微波法制備銀鎂共摻氧化鋅復合光催化劑及其光催化性能研究

2020-06-09 13:26:10張金生李麗華

石油煉制與化工 2020年6期

孫博，吳限，張金生，李麗華

(遼寧石油化工大學化學化工與環境學部，遼寧撫順 113001)

工業生產過程中產生的各類廢水(制藥廢水、印染廢水、含油污水、農藥廢水等)對全球環境及人體健康造成了重大危害。在各類廢水中，含油污水是最難降解的一類。在石油開采及后續加工過程中，會產生大量含油污水，此類污水中包含石油、泥沙、碎屑、藥劑、重金屬等有毒有害物質[1]。為了處理這些污水，科研工作者采取了很多辦法：例如吸附、膜過濾、反滲透等物理方法；臭氧氧化、Fenton類氧化、光催化氧化等化學氧化法以及生物降解法等[2]。其中，應用較為廣泛的是光催化氧化法，該法具有快速、高效、價廉、無二次污染物等突出優勢。氧化鋅(ZnO)是最常用的半導體光催化劑，不過單獨使用ZnO時其對太陽能的利用率并不高，光生電子和空穴容易復合進而抑制光催化活性。通過金屬摻雜可以改善此類情況[3]。Anindita等[4]以Zn(CH3COO)2，Mg(CH3COO)2，NaOH為原料，采用化學沉淀法合成了一系列鎂含量梯度的鎂鋅復合物，通過鎂的摻雜，改善ZnO的理化性質，使ZnO表面產生更多的晶格缺陷，延緩光生電子和空穴的復合；并以氙燈為光源、亞甲基藍為降解物，探究合成鎂鋅復合物的光催化活性。enay等[5]采用水熱法分別合成了4種以ZnO為基體摻雜不同金屬(Ag，Ni，Fe，Mn)的光催化劑，通過在紫外燈光源下降解檸檬黃，探究ZnO與不同金屬之間的拮抗/協同作用。試驗結果表明金屬Ni、Ag的摻雜可以有效改善ZnO的催化活性，Fe、Mn的摻雜會抑制ZnO的活性。除了單獨摻雜金屬外，同時向ZnO中共摻兩種金屬，如In和Mg共摻ZnO[6]、Ni和Co共摻ZnO[7]、Y和V共摻ZnO[8]等，也可取得較高的光催化活性。綜上所述，Ag、Mg均可提高ZnO的光催化活性。本研究采用環形聚焦單模微波輔助法(簡稱微波法)合成銀鎂共摻ZnO納米復合光催化劑，并與傳統加熱法進行對比，探究該催化劑對羅丹明B的降解效果、催化機制和化學穩定性，并將其應用于降解含油污水。

1 實驗

1.1 原料及試劑

七水合硫酸鎂(MgSO4·7H2O)、七水合硫酸鋅(ZnSO4·7H2O)、羅丹明B，均為分析純，購于天津光復試劑有限公司；硫酸銀(Ag2SO4)，分析純，購于國藥集團；碳酸鈉(Na2CO3)、無水乙醇，均為分析純，購于沈陽試劑二廠；商用二氧化鈦(P25)，購于德固賽公司。

采用索氏抽提法分離含油污泥中的油，得到標準油。以石油醚作溶劑、標準油作溶質,以最大吸光度(410 nm)繪制標準油的工作曲線。該工作曲線在標準油質量濃度為50～500 mg/L時線性關系良好。

含油污水為中國石油遼河油田分公司油泥處理廠排出的含油污水，其中含有部分標準油，光催化降解含油污水主要是降解其中的標準油。

1.2 催化劑的制備

微波法：稱取5 g七水合硫酸鋅、1 g硫酸銀和0.5 g七水合硫酸鎂，將三者共同溶于50 mL水中。采用共沉淀法，以飽和碳酸鈉溶液為沉淀劑，在80 ℃下向3種硫酸鹽混合水溶液中緩慢滴加飽和碳酸鈉溶液，邊滴邊攪拌，調節pH至8。之后將混合液轉移至微波合成系統(美國CEM 公司生產，型號為Discover SP)中，微波溫度為85 ℃，加熱時間為15 min，反應功率為60 W。待反應完成后室溫陳化1 h，抽濾、洗滌直至完全除去硫酸根離子。將固體產物在100 ℃下干燥2 h，并于馬弗爐中在500 ℃下煅燒2 h，即得微波法銀鎂共摻ZnO復合光催化劑，記為AgMgZn(MW)。

傳統加熱法：取相同質量的上述反應物制備混合液，操作步驟同微波法。將混合液置于常規水浴加熱鍋中，在85 ℃下持續加熱2 h。待反應完成后室溫陳化1 h，抽濾、洗滌直至完全除去硫酸根離子。將固體產物于100 ℃下干燥2 h，并于馬弗爐中在500 ℃下煅燒2 h，即得傳統加熱法銀鎂鋅納米復合光催化劑，記為AgMgZn。

1.3 催化劑表征

采用德國布魯克公司生產的D8 DAVINCI型X射線衍射儀(XRD)對催化劑進行結構表征。采用日本日立公司生產的SU8010掃描電子顯微鏡(SEM)對催化劑進行形貌表征。

1.4 光催化試驗

羅丹明B的降解試驗：取3組相同的100 mL 質量濃度為10 mg/L的羅丹明B溶液，向其中2組分別加入適量AgMgZn(MW)和AgMgZn，第3組作為空白對照組，不加任何光催化劑。使用15 W紫外燈(波長為254 nm)作為光源。為了避免反應液污染紫外燈，試驗中將紫外光源放置在反應液正上方，距離反應液15 cm。每間隔10 min對羅丹明B溶液取樣。樣品經離心處理后稱取上層清液測定吸光度。

