浮石光催化剂的制备及其在印染废水处理中的应用

Posted 2023-01-14 浮石

篇首语：卧疾丰暇豫，翰墨时间作。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了浮石光催化剂的制备及其在印染废水处理中的应用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

摘要：以天然浮石为载体,用溶胶一凝胶法制备含pb2+的TiO2光催化剂,并用制备的光催化剂处理活性艳红X-3B染料废水。研究了催化剂制备时溶胶的涂覆次数、掺杂Pb2+浓度、染液pH值、处理温度对染料.html"target=_blank>染料废水处理效果的影响。结果表明,当涂覆4次、Pb(NO3)2浓度为2.0g/ L,处理温度70℃条件下处理75min,脱色率可达89%。

关键词：TiO2 pb2+ 天然浮石光催化剂染料废水

光催化氧化作为一种新型氧化技术,受到国内外学者的关注,它用于污水处理具有及其广阔的前景[1]。目前, 悬浮态TiO2光催化剂在水中易凝聚、易失活,且使光的穿透力受阻,尤其是处理后的光催化剂分离与回收已成为该项技术能否工业化的关键,对于此类问题人们通过将光催化剂负载到合适的载体上来加以解决。同时发现,由于光催化剂在载体上的负载使其催化活性受到了一定的影响, 近年来的研究表明离子掺杂TiO2是提高光催化活性的一条很好的途径[2]。已有学者研究了掺杂Fe3+、Ca2+、Mg2+、 A13+、Cu2+等离子对TiO2光催化活性的影响。本文主要研究了掺杂pb2+改善TiO2光催化剂催化活性的影响,并重点研究了其在印染废水处理中的应用。在染料废水处理过程中采用了微波无极紫外光作为光源,微波无极紫外灯发射的可见光可以被染料分子所吸收,使染料分子光敏化,有利于染料分子的降解;而且发射的紫外光可用来激发光催化剂,产生光致电子?D空穴,进一步产生?OH等一系列自由基,与染料分子发生氧化?D还原反应,降解染料[3]。

1 实验部分

1.1 TiO2溶胶的制备

将350ml无水乙醇.html" target=_blank>乙醇加入到1000ml烧杯中,开动电动搅拌器持续搅拌。同时量取100ml的钛酸四正丁酯和15ml 的乙酰丙酮.html" target=_blank>丙酮分别缓慢滴加到乙醇中。再用移液管移取 50ml硝酸铅溶液,搅拌30min,制得混合液A。

另取一1000ml烧杯,加入350ml无水乙醇,再分别缓慢加入15ml乙酰丙酮和40ml蒸馏水,制得混合液B。将混合液B缓慢滴加到混合液A中,然后滴加0.5～0.7ml硝酸溶液,继续搅拌60min。制备成溶胶备用。

1.2 pb2+/TiO2/浮石光催化剂制备

取一1000ml烧杯,将浮石浸于TiO2溶胶中,超声振荡 15min,并不断用玻棒搅拌,使TiO2溶胶与浮石充分混合。然后取出烧杯中的浮石,放于干燥处静置24hr。将静置后的浮石置于马福炉中,温度先上升至250℃,恒温保持60min;再调高温度到500℃,恒温保持3hr。关闭电源后,浮石在马福炉中自然冷却至室温。

烧制好的浮石,用蒸馏水冲洗,再放入烘箱中烘干,即制得涂覆1次的pb2+/TiO2/浮石光催化剂。重复上述步骤,可以制得涂覆2、3、4、5次的pb2+/TiO2/浮石光催化剂。

1.3 染液处理

将浓度为300mg/L的X-3B染料废水1000ml注入微波炉内的容器中,同时放入制得的pb2+/TiO2/浮石光催化剂40g。启动实验装置,通过微波照射激发紫外灯来处理废水。容器里的染液通过水泵抽出进入循环冷凝系统再回到容器中,每隔15min在取样口取样。冷凝系统的作用在于通过调节水的流量将处理的温度控制在一定的范围内。

用染液的处理效果来表征pb2+/TiO2/浮石光催化剂制备的有关影响因素:催化剂的涂覆次数、硝酸铅浓度等。影响X-3B处理效果的因素有:染液初始pH值、反应温度等。

实验装置如图1。

2 实验结果与讨论

2.1 涂覆次数对活性艳红X-3B染料废水脱色效果的影响

在1000ml浓度为300mg/L的活性艳红X?D3B模拟废水中,加入自制的pb2+/TiO2/浮石光催化剂。反应温度40℃,pH值6.2,全曝气的条件下反应75min。对比催化剂的不同涂覆次数对脱色效果的影响,如图2。

由图2可知,涂覆4次的处理效果最好,处理 75min时,脱色率可达52.5%。分析认为:涂覆次数过少,浮石表面TiO2的含量过少,催化效果不佳;但涂覆次数过多,浮石内的小空隙会被TiO2溶胶覆盖,减少了接触反应的面积,从而影响了催化效果。

