無機離子對Fe(III)體系光降解羅丹明B的影響

歐曉霞，張鳳杰，王馭晗，鄧麗君

(大連民族大學 環境與資源學院，遼寧 大連 116605)

無機離子對Fe(III)體系光降解羅丹明B的影響

歐曉霞，張鳳杰，王馭晗，鄧麗君

(大連民族大學 環境與資源學院，遼寧 大連 116605)

Fe(III)；羅丹明B；光降解；陰離子

近年來，隨著印染工業的發展和染料的大量使用(特別是偶氮染料的使用)，印染廢水的處理成為人們關注的焦點。目前對印染廢水的降解方法主要以氧化降解居多，如臭氧氧化[1]、光芬頓氧化法[2]以及光催化氧化法[3]等。但由于印染廢水成分復雜，含有多種無機離子，這些離子在不同的條件下對催化劑造成的影響也不同，有的對反應起促進作用，有的則能夠抑制反應的進行[4]。因此，研究無機離子對光催化印染廢水降解的影響十分必要。

1 材料與方法

1.1 儀器及試劑

UV 2450型紫外-可見分光光度計(日本島津公司)，PHS 25型酸度計(上海精密科學儀器有限公司)，78-1 磁力加熱攪拌器(江蘇金壇市醫療儀器廠)，300 W氙燈(λ>290 nm，北京匯億鑫電光源技術開發有限公司)；羅丹明B、硝酸鐵、鹽酸、氫氧化鈉、1,10-鄰菲啰啉、乙酸銨、冰醋酸、氯化鈣、碳酸氫鈉、水合硫酸錳，均為分析純。實驗中均用超純水(18.2 MΩ·cm)配制溶液和進行反應。

1.2 方法

稱取羅丹明B試劑，配成100 mg·L-1的儲備液，在冰箱中避光保存。取一定體積的羅丹明B溶液，加入不同濃度的Fe3+，用HCl或NaOH調節pH，將反應混合液轉移到氙燈光源下并開始計時，在固定時間取出水樣快速分析。實驗都是在20 ℃且氙燈照射下進行。

羅丹明B(RhB)的去除率：用分光光度計在波長552 nm處測定其吸光度值。根據反應前后樣品吸光度值的變化求得去除率，計算公式為

去除率=(1-At/A0)×100% 。

(1)

式中，A0為反應前吸光度值；At為反應tmin后吸光度值。

Fe(II)濃度的測定：采用鄰菲啰啉法。

Fe(II)濃度標準曲線的繪制：將Fe2+儲備液配制成濃度c分別為0、0.01、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 mmol·L-1的溶液，各取2 mL，分別加入1 mL醋酸-醋酸銨緩沖溶液和0.4 mL鄰菲啰啉溶液，用水稀釋至10 mL，顯色5 min后，在510 nm波長處測定吸光度A，繪制Fe(II)濃度標準曲線。Fe(II)濃度c與吸光度A的關系為

A=2.321 8c-0.009 2。

(2)

其中，R2=0.995 5。用于Fe(II)濃度分析的樣品取樣后立即按照上述方法進行顯色反應，10 min后測定吸光度。

2 結果與討論

2.1 不同濃度的Fe(III)對RhB光降解的影響

控制RhB濃度為10 mg·L-1，溶液的初始pH=3.6，反應時間120 min，不同濃度的Fe(III)對RhB光降解的影響如圖1。

圖1 不同濃度的Fe(III)對羅丹明B光降解的影響

有研究表明，Fe(III)在弱酸性環境中，在紫外光照射下可以發生光降解反應產生羥基自由基(·OH)[5-6]：

Fe(OH)2++ hv → Fe2++ ·OH。

(3)

·OH具有強氧化性，能夠與難降解性有機物發生作用。由圖1可以看出，Fe(III)的初始濃度為0.1、0.2、0.5、1.0 mmol·L-1時，對應的RhB去除率分別為39%、59%、95%、97%。說明隨著Fe(III)濃度的增加，產生的·OH增多，加速了RhB的降解，使得RhB降解率明顯增大。但當Fe(III)濃度從0.5 mmol·L-1增加到1.0 mmol·L-1時，RhB去除率變化不大。

2.2 初始反應pH值對RhB光降解的影響

控制Fe(III)的投加量為0.5 mmol·L-1、RhB濃度為10 mg·L-1、反應時間為120 min，分別考察溶液的初始pH值為2.4、3.3、3.6、4.4和5.4時RhB降解的影響，結果如圖2。

圖2 初始反應pH值對RhB光降解的影響

在pH=3.6時，光催化降解RhB的效果最好，pH值過大或過小都不利于羅丹明B的降解。有報道顯示，pH在3～4的范圍內，Fe(III)主要以Fe(OH)2+型體存在[7]，其羥基型體促進了Fe(III)向Fe(II)的轉化(式3)，同時伴隨著·OH的生成，從而提高了RhB的降解效率。中性和堿性條件下Fe(III)會逐漸轉化為鐵氧化物沉淀，處理效率很低。

2.3 反應溶液的初始濃度對羅丹明B的降解影響

在Fe(III)的初始濃度為0.5 mmol·L-1，pH=3.6，反應時間為105 min時，研究羅丹明B的初始濃度對光降解效率的影響，結果如圖3。

圖3 溶液初始濃度對羅丹明B降解的影響

隨著RhB初始濃度的增加，羅丹明B的降解率逐漸下降。當羅丹明B的初始濃度為5 mg·L-1時，反應60 min的去除率達到91%，而反應105 min時去除率幾乎達到100%；當羅丹明B的初始濃度增加至10、15、20 mg·L-1時，反應105 min的去除率分別為91%、81%和65%。原因是RhB的初始濃度較低時，Fe(III)在弱酸性環境中，在光的照射下產生的·OH足以把RhB完全氧化降解，因而其降解率較快且較大。而隨著RhB初始濃度的增加，溶液的透光性逐漸下降，影響Fe(OH)2+對光的吸收，因而產生的·OH濃度較低，影響了RhB的降解。

