Y2O3Bi2O3可见光催化降解甲基橙曾玉凤

Y2O3-Bi2O3可见光催化降解甲基橙曾玉凤，梁春杰，刘华聪，周振（玉林师范学院化学与生物系，广西玉林537000）［摘要］采用固相合成法制备了Y2O3-Bi2O3复合可见光催化剂，用XRD、DRS对复合催化剂进行了表征。以甲基橙为模拟废水，在日光色镝灯光照下，研究了废水浓度、催化剂投加量、温度、pH等对Y2O3-Bi2O3光催化活性的影响。实验结果表明：在甲基橙质量浓度为20mg/L、Y2O3-Bi2O3催化剂投加质量浓度为8g/L、pH=1、光照时间为1h的条件下，甲基橙降解率最大，可达到84.30%，比不加入催化剂提高了83.9%。［关键词］Y2O3-Bi2O3；甲基橙；光催化［中图分类号］TQ032.41；X703.1［文献标识码］A［文章编号］1005-829X（2011）03-0043-03CatalyticdegradationofmethylorangeundervisiblelightirradiationoverY2O3-Bi2O3ZengYufeng，LiangChunjie，LiuHuacong，ZhouZhen（DepartmentofChemistry&Biology，YulinNormalUniversity，Yulin537000，China）Abstract：Y2O3-Bi2O3complexvisiblelightcatalysthasbeenpreparedbysolid-phasesynthesisprocessandchar-acterizedwithXRDandDRS.Methylorangeisusedassimulatedwastewater.Theeffectsofwastewaterconcentra-tion，catalystdosage，temperatureandpHontheactivityofvisiblelightcatalystarestudied.Theexperimentalre-sultsshowthatwhentheconcentrationofmethylorangeis20mg/L，Y2O3-Bi2O3dosage8g/L，pH=1andlightappli-cationtime1h，thehighestdegradationrateofmethylorangecanreach84.30%.Itis83.9%higherthanthatwithoutaddingcatalyst.Keywords：Y2O3-Bi2O3；methylorange；photocatalysis近年来，利用太阳可见光催化降解有机废水的研究越来越受到人们的重视，研究较多的有TiO2〔1-2〕，TiO2的掺杂〔3-4〕，半导体的复合〔5-6〕及其他的金属盐和复合物〔7-8〕。氧化铋是一种重要的半导体材料，具有光催化性能，而复合半导体光催化剂是提高半导体光催化剂催化活性的有效途径之一。由于复合的半导体之间能隙不同，使光生电子和空穴在半导体之间传递，降低了电子和空穴复合的几率，可有效提高催化效率。本研究通过高温固相法制备了Y2O3-Bi2O3复合可见光催化剂，并在光照条件下，以偶氮染料甲基橙为模拟废水，对其光催化性能进行了研究。1实验部分1.1催化剂的制备Y2O3-Bi2O3复合光催化剂制备方法如下：按m（Y2O3）∶m(Bi2O3)=1∶24的比例称取一定量分析纯的Bi2O3和Y2O3，放于研钵中充分研磨至完全均匀混合，然后将其放入箱式电阻炉中焙烧，焙烧温度为750℃，焙烧时间为2.5h。1.2催化剂的表征多晶X射线衍射（XRD）实验在北京普析MASALXD-3型X射线衍射仪上进行，实验参数为：CuKα辐射，管压36kV，管流20mA，带石墨单色器，连续扫描，扫描速度4°/min。紫外漫反射光谱扫描（DRS）在配有积分球的TU-1901型双光束紫外-可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）上进行。