2.1 溶胶制备中硝酸铅浓度对活性艳红X-3B染料废水脱色效果的影响

取1000ml浓度为300mg/L的活性艳红X-2B,反应温度40℃,pH值6.2,全曝气条件下反应75min(其中加入涂覆四次,煅烧温度为500℃的催化剂40g)。在配置TiO2溶胶时,掺杂一定浓度的Pb(NO3)2溶液来对TiO2/浮石光催化剂进行改性。试验结果证明,随着掺杂Pb(NO3)2浓度的增加,脱色率不断增加,当 Pb(NO3)2浓度为2.0g/L时,处理活性艳红X-3B染料废水75min,可以达到54.3%的脱色处理效果。分析认为,掺杂过渡金属.html" target=_blank>金属离子pb2+变了纳米TiO2的禁带宽度, 使反应的响应光谱向可见光扩展,并且有效地抑制了 e-?Dh+的复合,提高了半导体的光催化效率[4]。

2.3 染液初始pH值对活性艳红X-3B染料废水脱色效果的影响

取1000ml浓度为300mg/L的活性艳红X-3B,反应温度40℃,全曝气条件下反应75min(催化剂:掺杂的 Pb(NO3)2浓度为2.0g/L、用溶胶涂覆四次的催化剂40g)。对比不同pH下的脱色效果,如图4。

由图4可知:染液的初始pH值为2时效果最好, 在处理75min时,其脱色率可达65%。随着染液酸性或碱性增强,脱色效果变好。染液初始pH值对处理效果产生影响,是因为TiO2表面的电荷性质会受到溶液酸碱性的影响,染夜呈酸性或碱性有利于染料在催化剂表面的吸附,从而有利于催化反应的进行[5]。

2.4 反应温度对活性艳红X-3B染料废水脱色效果的影响

取1000ml浓度为300mg/L的活性艳红X-3B,反应温度40℃,pH值6.2,全曝气条件下反应75min(加入涂覆四次的催化剂40g)。可以看出,温度越高染液处理效果越好,当温度为70℃时,处理时间为75min的脱色率可达89. 9%。分析可知,电子被吸附溶解在TiO2表面的氧俘获形成活性超氧阴离子自由基O2-,而空穴则将吸附在 TiO2表面的OH-和H2O氧化成氢氧自由基OH,活性的O2和OH具有很高的反应活性,当污染物吸附于其表面时,就会被氧化,发生链式降解反应,分解成无毒的CO2、H2O和无机物,从而达到消除污染的目的。温度升高,电子比较活跃,加速了这一过程。

3 结论

3.1 以天然浮石为载体,用溶胶一凝胶法制备的含 pb2+的TiO2光催化剂,随着掺杂Pb(NO3)2浓度的增加,脱色率不断增加。可见TiO2光催化剂中掺杂过渡金属离子Pb2+,可改善和提高印染废水的处理效果。实验中,当Pb(NO3)2浓度为2.0g/L处理75min时脱色率可达到54.3%。

3.2 TiO2溶胶涂覆量有一最佳值,低于这一值,处理效果较差,高于这一值则处理效果提高不明显,甚至会因堵塞浮石空隙而使处理效果变差。试验中,浮石涂覆4 次为最佳,处理75min时,脱色率可达52.5%。

3.3 染液的初始pH值对处理效果影响较大,尤其是在酸性条件下,当pH=2时,处理45min时,脱色率就可达到60.5%。

3.4 TiO2光催化剂处理废水的温度对催化剂的活性有较大的影响。试验表明,温度越高,处理的效果越好。试验中,在70℃条件下处理75min的脱色率可达89. 9%。但在工业生产上,温度过高不但对设备的要求提高,而且损失了大量的热量,使处理成本提高,不够现实,所以,可以选择40℃的反应温度。同时可以查看中国污水处理工程网更多技术文档。

参考文献

[1]FujishimaA,RaoTN,TrykDA.Titaniumdi oxide photocatalysis[J]. Joumalof Photo chemistry andP hotobiology C:PhotochemistryReviews, 2000,1:1-21.

[2]尹霞,向建南,任志宇,等.Fe3+-H掺杂TiO2光催化剂的制备、表征与催化性能[J].应用化学,2005,22 (6):634-637.

[3]郑敏.印染废水光催化氧化作用机理解析[J].染整技术,2002,24(1):43-45.

[4]张西旺,王怡中.微波强化光催化氧化技术研究现状及展望[J].化学进展,2005,17(1):93.

[5]王星敏,陈胜福.印染废水的光催化氧化新进展[J]. 重庆工商大学学报(自然科学版),2004,21(3).230.来源：中国水处理设备网