微波協同TiO2/AC光催化降解水中甲基橙的研究

吳曉林　袁東

摘 要：以酞酸丁酯為鈦源，以活性炭（AC） 為載體，采用Sol-Gel法制備TiO2/AC，以甲基橙為模擬污染物，考察了微波功率對反應的影響，研究了吸附動力學和熱力學特征。結果表明，微波功率為300w、輻照時間60min、甲基橙初始濃度為10mg/L，光催化投加量為8g/L時，對甲基橙的吸附率可達98.7%；動力學和熱力學分析表明，TiO2/AC對甲基橙的吸附作用過程符合準一級動力學模型和Langmuir熱力學吸附模型。

關鍵詞：TiO2/AC；微波；光催化；甲基橙

基金項目：四川理工學院研究生創新基金項目（NO.Y2013023）

在全球范圍內，對水質和水生態環境影響最嚴重的是有機污染，主要污染途徑是城市生活污水和工農業有機廢水的排放[1]。傳統的物化及生物處理技術，工藝復雜、成本高，且存在二次污染，難以滿足對其凈化處理的要求[2-3]。近年來，TiO2因帶隙能適中，光催化活性高，對反應物幾乎沒有選擇性，能分解絕大多數有機物，對一些無機物也能進行氧化還原作用，從而成為環境污染治理領域的研究熱點[4-6]。但純TiO2光催化效率低，易凝聚，且微粒細小在水處理中存在難以分離回收等問題，限制了該技術的實際工業應用[7-8]。本文以酞酸丁酯為鈦源，活性炭為載體，采用Sol-Gel法制備TiO2/AC復合型光催化劑，研究了微波協同TiO2/XAC復合光催化劑處理甲基橙廢水的影響因素及機理。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑與儀器

試劑：鈦酸丁酯；冰醋酸；無水乙醇；甲基橙；濃鹽酸；氫氧化鈉；活性炭。

儀器：AR1140型分析天平；AS-7240AT型超聲波清洗儀；DHG-9140B型恒溫鼓風干燥箱；GL-3250C型磁力攪拌器；UWave-1000型微波·紫外·超聲波三位一體合成萃取反應儀；DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；HL-2型恒流泵；752型紫外可見分光光度計。

1.2 TiO2/AC光催化劑的合成

在T=25℃、溶膠體系pH=4，將A液（A液為無水乙醇與去離子水的混合溶液，其中V水=16.2mL，VA無水乙醇=17.5mL，pH2～3）以1滴/s的速度滴加至B液中（B液為活性炭、鈦酸丁酯、冰醋酸、無水乙醇的混合溶液，其中m活性炭=4.8g，V鈦酸丁酯=17mL，V冰醋酸=11.5mL，VB無水乙醇=35mL）滴加完畢后，繼續攪拌至凝膠狀態，靜置老化，干燥，研磨，于馬弗爐中先升溫至200℃恒溫1h除去揮發物，然后升溫至所需溫度鍛燒2.5h于玻璃研缽中研磨后放置干燥器中待用[9]。

1.3 TiO2/AC光催化劑的表征

采用捷克TESCAN公司VEGA 3型掃描電子顯微鏡對光催化劑進行SEM譜圖研究。

1.4 實驗方法

配制一定濃度的甲基橙溶液，調節至實驗所需pH，取250ml微波協同紫外光催化反應裝置中，加入一定量的光催化劑，每隔10min取樣一次，4000r/min離心5min后，用紫外分光光度計在波長為464nm下測定甲基橙溶液的吸光度，計算光催化劑對甲基橙廢水的去除率以及吸附量。

2 結果與討論

2.1掃描電子顯微鏡（SEM）

本文擬采用掃描電鏡對AC與TiO2/AC復合光催化劑進行顯微結構及形態觀察，從而可以直觀看到TiO2在活性炭上的負載情況，SEM譜圖如圖1所示。

由活性炭（AC）的SEM圖可以看出本實驗中采用的活性炭具有豐富的孔隙結構；由TiO2/AC的SEM圖可得，TiO2較好的負載于活性炭表面或孔徑內，而且活性炭的吸附通道也并未堵塞，活性炭仍然可以很好的利用它強大的吸附能力將有機分子吸附到復合光催化劑表面，進行光催化氧化降解。

