WO3—ZnO復合膜光催化降解甲基橙工藝研究

孔德國　張紅美等

摘要：針對染料廢水引起的環境污染問題，以WO3-ZnO復合膜為催化劑對甲基橙進行光催化降解，研究了焙燒溫度、焙燒時間、復合膜的層數、甲基橙初始濃度、pH及光照時間對甲基橙降解率的影響。結果表明，3層復合膜于300 ℃焙燒2.0 h、甲基橙初始濃度為10 mg/L、pH 11.15時，光催化降解甲基橙效果最好，在此條件下，光照60 min時甲基橙降解率達到99.8%。

關鍵詞：WO3-ZnO復合膜；甲基橙；光催化

中圖分類號：O643 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）09-2038-03

隨著紡織工業的大力發展，染料廢水引起的環境污染問題越來越嚴重，嚴重危害著人類的生產和生活[1]。在新疆地區，紡織工業的發展為當地經濟的發展帶來了巨大的發展空間，但是隨之而來的染料廢水處理也成為制約經濟發展的一個關鍵因素。染料廢水具有所含有機物種類繁多、毒性大、難降解的特點。傳統處理染料廢水的方法主要有物理法、生化法和化學法，但是降解效果并不理想。光催化技術由于可以直接利用太陽光[2]，并且能耗低、設備簡單，因而成為近年來處理工業廢水的一個研究熱點。TiO2是目前研究較為成熟的一種光催化劑，主要是因為該材料具有穩定性高、無二次污染等優點，但是最近的研究發現，ZnO的光催化活性比TiO2高[3-5]。由于ZnO表面產生的電子-空穴對容易復合，在一定程度上影響了其光催化效果，而WO3能級與ZnO能級匹配，二者復合可增加電子-空穴對的分離效率，提高光催化活性。但是顆粒狀的催化劑存在回收困難的問題。鑒于此，利用WO3-ZnO復合膜對甲基橙進行光催化降解，主要研究了焙燒溫度、焙燒時間、復合膜層數、甲基橙初始濃度、pH、光照時間等因素對降解率的影響，并通過對比光催化效果揭示WO3-ZnO復合催化劑對甲基橙降解的最佳工藝。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

試劑：醋酸鋅、乙醇、二乙醇胺、鎢酸鈉、鹽酸、草酸等均為分析純；蒸餾水為自制。

儀器：722N型可見分光光度計為上海精密科學儀器有限公司生產。

1.2 WO3-ZnO復合膜的制備及考察內容

2 結果與分析

2.1 焙燒溫度對甲基橙降解率的影響

將不同焙燒溫度（100、200、300 ℃）焙燒2 h的3層WO3-ZnO復合膜置于50 mL濃度為10 mg/L的甲基橙溶液（自然pH）中，考察焙燒溫度對甲基橙降解率的影響，結果如圖1所示。由圖1可知，隨焙燒溫度的升高，甲基橙的降解率也逐漸升高，這主要是因為隨著焙燒溫度的升高，WO3-ZnO復合膜中材料的晶粒尺寸也在增大[8]，ZnO納米粒子表面的氧空位隨晶粒尺寸的增大而增多[9]，氧空位一方面作為光生電子的捕獲中心能夠有效抑制電子-空穴的復合，另一方面氧空位促進ZnO對O2的吸附，由于氧空位捕獲的光生電子與吸附氧之間具有較強的相互作用，從而加速對甲基橙的氧化作用。因此，后續試驗選擇最佳焙燒溫度為300 ℃。

2.2 焙燒時間對甲基橙降解率的影響

2.3 復合膜層數對甲基橙降解率的影響

2.4 甲基橙初始濃度對降解率的影響

2.5 pH對甲基橙降解率的影響

2.6 光照時間對甲基橙降解率的影響

2.7 ZnO、WO3、WO3-ZnO對甲基橙降解率的比較

為了研究WO3對ZnO光催化活性的影響，圖7給出了在相同條件下的ZnO、WO3、WO3-ZnO對甲基橙降解率的對比圖。由圖6可知，單一的ZnO和WO3的光催化活性均小于WO3-ZnO復合膜的光催化活性。這主要是因為WO3和ZnO能級之間存在差異，當二者結合在一起時，ZnO導帶上的電子向WO3遷移，而空穴則從WO3向ZnO遷移，加強了電子-空穴對的分離，因此，二者復合有利于提高ZnO的光催化活性。

3 小結

WO3可以提高ZnO的光催化活性；提高焙燒溫度有利于提高催化劑的活性，而焙燒時間應控制在一定范圍內；堿性環境有利于提高復合膜對甲基橙的降解率；當甲基橙初始濃度為10 mg/L、pH 11.15時，光照60 min 3層復合膜對甲基橙的降解率可達到99.8%。

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