浮石光催化剂的制备及其在印染废水处理中的应用
摘要：以天然浮石为载体,用溶胶一凝胶法制备含pb2+的TiO2光催化剂,并用制备的光催化剂处理活性艳红X-3B染料废水。研究了催化剂制备时溶胶的涂覆次数、掺杂Pb2+浓度、染液pH值、处理温度对染料.html"target=_blank>染料废水处理效果的影响。结果表明,当涂覆4次、Pb(NO3)2浓度为2.0g/ L,处理温度70℃条件下处理75min,脱色率可达89%。
关键词：TiO2 pb2+ 天然浮石 光催化剂 染料废水
光催化氧化作为一种新型氧化技术,受到国内外学者 的关注,它用于污水处理具有及其广阔的前景[1]。目前, 悬浮态TiO2光催化剂在水中易凝聚、易失活,且使光的穿 透力受阻,尤其是处理后的光催化剂分离与回收已成为该 项技术能否工业化的关键,对于此类问题人们通过将光催 化剂负载到合适的载体上来加以解决。同时发现,由于光 催化剂在载体上的负载使其催化活性受到了一定的影响, 近年来的研究表明离子掺杂TiO2是提高光催化活性的一 条很好的途径[2]。已有学者研究了掺杂Fe3+、Ca2+、Mg2+、 A13+、Cu2+等离子对TiO2光催化活性的影响。本文主要 研究了掺杂pb2+改善TiO2光催化剂催化活性的影响,并 重点研究了其在印染废水处理中的应用。在染料废水处 理过程中采用了微波无极紫外光作为光源,微波无极紫外 灯发射的可见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;而且发射的紫外光可用来激 发光催化剂,产生光致电子?D空穴,进一步产生?OH等一 系列自由基,与染料分子发生氧化?D还原反应,降解染 料[3]。
1 实验部分
1.1 TiO2溶胶的制备
将350ml无水乙醇.html" target=_blank>乙醇加入到1000ml烧杯中,开动电动搅 拌器持续搅拌。同时量取100ml的钛酸四正丁酯和15ml 的乙酰丙酮.html" target=_blank>丙酮分别缓慢滴加到乙醇中。再用移液管移取 50ml硝酸铅溶液,搅拌30min,制得混合液A。
另取一1000ml烧杯,加入350ml无水乙醇,再分别缓 慢加入15ml乙酰丙酮和40ml蒸馏水,制得混合液B。将 混合液B缓慢滴加到混合液A中,然后滴加0.5~0.7ml硝 酸溶液,继续搅拌60min。制备成溶胶备用。
1.2 pb2+/TiO2/浮石光催化剂制备
取一1000ml烧杯,将浮石浸于TiO2溶胶中,超声振荡 15min,并不断用玻棒搅拌,使TiO2溶胶与浮石充分混合。 然后取出烧杯中的浮石,放于干燥处静置24hr。 将静置后的浮石置于马福炉中,温度先上升至250℃,恒温保持60min;再调高温度到500℃,恒温保持3hr。关闭 电源后,浮石在马福炉中自然冷却至室温。
烧制好的浮石,用蒸馏水冲洗,再放入烘箱中烘干,即 制得涂覆1次的pb2+/TiO2/浮石光催化剂。重复上述步 骤,可以制得涂覆2、3、4、5次的pb2+/TiO2/浮石光催化剂。
1.3 染液处理
将浓度为300mg/L的X-3B染料废水1000ml注入微 波炉内的容器中,同时放入制得的pb2+/TiO2/浮石光催化 剂40g。启动实验装置,通过微波照射激发紫外灯来处理 废水。容器里的染液通过水泵抽出进入循环冷凝系统再 回到容器中,每隔15min在取样口取样。冷凝系统的作用 在于通过调节水的流量将处理的温度控制在一定的范围 内。
用染液的处理效果来表征pb2+/TiO2/浮石光催化剂 制备的有关影响因素:催化剂的涂覆次数、硝酸铅浓度等。 影响X-3B处理效果的因素有:染液初始pH值、反应温度等。
实验装置如图1。
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2 实验结果与讨论
2.1 涂覆次数对活性艳红X-3B染料废水脱色效果的影响
在1000ml浓度为300mg/L的活性艳红X?D3B模拟 废水中,加入自制的pb2+/TiO2/浮石光催化剂。反应温 度40℃,pH值6.2,全曝气的条件下反应75min。对比催化剂的不同涂覆次数对脱色效果的影响,如图2。
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由图2可知,涂覆4次的处理效果最好,处理 75min时,脱色率可达52.5%。分析认为:涂覆次数过 少,浮石表面TiO2的含量过少,催化效果不佳;但涂覆 次数过多,浮石内的小空隙会被TiO2溶胶覆盖,减少了 接触反应的面积,从而影响了催化效果。
