光催化降解染料廢水研究

屠灝然

摘 要：本試驗是使用甲基橙溶液模擬染料廢水為研究對象，對甲基橙溶液的初始濃度，pH值，H2O2，紫外線光照以及照射時間等因素對甲基橙光催化降解率的影響分別進行了研究。通過試驗結果表明，紫外線光照對于甲基橙的氧化降解起到關鍵作用。紫外線光照條件下甲基橙溶液氧化降解速率明顯大于未受到光照的溶液。隨著甲基橙溶液濃度的增加，催化劑濃度不變，氧化降解效率明顯降低;本實驗條件下，pH值對于甲基橙降解率的影響較小;隨著催化劑濃度的增加，甲基橙溶液濃度不變，甲基橙氧化降解率增大。

關鍵詞：印染廢水;甲基橙;光催化;H2O2

中圖分類號：X788 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）04-0006-03

0 引言

伴隨著我國經濟建設的高速發展，生產制造業所產生的工業廢水量逐年遞增，由此造成的水環境污染問題日趨突出。2002年國家環保總局公布的數字表明，地表水流經城市的河段污染較重，城市居民日常生活排放的污水含有大量的有機物質，尤其是有的工業廢水還含有有毒有害的人工合成有機物。目前，我國的紡織印染業產能已達到1.0×106t/a，約占據全球總量的65%，其產生的染料廢水卻造成我國水環境污染最主要的元兇之一。染料廢水成分復雜、色度深、水質變化大、可生化性差等特點成為較難處理的污廢水之一。因此高效經濟的處理印染廢水不僅對印染行業，對大家的生活環境，乃至對全國的可持續發展都有深遠的影響。[1]

高級氧化法是一種用羥基自由基作為主要氧化劑的降解方法，其中光催化方法相比其他方法具有諸多優點，在染料廢水處理領域中廣泛使用可以有效提高處理效率和降低處理成本。

在以往的處理過程中，僅使用化學試劑或者紫外燈照射來降解染料廢水，往往不能達到所需的效果。然而，此實驗將兩者結合同時使用，氧化劑在紫外光的輻射下，就會產生高活性和高氧化性的自由基（如·OH），通過這種光化學氧化法的運用，來彌補僅使用單一氧化還原技術的不足之處，從而大大提高染料廢水的降解效率。

UV/H2O2法對染料廢水的降解主要是利用H2O2分解產生的·OH。其反應過程如下：

在此過程中所產生的羥基自由基擁有很高的氧化性和活性，可以通過電子轉移、親電加成或者脫氫等方式，來和染料中的有機分子相互作用，使之降解成為水和二氧化碳。

本次實驗選用甲基橙（Methyl orange）作為目標物，考察不同影響因素對染料廢水降解效果的影響，優化降解模擬染料廢水的方法。

1 實驗

1.1 實驗儀器與試劑

儀器：紫外-可見分光光度計（Sh-imadzu Corporation，Japan）、光催化系統（自制）、燒杯、pH計（METTLER TOLEDO）、移液槍（eppendorf）、石英比色皿（光亮高科）、洗瓶、容量瓶、紫外燈管（功率：23W/0.4A）。

試劑：NaOH（SCR滬試 ）、30%過氧化氫（SCR滬試）、甲基橙（aladdin）、濃鹽酸、超純水。

1.2 實驗步驟及方法

1.2.1 甲基橙染料廢水標準曲線的繪制

（1）pH<3.1時，甲基橙呈現酸性分子形式，最大吸收波長約為506nm;

（2）pH>4.4時，甲基橙以鹽的形式存在，最大吸收波長約為464nm。

普遍情況下，印染廢水的pH值都會大于4.4，因此，做出此條件下甲基橙收標準曲線。

首先配制不同濃度的甲基橙溶液，該溶液濃度C分別為0，2，4，6，8，10mg/L。在464nm的波長下，用分光光度計測定不同濃度C的甲基橙溶液的吸光度A，做出A-C標準曲線。

1.2.2 光催化實驗裝置搭建及甲基橙光催化降解實驗

（1）將配置的不同濃度的甲基橙溶液加入到500mL燒杯中，以模擬染料廢水，并通過向溶液中添加濃鹽酸和氫氧化鈉的方式來調節染料溶液的酸堿度;

