纳米二氧化钛光催化降解茜素红染料废水的研究

环境化学综合设计性实验方案纳米二氧化钛光催化降解茜素红染料废水的研究1一、前言TiO2/UV光催化氧化技术是处理染料废水的重要方法，TiO2光催化剂经光照后产生氢氧自由基，与水中的染料分子发生氧化反应，最终使其转化为CO2和H2O。大多数研究者认为此反应是TiO2表面的氢氧自由基与吸附在催化剂表面的染料进行的氧化反应，并且光催化降解反应动力学通常采用langmuir−Hinshelwood模型方程表达式进行描述。染料的吸附对其在TiO2表面的光催化降解反应具有重要影响，而且染料的吸附模式和吸附量等性质对光催化反应的深入研究有重要意义。关于TiO2光催化剂对染料的吸附目前已有报道，所涉及的染料主要包括甲基橙、酸性大红3R和亚甲基蓝、活性艳红X-3B、阳离子蓝X-GRL等。尽管也考察了吸附条件如pH和染料浓度等对吸附量的影响，但缺乏对不同分子结构的水溶性偶氮染料在TiO2表面吸附行为的详细和系统的信息。茜素红是印染行业常用的染料，在染料废水中含量高，毒性大。随着纺织工业的发展，大量的染料废水被排放，日益威胁到人类的生存和发展。其有效处理方法已成为当今国内外学者研究的热门课题。由于染料废水中的多环芳烃具有分子结构稳定且可生化性差的特点。近年来，使用高级氧化技术处理染料废水引起关注。高级氧化技术即在溶液降解过程中，充分利用自由基（如·OH等）的活性，达到彻底降解的目的。常用的高级氧化技术有TiO2光催化氧化法、臭氧氧化法、fenton试剂氧化法和过氧化氢氧化法等。二、实验目的1、了解纳米二氧化钛吸附染料的原理2、了解不同因素对纳米二氧化钛吸附染料的影响3、掌握紫外分光光度计（UV）获取染料最大吸收波长的实验方法4、了解茜素红的性质及影响因素三、实验原理TiO2吸附染料的具体原理：光催化基本原理是指光催化剂受到大于禁带宽度能量的光子照射后，发生电子跃迁，生成光生电子(e一)和空穴对(h+)，光生电子具有很强的还原能力，可以还原去除水中的金属离子，而空穴具有极强的氧化性，可对吸附于其表面的污染物进行直接或间接的氧化降解，此外，空穴还可以氧化H2O和OH一生成反应性极高的羟基自由基(·OH)，·OH是一种强氧化剂(氧化还原电位为+2．8V)，它可以将大多数有机染料氧化为可矿化的最终产物。以本实验中的TiO2为例。TiO2的带隙能火3.2eV,相当于波长为387.5nm光子能量，抵达地面太阳能最小波长为300.0nm，300.0～387.5nm之间的紫外光能约占太阳能的1%左右[1]。当TiO2受到太阳能辐射后，处于价带的电子就被激发到导带，价带便生成空穴（h+）。光催化反应机理可用以下各式表示：TiO2+hv(UV)→TiO2(e-+h+)TiO2(h+)+H2O→TiO2+H2O+·OHTiO2(h+)+OH一→TiO2+·OH有机染料+·0H一降解产物2有机染料+h+→氧化产物有机染料+e一→还原产物式中hv是将TiO2的电子从价带激发到导带的光子能量。染料的测定：标准曲线的绘制：用UV-1200型紫外可见分光光度计，在可见光的波长（如470～550nm）范围内每隔10nm扫描一次波长，选取最大吸收波长作为工作波长λ。在选定的工作波长λ下，测定不同浓度的茜素红溶液的吸光度，作出一条线性直线。吸附率的公式：吸附率即为茜素红溶液被纳米TiO2吸附的量与未被吸附前时的总量的比值。公式为Vs=(A0-A1)/A0*100%其中A0为茜素红溶液被吸附前的吸光度，A1为茜素红被吸附后的吸光度。四、仪器与试剂实验仪器：UV-1200紫外分光光度计容量瓶250，1000ml，500ml各一支100ml8支锥形瓶14个;移液管5ml，50ml,25ml各二支柴外光（25W,236.5nm）实验试剂：1．茜素红模拟污水储备液的配置：实验时将茜素红染料(沈阳市试剂三厂，分析纯)置于80℃下烘干，然后用蒸馏水配制成100mg／L的溶液，作为模拟染料废水。2．二氧化钛溶液的配制：用分析天平换取0.8000g的二氧化钛，将其溶解在100ml的蒸馏水中，则所得的二氧化钛溶液的浓度为8mg/ml。3.缓冲溶液：PH值为5.4（在200ml水中溶解六亚甲基四胺40g，加浓HCl10ml，再加水稀释至1L）PH值为6.8（把25.0ml0.2mol/L的磷酸二氢钾与23.6ml0.1mol/LNaOH混合均匀，加水稀释至100ml）PH值为7.4（1.179gKH2PO4+4.302Na2HPO4配置成1000ml的水溶液）PH值为8.0（把25.0ml0.2mol/L的硼酸-氯化钾与4.0ml0.1mol/LNaOH混合均匀，加水稀释至100ml）PH值为9.1（把0.1mol/L氯化铵与0.1mol/L氨水以2：1比例混合均匀）PH值为10.0（2.92gNaHCO3+2.64gNa2CO3配置成1000ml的水溶液）五、实验步骤实验一：不同TiO2用量下对染料吸附能力的影响[2]取7支锥形瓶，标号1至7号。