光催化降解水體中有機污染物的研究

1、光催化降解水體中有機污染物的研究一、實驗?zāi)康耐ㄟ^本實驗了解光催化的基本原理，掌握亞甲基藍等有機污染物降解的實驗方法 和光催化降解的動力學(xué)參數(shù)測怎，掌握光催化中紫外光源的使用及有機物的光譜分析法。二、實驗原理20世紀(jì)70年代以來，利用半導(dǎo)體光催化氧化水中污染物的工作日益為人們所重 視，其優(yōu)點主要在于：首先，利用半導(dǎo)體光催化氧化降解水中污染物不同于單純的物理方法，化學(xué)方法和生物方法的水處理，處理流程簡單，無二次污染，處理速度比微生物法快；其次，半導(dǎo)體光催化氧化可以處理各種無機和有機污染物使其礦化，是一種氧化處理方法，最關(guān)鍵的是半導(dǎo)體光催化氧化過程有可能利用太陽光資源，節(jié)能且無污染。目前，在多相光催

2、化反應(yīng)所使用的半導(dǎo)體催化劑中，TiO?以其無毒、催化活性高、 氧化能力搶、穩(wěn)定性好最為常用。研究表明：納米 TQ2對紫外線具有很強的吸收能力，具有很高的光催化活性，當(dāng)受到波長小于 388nm的紫外光照射后，納米TiO?粒子將分 別在導(dǎo) 帶和價帶上產(chǎn)生大量的光電子（e）和光生空穴（h+） , e和h+經(jīng)過一系列反應(yīng)可 生成含氧小分 子活性物種*OH HO、Cr等，這些含氧小分子物種具有極強的氧化還原能力，可以光催化降解水中的有機污染物，將其直至完全礦化為 CO和HO,并可以光 催化還原重金屬離子和 光催化殺菌。光催化機理可用下式說明:hTiOa + H 2O-hv -e + h +?OH + H

3、 +h+ +OH02 + eo2 + H -2HO2? 0H2Q + ?Q?OH?Q-H2O ?2+ H 2Q輕基自由基？ OH是光催化反應(yīng)的一種主要活性物質(zhì)，對光催化氧化起決定作用，吸附于催化劑表面的氧基水合懸浮液中的 OH? HO等均可產(chǎn)生該物質(zhì)，氧 化作用既可以通 過表面鍵合疑基的間接氧化，即粒子表面捕獲的空穴氧化；又可 在粒子內(nèi)部或顆粒表面經(jīng)價帶空穴直接氧化；或同時起作用，視具體情況有所不 同。表面吸附分子氧的存在會影響光催化勝率和量子速率。但由于 TiO?的帶隙較寬（約3.2ev ）,能利用的太陽能大約 僅占太陽光強的3%而且由于光激發(fā)產(chǎn) 生的 電子與空穴的復(fù)合，光量子效率很低。為了

4、提 高對太陽能的利用率，并積極改善催化 效率，人們已進行了大量的研究工作，如采取一些 表面修飾改性技術(shù)，射擊研制高效 能反應(yīng)器等。三、儀器與試劑自鎮(zhèn)流熒光高壓汞燈 （125V）磁力攪拌器；721型分光光度計；亞甲基藍（分析 純）；二氧化鈦；過氧化氫（分析純）。四、實驗步驟1、實驗方法及試樣分析稱取一定量的亞甲基藍粉末，用蒸憫水配成100mg/L的溶液。取100ml置于玻璃皿中，加入一處量的TiO?粉末，用玻璃棒攪拌，使TiOz粉末分布均勻。然后 將玻 璃皿置于磁力攪拌器上，磁力攪拌器上方放置自鎮(zhèn)流熒光高壓汞燈。在穩(wěn)定的光照條件下，反應(yīng)一段時間后，取出反應(yīng)懸浮液，離心過濾 （3000r/min

