WO3/TiO2光觸媒劑對染料廢水的脫色研究

據美國Color Index統計，目前使用的染料達萬種之多，它們不但有特定的顏色，結構復雜，而且大多不易生物降解，具有潛在的毒性。因而高色度的染料廢水處理是當前環保領域較活躍的課題之一。目前常用的染料廢水處理方法有絮凝沉降法(無機絮凝[1]、有機高分子絮凝[2]、微生物絮凝[3])、電化學法[4]、氧化法(化學氧化[5]、光催化氧化[6]、超聲波氧化[7])、生化法[8]、吸附法(活性炭吸附[9]、離子交換吸附[10]、天然礦物吸附[11]、煤和煤渣吸附[12])等。

光觸媒劑是一種分子級的金屬氧化物材料，將其涂布于基材表面，在光線的作用下，能產生強烈的催化降解功能。光催化氧化技術利用光催化劑在反應體系中產生的活性極強的自由基與有機污染物之間的加合、取代、電子轉移等過程在輻照條件下使污染物降解為無機物[13,14]，是處理污染廢水的有效途徑。

作者在此以WO3/TiO2復合光觸媒劑(即含4% WO3、96% TiO2的復合納米光觸媒劑)處理染料廢水，并對其脫色條件進行了優化，比較了紫外光照射以及日光聚焦照射對模擬染料廢水的脫色效果，探討了利用太陽光的方法，為進一步利用綠色能源、降低處理成本提供了理論基礎。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

WO3，國藥集團化學試劑有限公司；TiO2，上海前進化學試劑廠；SRE活性艷藍，江蘇申新染料化工股份有限公司。

UV1100型紫外可見分光光度計，上海天美科學儀器有限公司；722型分光光度計，上海精密儀器廠；JB-1A型磁力攪拌器，上海雷磁儀器廠；800型離心機，上海安亭科學儀器廠；電子天平，上海越平科學儀器有限公司；石英透鏡，金壇中平石英玻璃儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 模擬染料廢水的配制

準確稱取0.1002 g SRE活性艷藍溶于1 L容量瓶中，定容，搖勻，即為100.2 mg·L-1模擬廢水。該廢水呈藍色，測其pH值為6.5。

1.2.2 脫色方法

準確稱取一定量的WO3/TiO2復合光觸媒劑于石英燒杯中，加入10.00 mL模擬染料廢水，控制溶液pH值，光照條件下磁力攪拌，使光觸媒劑始終處于懸浮狀態；一段時間后，離心分離，取上層清液測定吸光度(A)，計算廢水色度去除率。

1.2.3 分析方法

模擬染料廢水的吸收光譜用紫外可見分光光度計測定，離心液吸光度用722型分光光度計測定。分別測定處理前后最大吸收波長處的吸光度值，按下式計算廢水色度去除率。

式中：E為廢水色度去除率；A0為模擬染料廢水光催化處理前的吸光度；A1為模擬染料廢水光催化處理后的吸光度。

2 結果與討論

2.1 模擬染料廢水的紫外可見吸收光譜分析

圖1為100.2 mg·L-1模擬染料廢水的紫外可見吸收光譜。

圖1 染料廢水的紫外可見吸收光譜圖

由圖1可看出，模擬染料廢水在450～700 nm范圍內有一吸收峰，最大吸收波長為600 nm，吸光度值為1.075。初步實驗發現pH值對模擬染料廢水吸光度的影響不大，后續實驗均采用該模擬廢水。

2.2 WO3/TiO2光觸媒劑用量對色度去除率的影響

移取10.00 mL模擬染料廢水于石英燒杯中，加入WO3/TiO2光觸媒劑，用0.30 mol·L-1的HCl溶液調pH值至2.5，用石英透鏡聚焦2根20 W紫外燈照射1.0 h，離心分離，取上層清液測其吸光度，并計算色度去除率，結果見圖2。

圖2 WO3/TiO2光觸媒劑用量對色度去除率的影響

由圖2可看出，隨著WO3/TiO2光觸媒劑用量的增加，廢水色度去除率逐步升高，在WO3/TiO2光觸媒劑用量為3 g·L-1時，色度去除率達到最大35.43%，之后逐步下降。這可能是因為WO3/TiO2光觸媒劑用量較少時，其表面的電子空穴對較少，對具有高度活性的羥基自由基的生成不利；當WO3/TiO2光觸媒劑用量過多時，理論上，在極短的時間內產生了大量的羥基自由基，但由于產生的速度過快，以至于羥基自由基自身迅速發生反應而不與廢水中的有機物發生作用，達不到降低廢水色度的目的；另外WO3/TiO2光觸媒劑用量過多也會懸浮在溶液中，影響溶液的透光率，導致色度去除率下降。因此，選擇最佳WO3/TiO2光觸媒劑用量為3 g·L-1。

2.3 光照時間對色度去除率的影響

移取10.00 mL模擬染料廢水于石英燒杯中，加入3 g·L-1的WO3/TiO2光觸媒劑，用石英透鏡聚焦2根20 W紫外燈照射，離心分離，取上層清液測其吸光度，并計算色度去除率，結果見圖3。

圖3 光照時間對色度去除率的影響

由圖3可知，色度去除率隨著光照時間的延長逐漸升高，但光照超過1.0 h后，色度去除率上升速率減慢。考慮到節能問題，選擇最佳光照時間為1.0 h。

2.4 廢水pH值對色度去除率的影響

移取10.00 mL模擬染料廢水于石英燒杯中，加入3 g·L-1的WO3/TiO2光觸媒劑，用0.10 mol·L-1的HCl溶液或0.05 mol·L-1的NaOH溶液調pH值，用石英透鏡聚焦2根20 W紫外燈照射1.0 h，離心分離，取上層清液測其吸光度，并計算色度去除率，結果見圖4。

圖4 pH值對色度去除率的影響

由圖4可知，廢液偏酸性較有利于光觸媒劑氧化反應的進行。在pH值為2.5時，色度去除率達到最大34.85%。其原因可能是pH值太大或太小都不利于羥基自由基的穩定存在。因此，選擇最佳pH值為2.5。

2.5 光照方式對色度去除率的影響

移取10.00 mL模擬染料廢水于石英燒杯中，加入3 g·L-1的WO3/TiO2光觸媒劑，用0.30 mol·L-1的HCl溶液調pH值至2.5，分別采用不同光照方式照射1.0 h。離心分離，取上層清液測其吸光度，并計算色度去除率，結果見表1。

表1 光照方式對色度去除率的影響

由表1可知，日光聚焦照射的色度去除率比日光照射高，與紫外光照射相差不大。這是因為聚光可以增強光的強度，透鏡的直徑大于石英燒杯的直徑，可以將更大范圍的光線強烈作用到溶液上，提高了光觸媒劑的作用效果。因此，通過透鏡聚光照射，日光在較短時間內也能對染料廢水起到良好的脫色效果，可以代替紫外光，值得推廣使用。

3 結論

(1)利用光催化氧化技術，以WO3/TiO2光觸媒劑對染料廢水進行脫色處理的最優化條件為：光觸媒劑用量3 g·L-1、pH值2.5、用石英透鏡聚光照射1.0 h。

(2)采用WO3/TiO2光觸媒劑光催化氧化技術可以有效地去除染料廢水的色度，表明在石英透鏡聚光條件下，日光能夠代替紫外光對廢水進行有效的脫色處理。由于日光是最天然的綠色能源，在能源緊缺的今天，此方法值得推廣應用。

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