分别向各锥形瓶中加入2ml的标准茜素红染料废水。然后再分别向这7支锥形瓶中加入18，17，16，15。5，13，10.5，8ml的pH=6.8的缓冲溶液。最后迅速用染料废水将其定3容到20ml,此时各锥形瓶中二氧化钛的浓度分别为0，0.4，0.8，1.0，2.0，3.0，4.0mg/L.尔后将各锥形瓶用振荡器振荡同时用紫外光灯照射，30分钟后，将振荡后的染料废水用以4000r/min的转速离分离30分钟。静置片刻，取离心后的液体以缓冲溶液为参比，在λ波长下，测定其吸光度值。再根据染料废水的标准曲线算出各个浓度下的TiO2的脱色率。实验一试剂加入量表格锥形瓶编号1234567染料废水/ml2222222缓冲液/ml18171615.51310.58二氧化钛/ml0122.557.510二氧化钛浓度mg/L00.40.81.02.03.04.0此时可得到具有最高脱色率的TiO2投加量V钛。实验二：TiO2对不同浓度的染料接脱色率的探讨[3]取7只锥形瓶，贴上标签1至7号。分别向这7支锥形瓶中加入0,2,3,4,5,6，8ml的标准模拟染料废水即100mg·L-1的茜素红溶液，再用移液管分别移取17.5，15.5，14.5，13.5，12.5，11.5，9.5ml的pH=6.8的缓冲溶液，最后用已配的二氧化钛溶液定容到20ml。此时各个锥形瓶内茜素红的浓度依次为0,10,15，20,25，30，40mg/L。将其放入振荡器中振荡同时用紫外光照射。半小时后取出反应后的染液以4000转/分的转速，离心沉淀30分钟，将所得上清液以蒸馏水作参比，在波长λ下分别测定其吸光度A0至A6,再根据茜素红的标准曲线得出它的脱色率。实验二试剂加入量表格锥形瓶编号1234567二氧化钛（ml）2.52.52.52.52.52.52.5缓冲液/ml17.515.514.513.512.511.59.5染料废水/ml00234568染料废水浓度mg/L0101520253040此时可得到具有最高脱色率的染料的投加量设为V染实验三：不同pH下TiO2对染料的吸附能力的影响[4]取出6个锥形瓶，贴上标签1到6号，分别向各个锥形瓶中加入V染的染料废水。再分别加入pH为5.4，6.8，7.4，8.0，9.1，10.0的缓冲溶液（20-V染-V钛）ml,最后迅速用二氧化钛溶液定容至20ml.尔后将各锥形瓶用振荡器振荡,同时用紫外光灯照射，30分钟后，将振荡后的染料废水用以4000r/min的转速离分离30分钟。静置片刻，取离心后的液体以缓冲溶液为参比，在λ波长下，测定其吸光度值。再根据染料废水的标准曲线算出各个pH值下的染料废水的脱色率。4实验三试剂加入量表格锥形瓶编号123456染料废水/mlV染V染V染V染V染V染pH缓冲液/ml5.46.87.48.09.110.0二氧化钛/mlV钛V钛V钛V钛V钛V钛溶液总体积20ml实验四：时间对二氧化钛吸附染料的影响[5]取7支锥形瓶，分别贴上标签1至7号，先分别向各个瓶中加入标准染料废水V染ml,pH为6.8的缓冲液（20-V染-V钛）ml,最后再分别迅速加上标准二氧化钛溶液V钛ml.尔后将各锥形瓶用振荡器振荡,同时用紫外光灯照射，按照编号大小，每隔10分钟，取出一个锥形瓶，一个小时后可以将七个瓶全部振荡完，其中七号瓶用黑色的袋子完全隔绝紫外光振荡，一个小时后取出。将振荡后的染料废水全部以4000r/min的转速离分离30分钟。静置片刻，取离心后的液体以缓冲溶液为参比，在λ波长下，测定其吸光度值。再根据染料废水的标准曲线算出各个时间下的染料废水的脱色率。实验四试剂加入量表格锥形瓶编号1234567染料废水/mlV染V染V染V染V染V染V染pH缓冲液/ml20-V染-V钛二氧化钛/mlV钛V钛1V钛V钛V钛V钛V钛溶液总体积20ml振荡时间/min102030405060601DavidFOllis.Environ.Sci.Technol.,1985,19(6):480～4842李先学，陈彰旭，沈高扬等，TiO2光催化降解染料废水的研究进展(J),山东纺织科技，2010，23王欢，李正山，二氧化钛光催化降解碱性品红的动力学研究（J）,4赵金伟，Mn2+/H2O2光催化体系对染料甲基橙、茜素红、结晶紫的降解研究，光谱实验室，第二十卷，第2期，2003，35董永春，王秋芳，顿咪娜等，不同结构偶氮染料在TiO2纳米颗粒表面的吸附和光催化降解（J），过程工程学报，第7卷，第4期，2007，8