以BaSO4粉末作为标准白板进行基线校正。1.3光催化降解甲基橙的实验实验废水由甲基橙与蒸馏水配制，并用一定浓度的NaOH和HCl调节其pH。取50mL一定浓度的甲基橙废水于烧杯中，加入定量的Y2O3-Bi2O3，在磁力搅拌器的搅拌下，用400W镝灯照射，进行光［基金项目］广西教育厅科研基金项目（200911LX368）；玉林师范学院科研基金项目第31卷第3期2011年3月工业水处理IndustrialWaterTreatmentVol．31No．3Mar．，201143催化降解反应，一定时间后取样检测废水的降解率。1.4分析方法取5mL反应前、后的甲基橙溶液，在3000r/min下离心10min后，采用TU-1901型双光束紫外-可见分光光度计在最大吸收波长（468nm）下测定其吸光度。依式（1）计算甲基橙光降解率。D=A0-AA0×100%（1）式中：D———降解率，%；A0———初始溶液的吸光度；A———各反应阶段溶液的吸光度。2结果与讨论2.1Y2O3-Bi2O3光催化降解甲基橙工艺条件分析2.1.1废水初始浓度对Y2O3-Bi2O3光催化活性的影响取50mL不同浓度的甲基橙废水，在室温条件下投加8g/LY2O3-Bi2O3催化剂，考察甲基橙废水的初始浓度对Y2O3-Bi2O3光催化降解甲基橙的影响，结果见图1。图1初始浓度对Y2O3-Bi2O3光催化降解甲基橙的影响由图1可知，随着甲基橙初始浓度的增加其降解率逐渐增大，当甲基橙初始质量浓度达到20mg/L、反应时间为1h时，甲基橙的降解率达到最大，为81.11%；再增加甲基橙初始浓度，降解率反而随浓度的增加而降低，当甲基橙的初始质量浓度为80mg/L时，甲基橙的降解率仅为4.58%。这是因为随着甲基橙浓度的增大，光穿透溶液的能力减弱，能参与光催化降解反应的光子数量减少；另外，催化剂表面的吸附能力有限，当甲基橙的浓度达到一定值后，吸附趋向饱和，导致甲基橙降解率下降。2.1.2Y2O3-Bi2O3用量对Y2O3-Bi2O3光催化降解甲基橙的影响取50mL初始质量浓度为10mg/L的甲基橙废水，在室温条件下考察Y2O3-Bi2O3用量对Y2O3-Bi2O3光催化降解甲基橙的影响，结果见图2。图2Y2O3-Bi2O3用量对Y2O3-Bi2O3光催化降解甲基橙影响由图2可知，Y2O3-Bi2O3用量对Y2O3-Bi2O3光催化降解甲基橙的影响非常显著，随着Y2O3-Bi2O3用量的增加，甲基橙的光降解率先升后降，存在一个最佳值。当Y2O3-Bi2O3投加质量浓度为8g/L时，甲基橙的光降解率达到75.4%，比未加催化剂时提高了75%。当催化剂投加质量浓度＜8g/L时，随着催化剂用量的增加，甲基橙的光降解率增大，这是因为在光照充足的条件下，催化剂用量的增加，意味着在单位体积废水中用于光催化降解的活性点增加；而当催化剂用量超过最佳用量时，降解率反而随着催化剂用量的增加而降低，其原因是光催化剂颗粒悬浮在废水中，使得废水变浑浊，影响光透射，光反应反而减少，从而降低了甲基橙的光降解率。2.1.3反应温度对Y2O3-Bi2O3光催化降解甲基橙的影响取50mL初始质量浓度为20mg/L的甲基橙废水，在催化剂投加质量浓度为8g/L的条件下，考察反应温度对Y2O3-Bi2O3光催化降解甲基橙的影响，结果见图3。图3反应温度对Y2O3-Bi2O3光催化降解甲基橙的影响由图3可见，反应温度对Y2O3-Bi2O3光催化降解甲基橙的影响比较大，降解反应在室温下进行的试验研究工业水处理2011－03，31（3）44效果最好，在此条件下甲基橙的光降解率可达81.11%。随着降解温度的升高，甲基橙的光降解率有所下降，当温度达到90℃时，甲基橙的光降解率比室温时下降了47.73%。2.1.4初始pH对Y2O3-Bi2O3光催化降解甲基橙的影响取50mL初始质量浓度为20mg/L的甲基橙废水，催化剂的投加质量浓度为8g/L，用盐酸和氢氧化钠溶液调节pH，考察甲基橙溶液的初始pH对Y2O3-Bi2O3光催化降解甲基橙的影响，结果见图4。