（2）用紫外燈管照射;最后，在染料廢水中加入H2O2，采用紫外-可見分光光度計測定不同反應時間條件下染料的吸光度。通過紫外-可見光譜測試光催化氧化前后染料溶液的樣品，并對結果進行比較和分析。

通過測定紫外線光照射前后溶液的吸光度值，根據甲基橙溶液的標準曲線，得到反應前后甲基橙溶液的濃度，通過下列公式計算甲基橙溶液的降解率R：

其中：C0為紫外線光照前甲基橙溶液的濃度，Ct為光照后甲基橙溶液的濃度。

分別研究不同因素對甲基橙光催化降解速率的影響，主要包括pH，H2O2的初始濃度、染料的濃度以及紫外線光照時間。

2 研究結果

2.1 不同催化體系的效果對比

隨著甲基橙濃度的增高，溶液的吸光度逐漸升高。

2.2 光照對甲基橙氧化降解的影響

相同濃度，pH條件下，約40min左右，受光照的甲基橙基本降解完畢，而未受光照的甲基橙降解率幾乎為0。由此可見，光照對于甲基橙降解起到關鍵作用，紫外光照的甲基橙降解率顯著高于未光照的甲基橙降解率。

2.3 光照時間對甲基橙氧化降解的影響

20ppm甲基橙講解研究表明50min內，甲基橙降解率迅速增加;在50-80min內，甲基橙降解率增速比之前慢;80min時，甲基橙基本降解完成，降解率100%。

2.4 甲基橙初始濃度對降解效果的影響

在15min左右，5ppm的甲基橙已經全部降解完成;在30min左右，10ppm的甲基橙已全部降解完成;在30min時，20ppm的甲基橙降解率為64.31%;在30min時，30ppm的甲基橙降解率為23.58%。隨著甲基橙溶液濃度的升高，降解速率逐漸減緩，降解率降低。

2.5 pH對降解的影響

pH=3時，峰值取值在波長為506nm時，因為在pH<3.1時，甲基橙的存在形式為酸性分子;pH=5.95時，峰值取值在波長為464 nm時，因為在pH>4.4時，甲基橙的存在形式為鹽。

pH=3和pH=5.95的10ppm甲基橙溶液在0-15min內降解率基本相似，而在15-20min時，pH=3的10ppm甲基橙溶液降解率明顯小于pH=5.95的10ppm甲基橙溶液降解率;在20-30min時，pH=3的10ppm甲基橙溶液降解率明顯大于pH=5.95的10ppm甲基橙溶液降解率;30min左右時，pH=3和pH=5.95的10ppm甲基橙溶液基本降解完成。

在pH=3時甲基橙溶液吸光度明顯高于pH=5.95的甲基橙溶液吸光度。

2.6 H2O2的用量對甲基橙氧化降解的影響

若不加催化劑，約130min時500mL30ppm的甲基橙氧化降解完畢;如果加入25μL的催化劑，約70min時500mL 30ppm的甲基橙氧化降解完畢;如果加入50μL的催化劑，約45min時500mL30ppm的甲基橙氧化降解完畢。甲基橙的氧化降解速率隨著催化劑的濃度升高，而呈增大趨勢。

3 結語

甲基橙溶液在不同實驗條件下的氧化降解過程中，液濃度越高，吸光度也會逐漸變大，由A—C曲線可以得出相應的溶液濃度C，通過本實驗主要得到以下結論：

（1）在相同條件下，甲基橙濃度越高，其氧化降解率越低;（2）在相同條件下，光照可使甲基橙溶液的降解率明顯增大;（3）在相同條件下，pH=5.95的甲基橙溶液的降解率呈先快后慢的趨勢，pH=3的甲基橙溶液降解率呈穩步上升趨勢，變化相對平緩，但不同pH值的甲基橙溶液的降解時間基本相同;（4）相同條件下，催化劑濃度越高，甲基橙溶液的降解速率越大。

參考文獻

[1] 李蕓.UV-fenton/納米TiO2催化氧化法處理印染廢水的研究[D].武漢理工大學，2010.