負載納米TiO2的彌散光纖降解高濃鹽水中COD的研究

孫凌凌,胡心科,孫雪,馬紅鵬

(陜西省石油化工研究設計院，陜西 西安 710054)

隨著“零排放”技術在化工廢水處理領域的逐步推廣，高濃鹽水中COD的降解問題越發突出。以往采用的方法均不同程度的存在投資過高、受鹽濃度影響或降解率低等問題[1-5]，光催化對COD的降解既不受鹽濃度影響，又可將COD徹底降解成CO2和H2O，不存在二次污染。傳統的固定式光催化反應器存在光利用率和傳質效率低的問題[6-9]，彌散光纖既能負載催化劑又能把光能量傳遞給催化劑粒子，極大程度的提高光催化反應器的處理效率，是理想的光纖反應器素材[10]。

本論文采用溶膠-凝膠法在彌散光纖表面鍍膜，在紫外光照射下，研究負載TiO2薄膜的彌散光纖對高濃鹽水中COD的降解效果及影響因素。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

正硅酸乙酯、鹽酸、鈦酸異丙酯、無水乙醇、乙酰丙酮、硝酸、氨水、氯化鈉均為分析純；高濃鹽水,取自某煤化工企業“零排放”區域的RO2濃水，TDS=30 000 mg/L，COD=500 mg/L。

85-2A磁力加熱攪拌器;FA 2004精密電子天平;PHS-3TCpH計;SX-8-10馬弗爐;HTDC-300浸漬提拉鍍膜機;光催化反應器,自制。

1.2 光纖薄膜制備

為了保護彌散光纖表面硅橡膠包層不被TiO2光催化降解,同時又能增強TiO2膜在光纖表面的附著性，在負載TiO2前先在彌散光纖表面涂覆SiO2膜。

以正硅酸乙酯、水、乙醇和酸性催化劑為原料，制備了SiO2溶膠。以鈦酸異丙酯、乙醇、鈦酸正丁酯、乙酰丙酮、水、濃硝酸和氨水制備銳鈦礦型TiO2溶膠[11-12]。采用浸漬提拉技術在彌散光纖表面負載SiO2和TiO2薄膜，制備負載TiO2薄膜的彌散光纖。

1.3 實驗方法

負載TiO2的單根彌散光纖的光催化降解實驗裝置見圖1。

圖1 光催化實驗裝置

將一根長度為100 cm負載TiO2薄膜的彌散光纖插入一根內徑為4 mm，長度為100 cm，一端封閉的不透光套管中,反應管有效容積為12 mL,彌散光纖的另一端通過光纖連接件及光導與高壓汞燈(λ=365 nm,P=250 W)相連接。

將12 mL COD的初始濃度為200 mg/L,pH值為7.0的實驗用水一次性注入實驗裝置中，將反應器裝置放于恒溫箱中，控制反應溫度(25±1) ℃，高壓汞燈通電后，進行光降解實驗。反應時間24 h，每隔4 h取樣1次，樣品放進4 ℃冰箱中待測分析。采用硝酸銀沉淀氯離子，采用重鉻酸鉀法測定COD濃度。

2 結果與討論

2.1 溫度對光降解的影響

溫度對COD光催化降解的影響見表1。

表1 溫度對COD降解率的影響

由表1可知，隨著反應溫度的增加，COD降解率呈上升趨勢。25 ℃時COD的降解率77%，35 ℃時降解率82%。從降解效果和節約成本綜合考慮，選取反應溫度為25 ℃。

2.2 初始pH值對光降解的影響

反應溫度(25±1) ℃時，溶液初始pH值對COD降解率的影響見表2。

由表2可知，隨著溶液的pH增加，COD的降解率呈現先上升后下降的趨勢，轉折點發生在pH=7.0時。因為pH值影響催化劑表面活化羥基濃度,在強酸性條件下,濃度過高會發生如下反應：

表2 pH值對COD降解率的影響

即自由基·OH因被H+消耗而減少,進而影響降解效果。在堿性條件下,生成的CO2有可能以CO32-的形式殘留在介質中,而CO32-是·OH淬滅劑,使COD降解變得比較緩慢，因此，中性環境最有利于有機物的光解。

2.3 催化劑涂覆次數對光催化降解的影響

COD初始濃度為200 mg/L，反應溫度(25±1) ℃，pH值為7.0時，TiO2鍍膜次數對COD降解效果的影響見表3。

表3 催化劑涂覆次數對COD降解率的影響

由表3可知，隨著涂覆次數的增加，COD的降解率呈現先上升后趨于穩定的規律。涂覆3次，24 h，降解率81%,鍍膜次數為4時，各時間點的降解率與3次基本一致，24 h時降解率為77%。原因分析如下：一是因為開始時光纖表面光催化劑量少，光源得不到充分利用，而隨鍍膜次數的增加，光纖表面TiO2總量增加，反應的活性中心數增多，產生更多的羥基自由基。二是因為隨著鍍膜次數增加，雖然TiO2總量增加了，但過厚的膜層，會對光的照射產生阻礙作用，也會阻礙羥基自由基與水中COD的接觸，影響反應體系對光能的有效利用。

2.4 COD初始濃度對光降解的影響

控制反應溫度(25±1) ℃，pH值7，TiO2涂覆3次時，COD初始濃度對COD的降解效果見表4。

表4 COD初始濃度對COD降解率的影響

由表4可知，隨著COD初始質量濃度的增加，降解率先穩定后不斷降低。當初始濃度從100 mg/L增加到200 mg/L時，COD的降解率變化不明顯，24 h時的降解率分別為79%,81%，可能是因為反應溶液中有機物量相對較少，因此有機物與羥基自由基接觸不夠充分,導致降解率沒有明顯差距。當濃度超過200 mg/L以后，降解率整體呈下降趨勢，且COD初始濃度越高，下降越厲害，原因可能是在光照強度和光纖表面TiO2催化劑總量不變的情況，紫外光照射催化劑產生的羥基自由基的總量基本保持不變，因此，所能降解的有機物的總量也是一定的。經計算，當初始濃度≥200 mg/L時，24 h光催化降解COD的總量分別為0.97,1.042,1.19,1.07 mg。

3 結論

當TiO2薄膜涂覆3次，反應溫度為25 ℃，pH值7.0，高濃鹽水初始COD濃度200 mg/L時,彌散光纖的側面散射紫外光強能夠激發TiO2發生光催化氧化反應，在HRT為24 h時，對高濃鹽水中COD的降解效率可達81%。