图4初始pH对Y2O3-Bi2O3光催化降解甲基橙的影响由图4可见，甲基橙溶液在酸性条件下的降解率大于中性和碱性条件，而中性条件下的降解率又高于碱性条件。pH=1时，甲基橙的降解率最高，可达到84.30%。实验结果与其他降解甲基橙的实验结果一致〔9〕。这是因为在酸性条件下，催化剂表面富集了H+，带正电荷，从而吸引阴离子构型的甲基橙分子，而吸附过程是催化过程不可缺少的，因此有利于光催化降解反应的进行。在碱性条件下，催化剂表面因富集OH-而带负电荷，从而排斥甲基橙分子，不利于光催化降解反应的进行。2.2光催化剂的结构特征2.2.1晶相采用X-射线衍射仪分析Bi2O3、Y2O3及Y2O3-Bi2O3复合可见光催化剂的晶相结构，其XRD谱如图5所示。图5Bi2O3、Y2O3和Y2O3-Bi2O3的XRD谱从图5可以看出，在同样的焙烧温度和焙烧时间下，复合Y2O3-Bi2O3可见光催化剂的晶相结构未发生改变，对比Bi2O3，复合光催化剂的衍射峰与β-Bi2O3的特征峰（PDFNo-27-0050）更加接近〔10〕，并没有出现Y2O3的特征峰值，可能是Y2O3含量较少，均匀分散到Bi2O3的表面。2.2.2漫反射光谱Bi2O3、Y2O3和Y2O3-Bi2O3复合可见光催化剂的紫外-漫反射图谱如图6所示。图6Bi2O3、Y2O3和Y2O3-Bi2O3的DRS谱将DRS谱图进行一次微分处理后，得到Bi2O3和Y2O3-Bi2O3催化剂的吸收边的波长λg为512nm和525nm。禁带宽度Eg可利用公式Eg=1240λg计算，即得到Bi2O3和Y2O3-Bi2O3催化剂的禁带宽度值为2.42eV和2.36eV。从紫外-漫反射图谱可知，Y2O3-Bi2O3复合催化剂对入射光响应的波长增加，从而提高了对入射光的能量利用率。3结论采用高温固相法制备了Y2O3-Bi2O3复合可见光催化剂，在日光色镝灯的照射下，以偶氮染料甲基橙为模拟废水，研究了可见光催化降解甲基橙的多相催化过程。研究发现：（1）在甲基橙质量浓度为20mg/L、催化剂投加质量浓度为8g/L、pH=1时，甲基橙的降解率最高，可达到84.30%。（2）Y2O3-Bi2O3复合可见光催化剂的XRD表明，掺入微量的Y2O3，Bi2O3晶体结构未发生改变。（3）掺入Y2O3，Bi2O3的漫反射光谱发生了红移，对可见光的吸收增强。［参考文献］［1］张一兵，张文彦.TiO2可见光光催化的研究进展［J］.稀有金属材料与工程，2007，36（7）：1299-1303.［2］KimTK，LeeMN，LeeSH，etal.Developmentofsurfacecoat（下转第76页）工业水处理2011－03，31（3）曾玉凤，等：Y2O3-Bi2O3可见光催化降解甲基橙45图3ΔT与NaOH浓度对数值之间的关系3样品分析按实验方法对某工厂的工业锅炉水进行了5次平行测定，5次测定结果的平均值为13.97mmol/L，标准偏差为0.22mmol/L，相对标准偏差为1.6%，测得其总碱度的平均值置信区间为（13.97±0.15）mmol/L。用甲基橙做指示剂滴定该工业锅炉水的总碱度可得到该工业锅炉水的甲基橙碱度〔12〕，5次测定结果的平均值为13.74mmol/L，标准偏差为0.48mmol/L，相对标准偏差为3.5%，测得其总碱度的平均值置信区间为（13.74±0.32）mmol/L。用酚酞做指示剂滴定该工业锅炉水的总碱度可得到该工业锅炉水的酚酞碱度〔12〕，其平均值置信区间为（11.45±0.25）mmol/L。由实验结果可知，用本实验方法测定试样得到的结果与用指示剂法得到的结果相近，说明此实验方法具有较好的准确度，而且用本实验方法测定结果的相对标准偏差小于指示剂法，说明用本实验方法滴定锅炉水总碱度比指示剂法具有更好的精确度。4结论实验研究表明，流动注射分析和离子选择性电极联用技术测定工业锅炉水总碱度的