紫外可見上轉(zhuǎn)換劑TiO2復(fù)合光催化劑在海洋石油污染處理中的應(yīng)用

劉振興

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300)

前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求量也在不斷增加，以致石油開采與利用成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的根本標(biāo)志。但在石油開采過程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生泄漏問題，以致污染了水生生物，對(duì)人類的健康造成了危害。水域中原油毒性雖然小于精制品毒性，但應(yīng)將對(duì)人體有害的石油氣濃度控制于500mg/L以下。同時(shí)，石油產(chǎn)品具備較大毒性，其中的多環(huán)芳烴便不易降解，長(zhǎng)期會(huì)使人體產(chǎn)生致癌的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)此，為了更好的保護(hù)海洋與水資源生態(tài)系統(tǒng)，應(yīng)杜絕石油污染問題，做好污染水域的治理工作。

物理修復(fù)法、化學(xué)修復(fù)法、自然修復(fù)法、生物修復(fù)法以及燃燒法等均屬于海洋石油污染處理方法，且隨著納米技術(shù)以及光催化技術(shù)在環(huán)境保護(hù)方面的不斷應(yīng)用，在一定條件下，可以通過光催化作用將石油降解為水與二氧化碳，不會(huì)產(chǎn)生二次污染。上轉(zhuǎn)換現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)于上個(gè)世紀(jì)40年代，此種上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料也開始得到了深入研究，其中Auzal等人有效分析了上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的發(fā)光原理與機(jī)制，為了使上轉(zhuǎn)換發(fā)光功能產(chǎn)生亞穩(wěn)激發(fā)態(tài)，其應(yīng)在材料中添加稀土離子。近年，我國(guó)相關(guān)學(xué)者也開始研究紫外光上轉(zhuǎn)換材料，且在降解海產(chǎn)品毒性方面的研究獲得了顯著效果。在本次研究中，紫外可見上轉(zhuǎn)換復(fù)合催化劑TiO2可以吸收邊紅移，從而最大程度的利用太陽可見光。為了更好的解決石油污染問題，應(yīng)使用環(huán)保型的納米上轉(zhuǎn)換材料，且期間使用光催化降解技術(shù)。除此之外，本次研究還進(jìn)行了正交試驗(yàn)，研究了紫外可見上轉(zhuǎn)換劑Tio2復(fù)合光催化劑在處理石油污染問題時(shí)的具體作用，確定了具體的降解條件。

1 材料與方法

1.1 材料

研究中主要使用碳酸鈣、檸檬酸、硝酸、無水乙醇、氟化銨、四氯化鈦以及正己烷等試劑，使用紫外燈、可見光燈、掃描電子顯微鏡、馬福爐、752型紫外分光光度計(jì)等。

1.2 光催化劑制備

在制備光催化劑時(shí)主要是用模擬石油污染海水配置、燃燒法以及溶膠-凝膠法，本次研究使用石油污染海水配置法，在風(fēng)化后的石油中加入了適量的海水，完成了海水配置，且配置后，石油的濃度為為100mg/L，之后在測(cè)量石油烴含量時(shí)采用了紫外分光光度方法。

1.3 油降解率公式

1.4 試驗(yàn)方法

在250ml燒杯中倒入一定濃度的50毫升石油污染海水，并利用鹽酸調(diào)節(jié)海水的pH值，之后加入一定量的自制納米TiO2復(fù)合光催化劑，利用可見光照射兩個(gè)小時(shí)，反應(yīng)后利用分光光度計(jì)測(cè)量剩余石油量，并根據(jù)公式計(jì)算催化降解效率。

2 結(jié)果

2.1 紫外可見上轉(zhuǎn)換劑TiO2復(fù)合光催化劑的表征

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻雜比為15%時(shí)，上轉(zhuǎn)換材料微粒類似于球形，具備滿意的分散性與均勻性，這表明光催化作用得到了持續(xù)加強(qiáng)，且催化劑的量子效應(yīng)得到了有效強(qiáng)化。

2.2 光催化氧化石油反應(yīng)中催化劑添加量影響

在6個(gè)250ml燒杯中倒入50毫升濃度為0.2g/L的模擬石油污染海水中，將廢水的酸堿性調(diào)節(jié)為中性，并分別添加不同量的 TiO2復(fù)合光催化劑，并在光照2小時(shí)后測(cè)量石油的剩余量，計(jì)算石油去除率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)催化劑過多或過少時(shí)均不利于去除效果，為了達(dá)到最佳的去除效果，應(yīng)將催化劑的添加量控制在40毫克。

2.3 光催化氧化石油反應(yīng)對(duì)石油初始濃度的影響

調(diào)整污染海水中石油的初始濃度，將廢水調(diào)節(jié)為中性，并利用可見光照射2小時(shí)，之后添加40毫克的上轉(zhuǎn)換劑TiO2復(fù)合光催化劑，反應(yīng)后檢測(cè)石油剩余量，計(jì)算石油去除率。結(jié)果表明，當(dāng)石油量過高或過低時(shí)，石油去除率都不高。為了得到最佳的石油去除率，工作人員應(yīng)根據(jù)海水石油的具體污染程度確定實(shí)際添加量，在本次試驗(yàn)中，石油初始濃度被設(shè)定為0.1-0.3g/L。

2.4 催化劑摻雜比的影響

工作人員將濃度為0.2g/L，體積為50毫升的模擬石油污染海水添加至6個(gè)250毫升的燒杯中，并將廢水調(diào)節(jié)為中性，分別添加摻雜比不同的 TiO2復(fù)合光催化劑，利用可見光照射7小時(shí)。結(jié)果表明，當(dāng)摻雜比為15%時(shí)，石油的去除率最高。

2.5 上轉(zhuǎn)換催化降解條件的正交試驗(yàn)

為了有效確定上轉(zhuǎn)換材料對(duì)石油污染海水的具體催化條件，工作人員應(yīng)通過正交試驗(yàn)，分析TiO2復(fù)合光催化劑添加量、石油初始濃度、溶液pH值以及催化劑摻雜比等因素之間的交互影響。結(jié)果表明，在各種影響要素中，石油初始濃度最為影響上轉(zhuǎn)換材料催化降解石油，其次是催化劑的實(shí)際添加量，最后為石油污染海水的pH值。本次試驗(yàn)過程中，石油初始濃度被設(shè)定為0.1g/L，摻雜比為15%，催化劑添加量為40毫克，溶液pH值為7，光照時(shí)間為2.5小時(shí)，石油具備最好的處理效果。

結(jié)束語

本次研究在制備紫外可見上轉(zhuǎn)換劑TiO2復(fù)合光催化劑時(shí)主要采用了溶膠法，結(jié)合使用了水熱技術(shù)與溶膠-凝膠技術(shù)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，在降解海水石油污染方面，上轉(zhuǎn)換劑TiO2復(fù)合光催化劑具備良好的效果。且石油污染最佳處理?xiàng)l件為，石油初始濃度為0.1g/L，催化劑添加量為40毫克，溶液pH值為7，催化劑摻雜比為15%，光照時(shí)間為2.5小時(shí)。在上述條件下，石油污染海水的去除率達(dá)到了88.46%。