2.1 不同反應體系對降解過程的影響

為了考察微波協同光催化降解廢水的處理效果，本研究選擇了4 種不同反應體系：（1）微波（MW）體系；（2）催化劑吸附（TiO2/AC）體系；（3）紫外+催化劑（UV+TiO2/AC）體系；（4）微波+紫外+催化劑（UV+MW+TiO2/AC）體系。光催化實驗條件：向微波協同紫外裝置反應器中加入pH為4的廢水250mL10mg/L的甲基橙廢水，光催化劑質量濃度為8.0 g/L，微波功率為300 W，反應最高溫度為100℃。不同反應體系對降解過程的影響如圖2所示。

由圖2可知，反應1h 后。單獨微波作用對甲基橙溶液沒有任何效果，即單純的微波能并不能破壞廢水中的任何有機成分；TiO2/AC體系對甲基橙的吸附率能達到46.8%，并且呈繼續增長的趨勢；UV+MW體系對甲基橙的吸附率能達到86%，并呈繼續緩慢增長的趨勢；MW+UV+ TiO2/AC體系甲基橙的吸附率為97.7%，基本達到平衡。由此說明，微波與光催化之間存在耦合效應，能提高光催化效率。微波促進光催化效率提高的原因可能是微波對催化劑的極化作用提高了光致電子的躍遷幾率，并在催化劑表面形成陷阱中心，降低了電子空穴對的復合率。通過實驗可知，UV+MW+TiO2/AC為最佳反應體系，下述實驗均在該體系中進行。

2.3 微波功率對降解過程的影響

不同微波功率對TiO2/AC光催化劑降解甲基橙的影響如圖3所示。

由圖3可知，光催化劑對甲基橙的降解率隨著微波輻射功率的升高而增高。原因可能是由于隨著微波功率的提高，活性炭表面“熱點”吸收的能量變多，同時可能在一定功率范圍內隨著功率的升高，“熱點”的數量也有增加，因而降解率隨之提高；同時還強化了顆粒活性炭的能量吸收，加大了固液溫差，有利于誘導自由基產生。微波功率達到300w以后，催化劑對甲基橙的降解率基本達到平衡，隨著功率的升高降解率變化不大，300w時甲基橙的降解率能達到98.4%。因此確定本實驗中取微波功率為300w。

2.4 動力學分析

為了研究微波協同紫外下TiO2/AC光催化劑對甲基橙溶液的光催化降解作用，對不同甲基橙初始濃度下TiO2/AC光催化劑降解甲基橙數據進行分析。得到準一級動力學方程相關參數見表1。

從表1中各線性方程和參數可知：在低濃度下，TiO2/AC在微波協同紫外光下對甲基橙的降解較好滿足準一級動力學方程。

2.5 熱力學分析

為更深一步了TiO2/AC微波協同紫外光下對甲基橙的降解作用，并對其進行熱力學分析。采用Langmuir等溫吸附方程及Freundlich等溫吸附方程擬合所得參數見表2。

由表2可知，用Langmuir等溫吸附模型擬合所得的相關系數達到0.9787以上，對微波協同TiO2/AC光催化劑催化降解甲基橙的過程的描述，較Freundlich等溫吸附模型更好。而且，采用Langmuir方程，光催化劑對甲基橙的最大吸附量為3.2982mg/g，表明微波協同TiO2/AC光催化劑對甲基橙有很好的催化降解作用。

3 結論

采用Sol-Gel法制備了負載狀況良好TiO2/AC復合型光催化劑，實驗結果表明：在微波協同作用下，TiO2/AC對甲基橙的降解效果有了明顯的提升，本文的研究為進一步開發一種實用新型的微波協同光催化劑對有機污染物的治理提供一條新途徑奠定了工作基礎。

參考文獻

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作者簡介

吳曉林（1990-），男，漢族，四川犍為，碩士研究生，主要從事環境污染與防治。