摘要：以天然浮石為載體,用溶膠一凝膠法制備含pb2+的TiO2光催化劑,并用制備的光催化劑處理活性艷紅X-3B染料廢水。研究了催化劑制備時溶膠的涂覆次數(shù)、摻雜Pb2+濃度、染液pH值、處理溫度對染料.html"target=_blank>染料廢水處理效果的影響。結(jié)果表明,當涂覆4次、Pb(NO3)2濃度為2.0g/ L,處理溫度70℃條件下處理75min,脫色率可達89%。

關(guān)鍵詞：TiO2 pb2+ 天然浮石 光催化劑 染料廢水

光催化氧化作為一種新型氧化技術(shù),受到國內(nèi)外學者 的關(guān)注,它用于污水處理具有及其廣闊的前景[1]。目前, 懸浮態(tài)TiO2光催化劑在水中易凝聚、易失活,且使光的穿 透力受阻,尤其是處理后的光催化劑分離與回收已成為該 項技術(shù)能否工業(yè)化的關(guān)鍵,對于此類問題人們通過將光催 化劑負載到合適的載體上來加以解決。同時發(fā)現(xiàn),由于光 催化劑在載體上的負載使其催化活性受到了一定的影響, 近年來的研究表明離子摻雜TiO2是提高光催化活性的一 條很好的途徑[2]。已有學者研究了摻雜Fe3+、Ca2+、Mg2+、 A13+、Cu2+等離子對TiO2光催化活性的影響。本文主要 研究了摻雜pb2+改善TiO2光催化劑催化活性的影響,并 重點研究了其在印染廢水處理中的應用。在染料廢水處 理過程中采用了微波無極紫外光作為光源,微波無極紫外 燈發(fā)射的可見光可以被染料分子所吸收,使染料分子光敏 化,有利于染料分子的降解;而且發(fā)射的紫外光可用來激 發(fā)光催化劑,產(chǎn)生光致電子?D空穴,進一步產(chǎn)生?OH等一 系列自由基,與染料分子發(fā)生氧化?D還原反應,降解染 料[3]。

1 實驗部分

1.1 TiO2溶膠的制備

將350ml無水乙醇.html" target=_blank>乙醇加入到1000ml燒杯中,開動電動攪 拌器持續(xù)攪拌。同時量取100ml的鈦酸四正丁酯和15ml 的乙酰丙酮.html" target=_blank>丙酮分別緩慢滴加到乙醇中。再用移液管移取 50ml硝酸鉛溶液,攪拌30min,制得混合液A。

另取一1000ml燒杯,加入350ml無水乙醇,再分別緩 慢加入15ml乙酰丙酮和40ml蒸餾水,制得混合液B。將 混合液B緩慢滴加到混合液A中,然后滴加0.5~0.7ml硝 酸溶液,繼續(xù)攪拌60min。制備成溶膠備用。

1.2 pb2+/TiO2/浮石光催化劑制備

取一1000ml燒杯,將浮石浸于TiO2溶膠中,超聲振蕩 15min,并不斷用玻棒攪拌,使TiO2溶膠與浮石充分混合。 然后取出燒杯中的浮石,放于干燥處靜置24hr。 將靜置后的浮石置于馬福爐中,溫度先上升至250℃,恒溫保持60min;再調(diào)高溫度到500℃,恒溫保持3hr。關(guān)閉 電源后,浮石在馬福爐中自然冷卻至室溫。

燒制好的浮石,用蒸餾水沖洗,再放入烘箱中烘干,即 制得涂覆1次的pb2+/TiO2/浮石光催化劑。重復上述步 驟,可以制得涂覆2、3、4、5次的pb2+/TiO2/浮石光催化劑。

1.3 染液處理

將濃度為300mg/L的X-3B染料廢水1000ml注入微 波爐內(nèi)的容器中,同時放入制得的pb2+/TiO2/浮石光催化 劑40g。啟動實驗裝置,通過微波照射激發(fā)紫外燈來處理 廢水。容器里的染液通過水泵抽出進入循環(huán)冷凝系統(tǒng)再 回到容器中,每隔15min在取樣口取樣。冷凝系統(tǒng)的作用 在于通過調(diào)節(jié)水的流量將處理的溫度控制在一定的范圍 內(nèi)。

用染液的處理效果來表征pb2+/TiO2/浮石光催化劑 制備的有關(guān)影響因素:催化劑的涂覆次數(shù)、硝酸鉛濃度等。 影響X-3B處理效果的因素有:染液初始pH值、反應溫度等。

實驗裝置如圖1。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 涂覆次數(shù)對活性艷紅X-3B染料廢水脫色效果的影響

在1000ml濃度為300mg/L的活性艷紅X?D3B模擬 廢水中,加入自制的pb2+/TiO2/浮石光催化劑。反應溫 度40℃,pH值6.2,全曝氣的條件下反應75min。對比催化劑的不同涂覆次數(shù)對脫色效果的影響,如圖2。