2.1 溶胶制备中硝酸铅浓度对活性艳红X-3B染料 废水脱色效果的影响
取1000ml浓度为300mg/L的活性艳红X-2B,反 应温度40℃,pH值6.2,全曝气条件下反应75min(其中 加入涂覆四次,煅烧温度为500℃的催化剂40g)。在配置TiO2溶胶时,掺杂一定浓度的Pb(NO3)2溶 液来对TiO2/浮石光催化剂进行改性。试验结果证明,随着掺杂Pb(NO3)2浓度的增加,脱色率不断增加,当 Pb(NO3)2浓度为2.0g/L时,处理活性艳红X-3B染料 废水75min,可以达到54.3%的脱色处理效果。分析认 为,掺杂过渡金属.html" target=_blank>金属离子pb2+变了纳米TiO2的禁带宽度, 使反应的响应光谱向可见光扩展,并且有效地抑制了 e-?Dh+的复合,提高了半导体的光催化效率[4]。
2.3 染液初始pH值对活性艳红X-3B染料废水脱色效果的影响
取1000ml浓度为300mg/L的活性艳红X-3B,反应温度40℃,全曝气条件下反应75min(催化剂:掺杂的 Pb(NO3)2浓度为2.0g/L、用溶胶涂覆四次的催化剂40g)。对比不同pH下的脱色效果,如图4。
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由图4可知:染液的初始pH值为2时效果最好, 在处理75min时,其脱色率可达65%。随着染液酸性或 碱性增强,脱色效果变好。染液初始pH值对处理效果 产生影响,是因为TiO2表面的电荷性质会受到溶液酸 碱性的影响,染夜呈酸性或碱性有利于染料在催化剂 表面的吸附,从而有利于催化反应的进行[5]。
2.4 反应温度对活性艳红X-3B染料废水脱色效果的影响
取1000ml浓度为300mg/L的活性艳红X-3B,反 应温度40℃,pH值6.2,全曝气条件下反应75min(加入涂覆四次的催化剂40g)。可以看出,温度越高染液处理效果越好,当 温度为70℃时,处理时间为75min的脱色率可达89. 9%。分析可知,电子被吸附溶解在TiO2表面的氧俘获 形成活性超氧阴离子自由基O2-,而空穴则将吸附在 TiO2表面的OH-和H2O氧化成氢氧自由基OH,活性 的O2和OH具有很高的反应活性,当污染物吸附于其 表面时,就会被氧化,发生链式降解反应,分解成无毒 的CO2、H2O和无机物,从而达到消除污染的目的。温 度升高,电子比较活跃,加速了这一过程。
3 结论
3.1 以天然浮石为载体,用溶胶一凝胶法制备的含 pb2+的TiO2光催化剂,随着掺杂Pb(NO3)2浓度的增加,脱色率不断增加。可见TiO2光催化剂中掺杂过渡 金属离子Pb2+,可改善和提高印染废水的处理效果。 实验中,当Pb(NO3)2浓度为2.0g/L处理75min时脱色 率可达到54.3%。
3.2 TiO2溶胶涂覆量有一最佳值,低于这一值,处理效 果较差,高于这一值则处理效果提高不明显,甚至会因 堵塞浮石空隙而使处理效果变差。试验中,浮石涂覆4 次为最佳,处理75min时,脱色率可达52.5%。
3.3 染液的初始pH值对处理效果影响较大,尤其是 在酸性条件下,当pH=2时,处理45min时,脱色率就可 达到60.5%。
3.4 TiO2光催化剂处理废水的温度对催化剂的活性有 较大的影响。试验表明,温度越高,处理的效果越好。 试验中,在70℃条件下处理75min的脱色率可达89. 9%。但在工业生产上,温度过高不但对设备的要求提 高,而且损失了大量的热量,使处理成本提高,不够现 实,所以,可以选择40℃的反应温度。
参考文献
[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掺杂TiO2光催 化剂的制备、表征与催化性能[J].应用化学,2005,22 (6):634-637.
[3]郑敏.印染废水光催化氧化作用机理解析[J].染整 技术,2002,24(1):43-45.
[4]张西旺,王怡中.微波强化光催化氧化技术研究现 状及展望[J].化学进展,2005,17(1):93.
[5]王星敏,陈胜福.印染废水的光催化氧化新进展[J]. 重庆工商大学学报(自然科学版),2004,21(3).230.
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