5、）、測上 清液的吸光度，計算不同反應(yīng)條件下的染料脫色率。亞甲基藍分析采用分光光度法，亞甲基藍最大吸收波長為665nm，在該波長 下用721型分光光度計以去離子水為參比，測得亞甲基藍溶液在反應(yīng)前后的吸光度來 計算。試樣的脫色率D以下式計算：Ao-AcD100%Ao式中：A亞甲基藍溶液的初始吸光度;反應(yīng)結(jié)束后亞甲基藍溶液的吸光度。2、實驗內(nèi)容(1) TQ加入量的影響本組實驗取濃度為10mg/L的亞甲基藍溶液100ml,光照時間1h,通過改變TiO?加入量：0g、0.3g、0.5g、0.7g、1.0g,利用分光光度計分別在 665nm處測得 反應(yīng)前后的吸光度，計算出脫色率。 亞甲基藍溶液初始濃度的影

6、響取0.5g TiO 2,汞燈光照時間1h,亞甲基藍溶液100ml,改變亞甲基藍溶液濃 度，分別 在亞甲基藍濃度為2、& 10mg/L時進行反應(yīng)，利用分光光度計分別在 665nm處測得反 應(yīng)前后的吸光度，計算出脫色率。(3)光照的影響本組實驗TiO2的投加量為0.5g,濃度為10mg/L的亞甲基藍溶液100ml,汞燈 光照時 間分別取0.5、1.5、2.0、25、3.0ho利用分光光度計分別在665nm處測得 反應(yīng)前后的吸 光度，計算出脫色率。五、數(shù)據(jù)處理：1、繪制亞甲基蘭脫色率一 TiO 2加入量曲線并進行分析；表2-1脫色率隨TiO 2用量變化數(shù)據(jù)表亞甲基藍原液的吸光度 AT.303TiO

7、 2 加入室/g00.30.50.71.0吸光度A1.0210.0230.0520.0540.059脫色率/%21.698.296.095.895.5備注亞甲基二原液濃度：10mg/L;光照時間：60min :測定波長：665nm;比色皿：1cm脫色率D=(A -A)/Ao亞甲基藍脫色率與TiO2加入量曲線TiO2加入量(g)從上圖可以看出，隨著投入的 TiO2的增加，脫色率越來越大，當(dāng)加入的 TiO2=0.3g時, 脫色率為最高，即當(dāng)TiO2=O.3g為最好的投入量，后有下降，并趨于平衡。2、繪制亞甲基蘭脫色率溶液初始濃度曲線并進行分析；表2-2脫色率隨亞甲基蘭溶液初始濃度變化數(shù)據(jù)表亞甲基蘭

8、濃度(mg/L)26810原吸光度A0.2610.7211.0741.193吸光度A0.0540.0830.0800.072脫色率/%79.388.592.694.0備注光照時間：60mi n;測定波長：665nm比色皿：1cm脫色率D=(A-A)/Ao脫色率與初始濃度的關(guān)系曲線O 2溶液初始濃度(從上圖可以看出，在投入的TiO2的量都一定時，隨著初始濃度的增加而增加，隨后增加幅度變小。3 繪制 亞甲基脫色率一光照宙 寸間曲線并 進行 分 析w 甲基 藍原 液 的吸光度 A o =1,3 O 3比色皿：1cm脫色率 D=(A-A)/Ao光照時間(mi n)306090120150180吸光度A

9、0.0630.0570.0510.0470.0460.044脫色率/%95.295.696.196.496.596.6備注亞甲基蘭原液濃度：10mg/L;測定波長：665nm;脫色率與光照時間關(guān)系曲線於率色脫系列1光照時間/min由上圖可知：脫色率隨光照時間的增加而增加。六、實驗結(jié)果討論1、實驗過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象：不管是 Ti02加入量增加、初始濃度增加、光照時間增加，亞甲基蘭都 是 由藍色逐漸變?yōu)榘咨?，離心后，上清液為無色透明。2、影響光催化降解的因素有：Ti02顆粒大小、光照強度、攪拌速度、催化劑用量、溫度、初始濃度、PH等。影響光催化降解的催化活性因素有：TiO2顆粒大小、催化劑用量、溫度、PH等。3、本實驗系統(tǒng)的光催化機理：TiO2光催化化學(xué)反應(yīng)主要