納米二氧化鈦光催化降解苯酚的實(shí)驗(yàn)研究及動(dòng)力學(xué)分析

1、2005,No.12化學(xué)與生物工程Chemistry &Bioengineering46基金項(xiàng)目:安徽理工大學(xué)碩博基金,安徽理工大學(xué)青年基金收稿日期:2005-08-03作者簡(jiǎn)介:王君(1971-,男,安徽金寨人,講師,在讀博士,研究方向:環(huán)境工程。納米二氧化鈦光催化降解苯酚的實(shí)驗(yàn)研究及動(dòng)力學(xué)分析王君(安徽理工大學(xué)化工系,安徽淮南232001摘要:以銳鈦礦二氧化鈦為光催化劑,研究了不同苯酚起始濃度的水溶液在290nm 紫外光輻照下降解苯酚的效果及動(dòng)力學(xué)方程。結(jié)果表明:苯酚起始濃度在2080mg L -1之間均具有較好的降解效果,降解符合一級(jí)反應(yīng)規(guī)律,速率常數(shù)隨苯酚起始濃度的增大而減小。

2、關(guān)鍵詞:二氧化鈦;光催化;苯酚中圖分類號(hào):O 6251312文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-5425(200512-0046-02多相半導(dǎo)體光催化因其能夠完全破壞污染空氣和廢水中的各種有機(jī)物和無機(jī)物而成為引人注目和可能廣泛應(yīng)用的新技術(shù)。它不僅具有生物降解所不可比擬的速度快、無選擇性、降解完全等優(yōu)點(diǎn),又在價(jià)廉、無毒、可以長(zhǎng)期使用等方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的化學(xué)氧化方法,因而倍受人們的關(guān)注13。以半導(dǎo)體氧化物為催化劑的多相光催化過程以其可在室溫下進(jìn)行、可直接利用太陽光、可將幾乎全部有機(jī)污染物礦化、并且不產(chǎn)生二次污染等獨(dú)特性能而成為一種理想的環(huán)境污染治理技術(shù)。用于光催化氧化的半導(dǎo)體催化劑較多,如:TiO

3、 2、ZnO 、Fe 2O 3、CdS 、ZnS 等,其中TiO 2因氧化能力強(qiáng)、催化活性高和生物、化學(xué)、光化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì),一直處于光催化研究的核心地位47。作者以納米二氧化鈦為光催化劑,研究其在290nm 光化學(xué)燈的照射下光催化降解苯酚的效果及動(dòng)力學(xué)規(guī)律。1實(shí)驗(yàn)111儀器及藥品722型光柵分光光度計(jì),7923型磁力恒溫?cái)嚢杵?YX J 21型低速離心沉淀機(jī),DB 22型電熱板,紫外燈(290nm 等。銳鈦礦納米TiO 2,江蘇泰興納米材料有限公司;苯酚,分析純,宜興市第二化學(xué)試劑廠;重鉻酸鉀,分析純;鄰苯二酸氫鉀,優(yōu)級(jí)純;硫酸,分析純。112方案設(shè)計(jì)配制起始濃度分別為20mg L -1、

4、30mg L -1、40mg L -1、60mg L -1、80mg L -1的苯酚水溶液250mL 置于500mL 燒杯中,同時(shí)加入011g 納米二氧化鈦,磁力攪拌,光化學(xué)燈從上方輻照。每隔20min 取樣10mL 離心分離,取上清液測(cè)定其COD 濃度。測(cè)定COD 采用分光光度法810。2結(jié)果與分析不同起始濃度的苯酚水溶液在不同光解時(shí)間的COD 濃度如表1所示。表1不同起始濃度的苯酚水溶液在不同光解時(shí)間的COD 濃度/mg L -1T ab.1COD concentration of phenol w ater solution withdifferent initial phenol co

5、ncentration at various photocatalytic degrad ation time/mg L -1時(shí)間/min起始濃度c 0/mg L -120304060800481127019896113140150203162203517053140731401081851601304026148401165519784134126120601916430110421726513599134801510022172301775016378122由表1可見在所研究的苯酚起始濃度范圍內(nèi),隨著反應(yīng)的進(jìn)行,水溶液的COD 濃度均不斷下降,可見納米二氧化鈦光催化降解效果很好。80min

6、 以后停止實(shí)驗(yàn),一是考慮到若繼續(xù)實(shí)驗(yàn),則取樣消耗過多,可能對(duì)反應(yīng)體系造成較大影響,二是考慮到研究起始反應(yīng)王君:納米二氧化鈦光催化降解苯酚的實(shí)驗(yàn)研究及動(dòng)力學(xué)分析/2005年第12期47動(dòng)力學(xué)5組數(shù)據(jù)已足夠。假設(shè)光催化降解反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng),則以ln (c 0/c 對(duì)時(shí)間作圖應(yīng)為一條直線,斜率為反應(yīng)速率常數(shù)。不同起始濃度的光解反應(yīng)的ln (c 0/c 列于表2,對(duì)時(shí)間作圖的結(jié)果見圖1。表2不同起始濃度的光解反應(yīng)的ln (c 0/c T ab.2ln(c 0/c of photocatalytic degrad ation of phenolw ater solution with different

7、initial phenol concentration 時(shí)間/min起始濃度/mg L -120304060802001298550128459012697801255240123921400159731015695301540890151035014783960018961301857870181103017654501717718011165651113915111391611020660195673k/min-101014640101426010141001012760101196 圖1ln (c 0/c -t 關(guān)系圖Fig.1The curve of ln (c 0/c -t由圖1可

8、見,線性很好。對(duì)圖1每一組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,從直線斜率可以求得反應(yīng)速率常數(shù)k ,列于表2最后一行?？梢娫谒芯康谋椒悠鹗紳舛确秶鷥?nèi),起始濃度越大,速率常數(shù)越小。由于光解反應(yīng)包含了很多基元反應(yīng),故以上求解的速率常數(shù)為表觀速率常數(shù),其值隨苯酚起始濃度增大而減小。從一級(jí)反應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式分析,是因?yàn)殡S苯酚起始濃度增大,在相同的反應(yīng)時(shí)間,c 0/c 比值減小,即c 的增加幅度大于c 0。換句話說,初始濃度增大,降解速率反而減小,從紫外光的利用率來看,這可能是溶液濃度增高,使反應(yīng)的量子產(chǎn)率降低的緣故。3結(jié)論以銳鈦礦二氧化鈦為光催化劑在290nm 光化學(xué)燈輻照下使苯酚降解,發(fā)現(xiàn)苯酚起始濃度在2080mg L

9、 -1范圍內(nèi)均具有較好的降解效果。動(dòng)力學(xué)研究表明,降解反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng),且速率常數(shù)與苯酚起始濃度成反比關(guān)系。參考文獻(xiàn):1高濂,鄭珊,張青紅1納米氧化材料鈦光催化及應(yīng)用M 1北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002:25.2Xu Y M ,Cooper H L.Photoactivity of titanium dioxide suppor 2ted on MCM 241,zeolite X ,and zeolite YJ .J Phys Chem B ,1997,101:311523121.3Sambandam A ,Minjoong Y.Photocatalytic activities of t he

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13、c Degradation of PhenolWANG Jun(Chemical Engi neeri ng Dep artment ,A nhui Universit y of S cience and Technolog y ,H uai nan 232001,Chi na Abstract :Nano 2titania degradation of phenol with various initial concentration under radiation of 290nm UV light were investigated concerning both degradation effect and kinetics equation.It was found that rather good degradation effects were obtained when initial concentr