2.4 無機陰離子的存在對RhB降解的影響

2.4.1 Cl-的加入

在RhB的濃度為10 mg·L-1、Fe(III)的濃度為0.5 mmol·L-1、pH=3.6、反應時間為120 min的條件下，分別加入0、0.5、1.0、2.0、5.0 mmol·L-1的Cl-后，反應120 min，RhB的去除率和生成Fe(II)濃度隨Cl-濃度的變化而變化的情況如圖4。

圖4 加入Cl-對RhB降解的影響

隨著Cl-濃度的增加，RhB的去除率和Fe(II)的濃度不斷的下降。Cl-抑制RhB降解的原因可能有兩點：一是，Cl-可以和·OH反應[8]:

Cl-+h+→ Cl·+H+；

(4)

(5)

形成與RhB競爭·OH的局面，因此，Cl-的存在降低了RhB的去除率。二是，Cl-可以與Fe(III)發生反應，生成一系列絡合物[9]，使Fe(III)難以被光還原成Fe(II)，從而反應在相同的時間內，Fe(II)的生成濃度也不斷的降低(圖4b)，·OH的生成量少了，也就降低羅丹明的去除率。

2.4.2 HCO-3的加入

圖5 加入對RhB降解的影響

(6)

2.4.3 SO2-4的加入

不同濃度的MnSO4對RhB降解的影響如圖6。

圖6 加入對RhB降解的影響

(7)

形成與RhB競爭·OH的局面，從而降低了RhB的去除率。

3 結 論

(1) Fe(III)光照體系中，羅丹明B發生光降解主要是由·OH引發的。

(2)本實驗條件下的Fe(III)光照體系中，Fe(III)的初始濃度為0.5 mmol·L-1，溶液的pH=3.6，羅丹明B的初始濃度為5 mg·L-1時，反應60 min的去除率達到91%，反應105 min時去除率幾乎達到100%。

[1] 陳彥,吳純德,李商國,等. 水力空氣強化臭氧降解羅丹明B的初步研究[J]. 水處理技術，2008，34(6)：12-15.

[2]黃應平,劉德富,張水英,等.可見光/Fenton光催化降解有機染料[J].高等學校化學學報,2005,26(12):2273-2278.

[3]安惠中,王聰,王天民,等. M(M=Mg, Ca, Sr, Ba, Ni)Nb2O6的光催化性能的研究[J].無機材料學報2007,22(5):922-926.

[4]李薇,王怡中.無機離子對光催化處理過程影響的研究進展[J].環境污染治理技術與設備,2004,5(3):15-22.

[5]黃永建,王成善.古海洋活性鐵循環研究進展及對白堊紀缺氧-富氧沉積轉變的啟示[J].地學前沿,2009,16(5): 172-179.

[6]POYATOS J M, ALMECIJA M C, TORRES J C, et al. Advanced oxygen processes for wastewater treatment: state of the art [J]. Water, Air, and Soil Pollution. 2010,205(4):187-204.

[7]XU J，MAI Z，DING W，et al．A multifactorial study on photodegradation of sulfamethoxazole in water induced by Fe(III)-oxalate complexes[J]．Research Journal of Chemistry and Environment，2013，17 (12) : 1-8．

[8]MALIK P K, SAHA S K. Oxidation of direct dyes with hydrogen peroxide using ferrous ion as catalyst[J]. Separation and Purification Technology, 2003, 31(3): 241- 250.

[9]雅齊米爾斯基. 絡合物的不穩定常數[M]. 王夔, 吳炳輔, 譯. 北京: 科學出版社, 1960.

[10]白圖雅.無機離子對光催化降解有機染料的影響研究[D]. 呼和浩特:內蒙古大學,2007.

[11]唐玉朝,胡春,王怡中.無機離子對TiO2/SiO2光催化降解酸性紅B活性的影響[J].環境化學,2002,21(4):376-379.

[12]李亞峰,朱愛霞,龐晶晶,等.無機離子對Fenton試劑處理苯酚廢水效果影響的研究[J].沈陽建筑大學學報,2006,22(4):604-608.

[13]趙天亮,吳文衛,游俏,等. 磺胺甲惡唑光降解影響因素研究[J]. 環境科學導刊2016,35 (6) :78-83.

[14]高乃云,祝淑敏,馬艷,等. 2,4,6-三氯酚的UV/H2O2光化學降解[J].中南大學學報(自然科學版) , 2013, 44(3): 1262-1268.

(責任編輯 趙環宇)

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《大連民族大學學報》編輯部

Effects of Anions on the Rhodamine B Photodegradation in Aqueous Solution Containing Fe(III)

OU Xiao-xia，ZHANG Feng-jie，WANG Yu-han，DENG Li-jun

(School of Environment and Resources, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning116605, China)

Fe(III); rhodamine B; photodegradation; anions

2017-03-27；最后

2017-04-20

國家自然科學基金項目(21477017)；中央高校自主科研基金資助項目(DC201502070202)。

歐曉霞(1980- )，女，山東平度人，副教授，博士，主要從事環境光化學和環境污染控制研究。

2096-1383(2017)03-0207-05

X703

A