由圖2可知,涂覆4次的處理效果最好,處理 75min時,脫色率可達52.5%。分析認為:涂覆次數(shù)過 少,浮石表面TiO2的含量過少,催化效果不佳;但涂覆 次數(shù)過多,浮石內(nèi)的小空隙會被TiO2溶膠覆蓋,減少了 接觸反應的面積,從而影響了催化效果。

2.1 溶膠制備中硝酸鉛濃度對活性艷紅X-3B染料 廢水脫色效果的影響

取1000ml濃度為300mg/L的活性艷紅X-2B,反 應溫度40℃,pH值6.2,全曝氣條件下反應75min(其中 加入涂覆四次,煅燒溫度為500℃的催化劑40g)。在配置TiO2溶膠時,摻雜一定濃度的Pb(NO3)2溶 液來對TiO2/浮石光催化劑進行改性。試驗結(jié)果證明,隨著摻雜Pb(NO3)2濃度的增加,脫色率不斷增加,當 Pb(NO3)2濃度為2.0g/L時,處理活性艷紅X-3B染料 廢水75min,可以達到54.3%的脫色處理效果。分析認 為,摻雜過渡金屬.html" target=_blank>金屬離子pb2+變了納米TiO2的禁帶寬度, 使反應的響應光譜向可見光擴展,并且有效地抑制了 e-?Dh+的復合,提高了半導體的光催化效率[4]。

2.3 染液初始pH值對活性艷紅X-3B染料廢水脫色效果的影響

取1000ml濃度為300mg/L的活性艷紅X-3B,反應溫度40℃,全曝氣條件下反應75min(催化劑:摻雜的 Pb(NO3)2濃度為2.0g/L、用溶膠涂覆四次的催化劑40g)。對比不同pH下的脫色效果,如圖4。

由圖4可知:染液的初始pH值為2時效果最好, 在處理75min時,其脫色率可達65%。隨著染液酸性或 堿性增強,脫色效果變好。染液初始pH值對處理效果 產(chǎn)生影響,是因為TiO2表面的電荷性質(zhì)會受到溶液酸 堿性的影響,染夜呈酸性或堿性有利于染料在催化劑 表面的吸附,從而有利于催化反應的進行[5]。

2.4 反應溫度對活性艷紅X-3B染料廢水脫色效果的影響

取1000ml濃度為300mg/L的活性艷紅X-3B,反 應溫度40℃,pH值6.2,全曝氣條件下反應75min(加入涂覆四次的催化劑40g)�？梢钥闯�,溫度越高染液處理效果越好,當 溫度為70℃時,處理時間為75min的脫色率可達89. 9%。分析可知,電子被吸附溶解在TiO2表面的氧俘獲 形成活性超氧陰離子自由基O2-,而空穴則將吸附在 TiO2表面的OH-和H2O氧化成氫氧自由基OH,活性 的O2和OH具有很高的反應活性,當污染物吸附于其 表面時,就會被氧化,發(fā)生鏈式降解反應,分解成無毒 的CO2、H2O和無機物,從而達到消除污染的目的。溫 度升高,電子比較活躍,加速了這一過程。

3 結(jié)論

3.1 以天然浮石為載體,用溶膠一凝膠法制備的含 pb2+的TiO2光催化劑,隨著摻雜Pb(NO3)2濃度的增加,脫色率不斷增加。可見TiO2光催化劑中摻雜過渡 金屬離子Pb2+,可改善和提高印染廢水的處理效果。 實驗中,當Pb(NO3)2濃度為2.0g/L處理75min時脫色 率可達到54.3%。

3.2 TiO2溶膠涂覆量有一最佳值,低于這一值,處理效 果較差,高于這一值則處理效果提高不明顯,甚至會因 堵塞浮石空隙而使處理效果變差。試驗中,浮石涂覆4 次為最佳,處理75min時,脫色率可達52.5%。

3.3 染液的初始pH值對處理效果影響較大,尤其是 在酸性條件下,當pH=2時,處理45min時,脫色率就可 達到60.5%。

3.4 TiO2光催化劑處理廢水的溫度對催化劑的活性有 較大的影響。試驗表明,溫度越高,處理的效果越好。 試驗中,在70℃條件下處理75min的脫色率可達89. 9%。但在工業(yè)生產(chǎn)上,溫度過高不但對設(shè)備的要求提 高,而且損失了大量的熱量,使處理成本提高,不夠現(xiàn) 實,所以,可以選擇40℃的反應溫度。

參考文獻

[1]FujishimaA,RaoTN,TrykDA.Titaniumdi oxide photocatalysis[J]. Joumalof Photo chemistry andP hotobiology C:PhotochemistryReviews, 2000,1:1-21.

[2]尹霞,向建南,任志宇,等.Fe3+-H摻雜TiO2光催 化劑的制備、表征與催化性能[J].應用化學,2005,22 (6):634-637.

[3]鄭敏.印染廢水光催化氧化作用機理解析[J].染整 技術(shù),2002,24(1):43-45.

[4]張西旺,王怡中.微波強化光催化氧化技術(shù)研究現(xiàn) 狀及展望[J].化學進展,2005,17(1):93.

[5]王星敏,陳勝福.印染廢水的光催化氧化新進展[J]. 重慶工商大學學報(自然科學版),2004,21(3).230.

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