含油污水的降解試驗：向一定體積的質量濃度為150 mg/L的含油污水中分別添加質量濃度為1.0 g/L的AgMgZn(MW)和商用P25，使用15 W紫外燈作為光源，每間隔1 h對含油污水取樣，樣品經離心處理后取上層清液測定吸光度。

降解率(R)反映復合光催化劑的光催化性能，采用以下公式計算：R=(A0-At)A0，其中，A0是反應液的初始吸光度，At是反應時間為t時反應液的吸光度。

AgMgZn(MW)穩定性試驗：以100 mL質量濃度為10 mgL的羅丹明B作為模擬降解物，向其中添加質量濃度為0.4 gL的AgMgZn(MW)，在15 W紫外燈光源作用下進行光催化反應，反應時間為50 min，反應完成后，將AgMgZn(MW)過濾、洗滌、烘干后重復進行降解試驗。

2 結果與討論

2.1 AgMgZn(MW)的表征

2.1.1 XRD表征圖1為AgMgZn(MW)的XRD圖譜。2θ為31.7°，34.4°，36.2°，47.5°，56.5°，62.8°處分別對應六方纖鋅礦的(100)，(002)，(101)，(102)，(110)，(103)晶面。2θ為38.1°，44.3°，64.4°處是面心立方相銀的特征衍射峰[9]。由圖1可以看出，AgMgZn(MW)的XRD譜圖中沒有出現鎂的衍射峰，可能的原因是鎂的摻雜量過少[10-11]。

圖1 AgMgZn(MW)的XRD圖譜

2.1.2 SEM表征圖2為AgMgZn(MW)的SEM照片。由圖2可以看出，AgMgZn(MW)為長度50～80 nm、寬度5～20 nm的棒狀物體，為納米級顆粒，顆粒之間有團聚現象。

圖2 AgMgZn(MW)的SEM照片

2.2 光催化降解羅丹明B

在向羅丹明B溶液中分別添加AgMgZn(MW)和AgMgZn與不添加光催化劑的條件下，考察羅丹明B的降解效果，結果見圖3。從圖3可以看出：在不添加光催化劑的情況下，羅丹明B在15 W紫外燈輻射下自身降解緩慢，輻射50 min后，羅丹明B的降解率可以達到50%；當添加光催化劑后，降解效果顯著提高，反應50 min后，降解率均在90% 以上；AgMgZn(MW)和AgMgZn對羅丹明B的降解效果接近，AgMgZn的制備過程中需要加熱2 h，而微波法僅需加熱15 min就可以得到具有相同反應活性的AgMgZn(MW)，說明微波法可以大大縮短反應時間，具有綠色節能高效的優勢。

圖3 添加光催化劑與不添加光催化劑條件下羅丹明B的降解效果對比■—AgMgZn(MW)； ●—AgMgZn； ▲—不添加光催化劑

2.3 AgMgZn(MW)穩定性試驗

圖4 AgMgZn(MW)穩定性試驗結果

AgMgZn(MW)穩定性試驗結果見圖4。由圖4可以看出：采用AgMgZn(MW)進行第1次降解試驗時，羅丹明B的降解率可以達到97%左右。經過4次降解試驗后，羅丹明B的降解率依然維持在92%以上。考慮到光催化劑在回收利用過程中的少量損失，可以確定AgMgZn(MW)具有良好的化學穩定性，有很高的實用價值。

2.4 光催化反應機理分析

在紫外光照射下，光催化劑表面上會產生光生電子和空穴，二者分別和氧氣以及水反應后，會生成超氧自由基和羥基自由基。這兩種自由基都有很強的活性，可以與染料作用將其完全分解礦化。為了確定起主要作用的活性基團，選取分別可以捕獲電子、羥基自由基、空穴[12-13]的3種自由基捕獲劑KBrO3,IPA,EDTA-2Na，分別考察這3種自由基捕獲劑的加入對羅丹明B降解率的影響，結果見圖5。由圖5可以看出，KBrO3的加入對羅丹明B的降解率沒有影響，EDTA-2Na和IPA的加入會不同程度地降低羅丹明B的降解率，抑制光催化效果，這表明在光催化降解羅丹明B的過程中起作用的是空穴。

圖5 自由基捕獲劑的加入對羅丹明B降解率的影響

2.5 光催化降解含油污水

圖6 不同反應時間下AgMgZn(MW)光催化降解含油污水的吸光度曲線反應時間，h： —0； —1； —2； —3； —4； —5

將AgMgZn(MW)用于降解油泥處理工廠排出的含油污水，在不同反應時間下的吸光度曲線見圖6。由圖6可以看出，隨著反應時間的延長，含油污水的吸光度不斷下降，說明AgMgZn(MW)對含油污水具有非常好的降解效果；反應4 h和反應5 h時，含油污水的吸光度曲線基本重合，說明反應進行到4 h時光催化反應趨于平穩，含油污水中的標準油基本降解完全。

AgMgZn(MW)和商用P25對含油污水的降解率的對比見圖7。由圖7可以看出：在不添加光催化劑的情況下，含油污水在15 W紫外燈照射下僅有少部分降解；在添加光催化劑的情況下，降解速率顯著提升；光催化反應5 h時，AgMgZn(MW)對含油污水的降解率可達93.35%，商用P25對含油污水的降解率可達83.23%。由此可見，AgMgZn(MW)對含油污水的降解效果優于商用P25，這可能是由于銀鎂的摻雜增加了復合光催化劑的活性位點，降低了光生電子-空穴對的復合速率，因此復合光催化劑的催化效果得到提升。