廢水處理用新型光催化劑的制備及應(yīng)用

趙鵬雷

遼寧省環(huán)境科學(xué)研究院，遼寧沈陽(yáng) 110031

1 試驗(yàn)?zāi)康暮头椒?/h2>

試驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)羅丹明B在光催化劑、水溶液的PH值以及YVO4納米粉體的粒徑都各自不同的情況下的光催化降解率來(lái)分析影響光催化有機(jī)廢水的各種因素，探究怎樣的條件下廢水的處理效果最佳，以此來(lái)證明YVO4納米粉體催化廢水的可行性。

研究方法：研究對(duì)象為羅丹明B水溶液，用羅丹明B來(lái)模擬有機(jī)廢水進(jìn)行試驗(yàn)研究。考慮各種影響因素，充分運(yùn)用已有的各種設(shè)備，采用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)的方法，尋找能使廢水處理達(dá)到最佳狀態(tài)的運(yùn)行參數(shù)，另外還初步探討了YVO4光催化機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 光催化反應(yīng)器及實(shí)驗(yàn)過(guò)程

光催化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)可在自制的可控溫反應(yīng)器中完成，反應(yīng)器的組成部分有：400W的高壓泵燈、暗箱以及冷卻水系統(tǒng)。通過(guò)磁力攪拌來(lái)使溶液中光催化劑維持在懸浮狀態(tài)。在循環(huán)水的作用下，整個(gè)降解過(guò)程都在25℃左右下進(jìn)行。

進(jìn)行光催化實(shí)驗(yàn)時(shí)，先在燒杯中放入500mL的羅丹明B水溶液，另外將一些自制的光催化劑放入燒杯，進(jìn)行超聲分散20min；加入0.01mL的NaOH的水溶液調(diào)節(jié)酸堿度；再將微型的空氣泵開(kāi)啟，使水溶液中有空氣通入，不停的攪拌60min，使羅丹明B在光催化劑的表面的吸附和脫附能夠平衡。最后把少燒杯放入暗箱里，將高壓泵燈打開(kāi)開(kāi)始光催化降解實(shí)驗(yàn)，并每隔10min取出5mL反應(yīng)液，用高速離心機(jī)進(jìn)行分離后，在羅丹明B的最大吸收波長(zhǎng)出用清液檢驗(yàn)它的吸光度。

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

正是實(shí)驗(yàn)不需要進(jìn)行太多的實(shí)驗(yàn)就可以找到好的實(shí)驗(yàn)條件，但由于水平有限，最佳值還需要做進(jìn)一步的研究。通過(guò)單因素條件研究光的催化條件，以此來(lái)獲得最佳的參數(shù)。

2.2.1 水溶液的pH值對(duì)光催化效率的影響

光的催化劑選擇粒徑為10mm的YVO4的納米粉體，當(dāng)光催化劑的濃度達(dá)到1g/l時(shí)，水溶液的PH值會(huì)發(fā)生改變，分析光催化劑對(duì)降解率的影響。用稀的HCL和NaoH調(diào)節(jié)成PH值為3，4，5的溶液，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

水溶液的pH 值對(duì)催化作用的影響不是單純的增加或減少線性，而是H+和OH相互之間起作用。從圖1中可以看出，光催化降解率隨著水溶液pH值的增加而增加。但pH值為4時(shí)，降解率的值達(dá)到最高。所以合理的選擇pH值直接關(guān)系到光催化劑效果的提高。

圖1 pH值對(duì)降解率的影響

2.2.2 光催化劑的濃度對(duì)光催化劑效率的影響

反應(yīng)體系在無(wú)光照催化劑條件下進(jìn)行空白樣實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2。

圖2 光催化劑濃度對(duì)光催化劑降解率的影響

經(jīng)過(guò)60min的光照，羅丹明B只降解了20%以下。說(shuō)明羅丹明B在無(wú)光催化劑的條件下降解率較低。

如果光催化劑采用10mm的YVO4納米粉體，pH值為4時(shí)，改變光催化劑的濃度得到以下結(jié)果：當(dāng)光催化劑的濃度為0.59/時(shí)，60min的光催化降解率達(dá)到87.6%；當(dāng)濃度為1g/L時(shí)，60min的光催化降解率為92%；當(dāng)光的催化劑濃度為1.5g/L時(shí)，一部分的光催化劑會(huì)失活，60min的光催化降解率又降低到82.9%。

