WO3/TiO2光觸媒劑對染料廢水的脫色研究

據(jù)美國Color Index統(tǒng)計(jì)，目前使用的染料達(dá)萬種之多，它們不但有特定的顏色，結(jié)構(gòu)復(fù)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(dāng)前環(huán)保領(lǐng)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(jī)絮凝[1]、有機(jī)高分子絮凝[2]、微生物絮凝[3])、電化學(xué)法[4]、氧化法(化學(xué)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(jí)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(chǎn)生強(qiáng)烈的催化降解功能。光催化氧化技術(shù)利用光催化劑在反應(yīng)體系中產(chǎn)生的活性極強(qiáng)的自由基與有機(jī)污染物之間的加合、取代、電子轉(zhuǎn)移等過程在輻照條件下使污染物降解為無機(jī)物[13,14]，是處理污染廢水的有效途徑。

作者在此以WO3/TiO2復(fù)合光觸媒劑(即含4% WO3、96% TiO2的復(fù)合納米光觸媒劑)處理染料廢水，并對其脫色條件進(jìn)行了優(yōu)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(jìn)一步利用綠色能源、降低處理成本提供了理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

WO3，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；TiO2，上海前進(jìn)化學(xué)試劑廠；SRE活性艷藍(lán)，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(jì)，上海天美科學(xué)儀器有限公司；722型分光光度計(jì)，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(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；電子天平，上海越平科學(xué)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(zhǔn)確稱取0.1002 g SRE活性艷藍(lán)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(lán)色，測其pH值為6.5。

1.2.2 脫色方法

準(zhǔn)確稱取一定量的WO3/TiO2復(fù)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(tài)；一段時(shí)間后，離心分離，取上層清液測定吸光度(A)，計(jì)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(jì)測定，離心液吸光度用722型分光光度計(jì)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(jì)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(jié)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(nèi)有一吸收峰，最大吸收波長為600 nm，吸光度值為1.075。初步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)pH值對模擬染料廢水吸光度的影響不大，后續(xù)實(shí)驗(yàn)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(diào)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(jì)算色度去除率，結(jié)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(shí)，色度去除率達(dá)到最大35.43%，之后逐步下降。這可能是因?yàn)閃O3/TiO2光觸媒劑用量較少時(shí)，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(dāng)WO3/TiO2光觸媒劑用量過多時(shí)，理論上，在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了大量的羥基自由基，但由于產(chǎn)生的速度過快，以至于羥基自由基自身迅速發(fā)生反應(yīng)而不與廢水中的有機(jī)物發(fā)生作用，達(dá)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(huì)懸浮在溶液中，影響溶液的透光率，導(dǎo)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(shí)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(jì)算色度去除率，結(jié)果見圖3。

圖3 光照時(shí)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(shí)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(jié)能問題，選擇最佳光照時(shí)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(diào)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(jì)算色度去除率，結(jié)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(yīng)的進(jìn)行。在pH值為2.5時(shí)，色度去除率達(dá)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(wěn)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(diào)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(jì)算色度去除率，結(jié)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?yàn)榫酃饪梢栽鰪?qiáng)光的強(qiáng)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(qiáng)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(shí)間內(nèi)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(jié)論

(1)利用光催化氧化技術(shù)，以WO3/TiO2光觸媒劑對染料廢水進(jìn)行脫色處理的最優(yōu)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(shù)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(jìn)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(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李風(fēng)亭，陸雪非，張冰如. 印染廢水脫色方法[J]. 水處理技術(shù)，2003，29(1): 12-14.

[2] 李旭祥，周心艷，王世駒，等. 改性淀粉絮凝劑處理印染廢水[J]. 化工環(huán)保，1994，12(5): 313-314.

[3] 胡勇有，高健. 微生物絮凝劑的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]. 環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1999，7(4): 24-29.

[4] 賈金平，楊驥，廖軍，等. 活性炭纖維電極法處理染料廢水機(jī)理初探[J]. 環(huán)境科學(xué)，1997，18(6): 31-34.

[5] 崔淑蘭.王峰云.鐵屑-雙氧水氧化法處理染料廢水[J]. 環(huán)境保護(hù)，1990，(12)：10-11.

[6] 徐向榮，王文華，李華斌. Fenton試劑與染料溶液的反應(yīng)[J]. 環(huán)境科學(xué)，1999，20(3)：72-74.

[7] 華彬，陸永生，唐春燕，等. 超聲技術(shù)降解酸性紅B廢水[J].環(huán)境科學(xué)，2000，21(2)：88-90.

[8] 魯天龍. 厭氧-好氧工藝處理印染廢水技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 污染防治技術(shù)，1998，11(1)：12-14.

[9] 馬志毅，張國洪. 處理染色廢水專用活性炭研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，1997，17(3)：328-333.

[10] 陳欣志，孟炳林，何訓(xùn)章，等. 離子交換纖維用于陽離子印染廢水脫色治理技術(shù)[J]. 工業(yè)水處理，1989，9(4)：27-28.

[11] 陳天虎，張國生，范文元，等.凹凸棒石粘土處理印染廢水研究[J]. 環(huán)境污染與防治，1995，17(1)：24-26.

[12] 肖羽堂，許建華. 利用電廠粉煤灰處理染料中間體廢水[J]. 環(huán)境工程，1998，16(2)：30-33.

[13] 王成國,鄧兵.納米TiO2光催化氧化處理直接耐曬翠藍(lán)染色廢液[J].印染, 2004, 30(7): 10-12.

[14] 李曉平,徐寶琨, 劉國范, 等.納米TiO2光催化降解水中有機(jī)污染物的研究與發(fā)展[J].功能材料, 1999，30(3):242-245.