復合光催化劑T i O2/麥飯石光催化降解氨氮應用研究

杜艷華 張克偉（黑龍江昊華化工有限公司,黑龍江 齊齊哈爾 161000）

近30年來研究表明，半導體多相光催化處理污染廢水，能耗低、操作簡便、反應條件溫和、無二次污染等突出優點，具有廣闊的應用前景[1，2]。此領域的新技術發展及應用于光催化降解環境污染物日益受到重視。目前已有一些研究者選擇了包括陶瓷、多孔硅膠等作為載體，來研究二氧化鈦的固化，利用復合物多孔的比表面積和強吸附性來增強其光催化活性。天然麥飯石在我國分布資源豐富，具有很強的物理吸附性能和離子交換性能[3]，有研究顯示它能吸附水中大量有毒物質，同時可以在水中溶出一些對水生生物有益的微量元素。

隨著我國經濟建設的發展，氨氮污水排放量近年急劇上升。據中國環境狀況公報(2009年)，氨氮成為長江的首要污染物，同時也是黃河、珠江、松花江、海河和遼河的主要污染物，氨氮作為一項新增的減排約束指標被列入了“十二五”規劃，控制氨氮排放量已經成為改善水體水質的關鍵。在此宏觀背景下，光催化技術去除水中氨氮的應用研究也得到更為廣泛的關注。

1 復合光催化劑TiO2/麥飯石樣品的制備

分稱取一定量的天然麥飯石樣品若干份（60目），采用溶膠-凝膠法將二氧化鈦負載于其表面，再經不同條件熱處理后得到復合光催化劑TiO2/麥飯石樣品若干份。取上述樣品進行光催化有機染料性能測試，本研究選取測試效果最佳樣品。

2 氨氮降解率最優條件的確定

影響光催化處理氨氮廢水的因素很多，由前期實驗觀察，結合實際情況，在反應體系中選取對氨氮降解效率產生較大影響的實驗條件：包括pH值、氨氮初始濃度、反應時間、催化劑用量、外加氧化劑用量等等，將這些變量作為實驗需要考察的影響因子，再結合實際選擇具有代表性的三個水平條件，進行L9（34）正交實驗設計，完成實驗并根據實測數據分析上述各因子對光催化降解率的影響顯著程度，進一步優化反應條件。配制的不同濃度的氨氮溶液100mL，加入負載TiO2/麥飯石復合催化劑，按照設計方案控制系列反應進行，采用納氏比色法測定降解反應后剩余氨氮濃度。在反應進行60 min后，氨氮降解率迅速提高，到達150 min之后降解率趨于平穩。從實用化角度出發，反應時間不宜過長，本研究確定的反應時間控制在200 min之內。本實驗在室溫21℃下進行。

對上述正交實驗采用極差值分析法，可以確定各因子影響程度由強及弱排序為初始pH值＞紫外作用時間＞催化劑用量＞H2O2用量。同時也可以判斷本研究條件下去除氨氮的相對最優條件是：pH值為10、催化劑用量為3g/L、H2O2(30%)用量為2mL、反應時間是180 min。當四項因素指標在各自水平范圍內波動時(pH值取8-12、催化劑1-3g/L、H2O22-6 mL、反應時間120-240 min)，各個因子的影響力由強到弱排序為：pH值、反應時間、催化劑投加量、H2O2添加量。

3 降解廢水中氨氮應用

由從以上實驗結果，可以得出復合光催化劑負載TiO2/麥飯石降解氨氮在本研究下的最佳反應控制條件。在此最佳條件下，對100mL的某企業工業廢水水樣（經實測氮氮濃度為38.7mg/L）進行光催化降解試驗，在反應進行150min時測得氨氮濃度為17.5 mg/L，180min時氨氮濃度為7.2 mg/L（氨氮去除率81%）。可見，《經復合光催化劑負載TiO2/麥飯石處理后的廢水樣品殘余氨氮濃度，能夠達到《污水綜合排放標準》(GB8978—1996)中規定的氨氮一級排放標準為15mg/L，，體現了該最優條件的有效性和可靠性。

4 結語

復合光催化劑負載TiO2/麥飯石用于降解低濃度氨氮，在反應初始階段降解率較高，反應達一定時間后降解趨緩；pH值對降解過程有重要影響：當pH≤7時降解反應幾乎不發生，氨氮主要以NH4+形式存在于水溶液中，pH＞7時，隨著pH值在一定范圍的增大，對氨氮降解率逐漸增加，NH3是此時氨氮的主要存在形式；光催化劑用量存在相對適宜范圍：當催化劑用量低于臨界值，不足以用于降解氨氮，降解不明顯；當催化劑用量高于臨界值，降解率也會下降，這是由于溶液濁度過高導致反應體系的透光率下降，影響光催化反應進行。通過設計正交實驗四因素三水平L9（34），可以確定本研究范圍內最優實驗條件：pH值10、催化劑投加量3g/L、H2O2(30%)投加量2mL、反應時間180min。

[1]K.chiang,R.amal,T.Tran.photocatalytic oxidation of cyanide kinetic and mechanistic studies[J].Jouranl of molecular catalysis A:Chcmical,2003,193:285-297.

[2]葉映雪.人造沸石負載二氧化鈦薄膜光催化降解酸性湖藍A和酸性橙Ⅱ的研究[J].光譜實驗室,2003,20(1):62-66.

[3]王浙臨.化學通報,1988,(9):31-32.