所以光催化劑的最佳濃度是1g/L。光催化劑的濃度不同，對(duì)光催化效率的影響也就不同，這表現(xiàn)的十分突出，如圖3。

圖3 光催化劑濃度對(duì)光催化效率的影響

在沒(méi)有加催化劑的情況下，光催化效率的值僅為0.0036465；當(dāng)光催化劑的濃度為0.5g/L時(shí)，K值立刻上升到0.20538；當(dāng)光催化劑的濃度提高到1.0g/L時(shí)，K的值達(dá)到最大：0.042774；濃度再往上，K值下降為0.03003，最佳濃度下的催化反應(yīng)速率是不加催化劑的11.7倍。

2.3 光催化降解羅丹明B機(jī)理分析

目前光催化反應(yīng)機(jī)理中統(tǒng)一的觀點(diǎn)是半導(dǎo)體電子—空穴理論。主要研究在pH不同的情況下納米TiO2對(duì)亞甲基藍(lán)的降解率，此時(shí)pH值為9，就是說(shuō)在弱堿性時(shí)對(duì)染料的脫色降解有利。說(shuō)明在紫外光下催化，電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，形成了電子—空穴對(duì)。空穴在反應(yīng)時(shí)水中的OH-會(huì)被消耗掉。使其成為強(qiáng)氧化活性的OH。

接著電子和空穴會(huì)分別與染料發(fā)生氧化還原反應(yīng)完成降解。

如果YVO4的光催化降解羅丹明B溶液過(guò)程中符合光催化電子—空穴理論，在紫外光的照射下，電子形成電子—空穴參與到還原降解反應(yīng)中，那么在堿性條件下，YVO4的催化效率也會(huì)很高。實(shí)驗(yàn)證明，在特定的酸性條件下，YVO4會(huì)達(dá)到最好的催化效果。這違背了光催化電子—空穴理論。另外，從YVO4催化降解實(shí)驗(yàn)中可以看出，pH值在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后比在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)要大。而且在光催化條件達(dá)到最佳狀態(tài)時(shí)，pH值提高了很多，達(dá)到了4.5，這說(shuō)明YVO4有著降低反應(yīng)，符合光敏化過(guò)程。另外，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，pH值越低催化效果不一定越好。這表明YVO4催化過(guò)程并非是單純的光敏化過(guò)程。而是光敏化與光催化相結(jié)合的結(jié)果。當(dāng)光敏化和光催化達(dá)到一定的平衡時(shí)，催化效果達(dá)到最佳狀態(tài)。

3 結(jié)論

總之，本文光催化降解實(shí)驗(yàn)中的光催化劑選擇了YVO4納米粉體，還以羅丹明B作為染料模擬廢水，探討了光催化劑的濃度和水溶液的pH值對(duì)水溶液中羅丹明B的降解率的影響。得到了以下結(jié)論：

1）通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)法分析了YVO4光催化劑水溶液的濃度、水溶液的pH值對(duì)羅丹明B降解率的影響。其中，水溶液的pH值對(duì)水溶液中羅丹明B的降解率影響最大，其次是光催化劑的濃度，最后是光催化劑的粒徑；

2）在光催化劑的濃度為19/L，光催化劑的粒徑10mm，水溶液的pH值為4時(shí)羅丹明B的降解率能達(dá)到最佳狀態(tài)。

[1]劉曄.廢水處理用新型光催化劑的制備及應(yīng)用研究[D].青島理工大學(xué)，2009(6).

[2]趙金剛.新型光催化劑的制備及降解染料廢水的研究[D].青島理工大學(xué)，2010(6).

[3]宣寧，劉紅英，劉薇.光催化材料在廢水處理中的應(yīng)用[J].民營(yíng)科技，2009(9).