Cu基ZnO薄膜紫外光催化降解水中有機污染物

閆 盛

（陜西省石油化工學校,陜西 西安 710061）

摘 要：利用Cu基ZnO薄膜紫外光催化降解水體中的有機污染物是一項非常有前景的水處理技術，本文利用電化學沉積方法，在鋅鹽的水溶液中沉積制備Cu基ZnO薄膜，并以較難降解的偶氮類有色化合物甲基橙是為例，紫外光照射下，用制備好的Cu基ZnO薄膜降解水中甲基橙，結果表明有很好的催化降解效能。該技術還沒有得到廣泛應用，有待于進一步完善。

關鍵詞：紫外光催化降解；甲基橙；Cu基ZnO薄膜

中圖分類號：X703；O644 文獻標識碼：A

環境工程

Cu基ZnO薄膜紫外光催化降解水中有機污染物

閆 盛

（陜西省石油化工學校,陜西 西安 710061）

摘 要：利用Cu基ZnO薄膜紫外光催化降解水體中的有機污染物是一項非常有前景的水處理技術，本文利用電化學沉積方法，在鋅鹽的水溶液中沉積制備Cu基ZnO薄膜，并以較難降解的偶氮類有色化合物甲基橙是為例，紫外光照射下，用制備好的Cu基ZnO薄膜降解水中甲基橙，結果表明有很好的催化降解效能。該技術還沒有得到廣泛應用，有待于進一步完善。

關鍵詞：紫外光催化降解；甲基橙；Cu基ZnO薄膜

中圖分類號：X703；O644 文獻標識碼：A

Abstract：Degradation of organic pollutants in water catalyzed by copper-based zinc oxide film under UV is a forward-looking technology.The copper-based zinc oxide film was prepared by electrochemical depositionmethod which deposited Cu in zinc salt solution.Themethyl orange was degraded by copper-based zinc oxide film under UV,the results showed better degradation performance.The technology hasn't been widespread applied,should be further improved.

Key words：degradation by UV;methyl orange;copper-based zinc oxide film

自1972年日本學者Fujishima.A和Honda.K首次發現光催化化降解水中有機物，目前該項技術在理論和實際應用中都取得較大的發展。這種方法與傳統水處理技術中以污染物的分離、濃縮以及相轉移等為主的物理方法相比，具有明顯的節能、高效、污染物降解徹底等優點。光催化降解處理有機污染物的機理通常被認為是：當半導體材料吸收的光能高于一定能量時，就會被激發而與水、電子及溶解氧發生反應，分別產生了HO-和由于 HO-和O-都

2具有強氧化性，從而促進有機物的氧化降解。

作為理想的光催化劑[3]，半導體材料具有價廉、無毒、穩定、作用時間長、可回收利用等特點。其中ZnO的綜合性能好于其它的半導體材料[4]，因此，選擇ZnO薄膜光催化降解水中有機污染是很有前景的水處理技術，作者嘗試性對此做了些淺顯探索。

1 儀器設備及試劑

電熱恒溫水浴鍋（上海醫療器械五廠）；HDV-7C晶體管恒電位儀（福建省三明市無線電二廠）；TG328B分析天平（上海天平儀器廠）；pHS-25C實驗室 pH計（上海理達儀器廠）；SRJX-4-13高溫箱式電阻爐（北京市永光明醫療儀器廠）；紫外燈（南京紫外電器有限責任公司（20W））；721E型可見分光光度計（上海光譜儀器有限公司）；213型鉑電極（上海精密儀器有限公司）；此外，本實驗還用到了砂紙、容量瓶、燒杯、比色管等。

Na3PO4、HNO3、HSO4、NaOH、HCL、NaNO3、K2SO4、甲基橙、Zn（NO3）2·6H2O（A.R.）。

2 實驗步驟

2.1 ZnO薄膜的制備[5]

采用自制的簡單電解池體系，鋅片做陽極，分別用Cu導電玻璃作為陰極，在恒電流的條件下沉積ZnO薄膜。

2.1.1 襯底的預處理 將金屬銅片依次用120～320目砂紙打磨，以自來水沖洗凈。接著用堿液（稱取2～3g Na2CO3和2～3g Na3PO4配置成50mL溶液）在70～80℃下除油15min，然后進一步酸洗去除襯底表面的氧化物，其酸洗溶液的成分及規范見表1。

表1 酸洗溶液的成分及規范Tab.1 The solution composition and norms

其中硝酸具有整平作用，少量鹽酸起光亮作用。處理時溫度必須嚴格控制。將銅襯底在酸洗液中浸1～3s后立即拿出，用大量蒸餾水沖洗后自然晾干以備用。2.1.2 沉積Cu基ZnO薄膜 本實驗用HNO3和KOH溶液控制pH值為5.5左右，采用兩電極體系，鋅片作為陽極，Cu片為陰極。電流不能過大，保持在3mA·cm-2以下為宜。電解液為用蒸餾水配置的濃度為 0.5～1.0mol·L-1Zn（NO3）2水溶液，電解池置于恒溫水浴槽中，沉積溫度為65℃，兩電極間距為2.5cm，沉積時間為15min。能沉積出晶粒非常小、表面較為光滑的ZnO層[6]。

