導(dǎo)帶上，形成高能量的空穴-電子(h+(CB)-e-(VB))對(duì)，h+/e-對(duì)在ZnO表面發(fā)生一系列的反應(yīng)進(jìn)而轉(zhuǎn)化成高活性的·OH自由基。反應(yīng)式如(1)-(8)，這些·OH自由基發(fā)生替代、取代和電子轉(zhuǎn)移過程從而降解水體中的污染物。圖1為反應(yīng)原理圖。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

圖1 納米ZnO光催化原理示意圖

2 實(shí)驗(yàn)材料與測(cè)定方法

實(shí)驗(yàn)儀器有：分析天平、高壓汞燈、電動(dòng)離心機(jī)、磁力攪拌器、酸度計(jì)、超聲清洗機(jī)等；實(shí)驗(yàn)藥品有：納米ZnO、Pb(NO3)2、Na2-EDTA、HNO3、二甲酚橙、六亞甲基四胺。實(shí)驗(yàn)藥品配置方案見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)藥品配置方案

利用二甲酚橙作為指示劑，控制反應(yīng)液的pH值為5-6。在此條件下，Pb2+與二甲酚橙形成紫色絡(luò)合物，EDTA能夠奪取Pb2+形成無色絡(luò)合物，進(jìn)而使反應(yīng)溶液由紫色變?yōu)槌壬玔5]。反應(yīng)式為H2Y2-+Pb2+=PbH2Y，溶液中Pb2+的計(jì)算公式如(9)。

(9)

式中：c為溶液中鉛離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/L (M[Pb]=207.2g/ mol) ；V為滴入的Na2-EDTA體積，mL。

3 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用功率為 250W 的高壓汞燈和正午陽光(哈爾濱3月春分時(shí)節(jié))作為光源，使用0.010 0 mol/L的Na2-EDTA標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行滴定，記錄反應(yīng)前后酸式滴定管的讀數(shù)，計(jì)算出Na2-EDTA標(biāo)準(zhǔn)液的消耗量。按照相應(yīng)的物質(zhì)的量比計(jì)算出Pb2+的濃度實(shí)驗(yàn)中，以含Pb2+鹽溶液的降解率Dt表征該納米 ZnO 樣品的催化活性，降解率Dt的計(jì)算公式如(10)。

(10)

式中：A0為Pb(NO3)2溶液的初始質(zhì)量濃度；At為反應(yīng)時(shí)間為t時(shí)的Pb(NO3)2溶液質(zhì)量濃度.

分別在不同光照時(shí)間、不同光照強(qiáng)度、不同初始Pb2+濃度、不同催化劑用量以及不同pH值條件下驗(yàn)證納米ZnO對(duì)溶液體系中Pb2+的降解能力(見表2和圖2)。

表2 不同條件下納米ZnO對(duì)溶液體系中Pb2+的降解能力驗(yàn)證

(a)無光條件下納米ZnO對(duì)Pb2+的降解 (b)高壓汞燈下納米ZnO對(duì)Pb2+的降解 (c)不同光源下納米ZnO對(duì)Pb2+的降解

(d)不同初始濃度條件下納米ZnO對(duì)Pb2+的降解能力比較

(e)不同納米ZnO用量對(duì)Pb2+降解率的影響比較

(f)溶液pH值對(duì)納米ZnO對(duì)Pb2+的降解能力的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

1)當(dāng)pH=5時(shí)，10mg納米ZnO粉末投加到50mL1g/L的模擬含鉛廢水中，無光條件下兩小時(shí)內(nèi)最大降解率為50.4%；太陽光照射條件下，最大降解率為52.7%；高壓汞燈照射條件下，最大降解率為64.2%；

2)在反應(yīng)的兩個(gè)小時(shí)內(nèi)，增加納米ZnO的用量時(shí)，其催化效率呈減小趨勢(shì)，投入10mg納米ZnO粉末時(shí),催化效率最高，20mg時(shí)效率最低；

3)改變?nèi)芤褐蠵b2+濃度，發(fā)現(xiàn)納米ZnO對(duì)1g/L以及4g/L的含Pb2+廢水的降解效率較大，而對(duì)2g/L的含Pb2+廢水的降解能力較弱；

4)隨著H+濃度增大(pH減小)，納米ZnO中Zn2+溶出率增大，其催化效率明顯降低。在pH=5時(shí)催化反應(yīng)比較明顯；

5)從反應(yīng)時(shí)間以及無光-高壓汞燈反應(yīng)速率差值關(guān)系上發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)的前30min，有光條件與無光條件下納米ZnO對(duì)Pb2+降解能力相差不大，而在反應(yīng)的30-90min，高壓汞燈照射條件下納米ZnO對(duì)Pb2+降解能力明顯提高。