2.2 利用Cu基ZnO薄膜催化降解甲基橙

2.2.1 甲基橙溶液最大吸收波長的測定與標準曲線的繪制

2.2.1.1 甲基橙溶液最大吸收波長的測定 配制25mg·L-1的甲基橙溶液，從波長390nm開始測吸光度，其數據見圖1和表2。

圖1 甲基橙最大吸收波長的測定Fig.1 Determination ofmaximum absorption wavelength of methyl orange solution

表2 甲基橙溶液最大吸收波長的測定Tab.2 Determination ofmaximum absorption wavelength of methyl orange solution

由圖1可得甲基橙溶液在458nm處有最大吸收。

2.2.2.2 甲基橙溶液的標準曲線 在10個25mL的比色管中分別加入 0.0、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、15.0、20.0、25.0mL甲基橙標準使用液（25mg·L-1），用蒸餾水稀釋至標線，在458nm下用721分光光度計分別測其吸光度見表3和圖2。

表3 甲基橙溶液的C-A測定Tab.3 C-A determination ofmethyl orange solution

圖2 甲基橙標準曲線的測定Fig.2 Determination ofmethyl orange standard curve

得到的標準方程和相關系數：

式中 y：甲基橙吸光度；x：甲基橙溶液濃度，mg·L-1。

理論上去除率=（原始濃度-處理后濃度）/原始濃度×100%，但從上面所做的甲基橙標準曲線說明吸光度和濃度基本呈線性關系。因此，后續實驗中去除率可以用吸光度的變化來表征，即去除率=（原始吸光度-處理后吸光度）/原始吸光度×100%，可用公式表示為:去除率=（A0-At）/A0×100%。

2.2.2 pH值對甲基橙紫外光降解的影響 本實驗通過NaOH溶液和稀HCl調節pH值,采用Cu基ZnO薄膜，于石英容器中加入25mg·L-1的甲基橙溶液40mL，在紫外光下照射2h，每30min取一次樣，用721型分光光度計測其吸光度。計算出去除率，考察其變化對甲基橙降解的影響，實驗結果見表4和圖3。

表4 pH值對甲基橙去除的影響（銅基體）Tab.4 pH value on the influence ofmethyl orange removal（Coppermatrix）

圖3 pH值對甲基橙去除的影響(銅基體)Fig.3 pH value on the influence ofmethyl orange removal（Coppermatrix）

由圖3的曲線可以發現，甲基橙在酸性和中性條件下的降解率高于在堿性條件下，而在酸性條件下略高于中性條件下。即ZnO薄膜在不同pH值下的光催化效果：酸性＞中性＞堿性。

此外，在無紫外光照射下，用銅基ZnO薄膜處理甲基橙2h。實驗發現，甲基橙去除率均小于2%，這就說明甲基橙的去除主要是紫外光催化的結果。

3 結論

本實驗用陰極電化學沉積的方法在銅沉積ZnO薄膜，實驗發現在溫度為65℃條件下，Zn（NO3）2濃度 1mol·L-1，pH 值 5.5，電流密度 3mA·cm-2時可在銅基體上沉積出光滑致密的ZnO薄膜。

用沉積得到的ZnO薄膜紫外光催化降解甲基橙，發現銅基的ZnO薄膜具有明顯的光催化性能。探討了甲基橙初始濃度、pH值對甲基橙降解過程的影響。從實驗結果可以得出甲基橙在偏酸性條件下的降解率較高。

利用ZnO薄膜紫外光催化降解水體中的有機污染物是一項非常有前景的水處理技術，但還沒有廣泛應用于實際中，有待于進一步完善。

［1］陳士夫，梁新，等.空心伯利微球負載TiO2光催化降解有機磷農藥［J］.感光科學與光催化，1999,17（1）：85-91.

［2］胡清，王怡中，湯鴻霄.多相光催化氧化的理論與實踐發展［J］.環境科學進展，1995,3（1）：55-62.

［3］左國防，楊聲，王小芳.太陽光-二氧化鈦催化降解水中有機污染物的研究［J］.天水師范學院學報，2001,21（2）:42-43.

［4］李秀艷,劉平安,曾令可,等.納米 ZnO光催化降解甲基橙研究［J］.分析測試學報，2007,26（1）:38-41.

［5］王英連,孫汪典.ZnO薄膜光催化降解苯酚實驗［J］.化學工程，2006,34（3）:39-42.

［6］陳志剛,唐一文,張麗莎,等.氧化鋅薄膜的電化學沉積和表征［J］.物化學學報，2005,21（6）:612-615.

Degradation of organic pollutants in water catalyzed by copper-based zinc oxide film under UV

YAN Sheng

（Shanxi Petrochemical Engineering College,Xi'an 710061,China）

1002-1124（2011）07-0034-03

2011-04-25

閆 盛（1971-），女，陜西咸陽人，講師，1995年畢業于西北大學，現就職于陜西省石油化工學校環境工程系，從事教學工作。