SnO2 / 鈦酸鈉納米管降解甲基橙的影響因素分析

摘要：以SnO2/鈦酸鈉納米管為催化劑對甲基橙進(jìn)行光催化降解，研究甲基橙濃度、溶液pH、光源、催化劑用量、循環(huán)次數(shù)及光照時間對降解率的影響。結(jié)果表明，在甲基橙濃度為5 mg/L、pH 5.15、溶液體積為50 mL時投加0.03 g的催化劑，紫外光照射80 min后，甲基橙的降解率達(dá)到96.4%。

關(guān)鍵詞：SnO2/鈦酸鈉納米管；光催化降解；甲基橙；影響因素

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）10-2299-03

近幾十年來，隨著紡織工業(yè)的發(fā)展，大量染料廢水引起的水體污染越來越嚴(yán)重，直接危害著人類的健康與生存[1]。染料廢水由于含有大量的有機物，并且存在毒性大、難降解的弊端，因此是近年來研究的一個熱點問題。甲基橙是染料廢水中存在的一種典型的有機物，很難用生物法降解。由于光催化技術(shù)能夠利用太陽光將有機物直接降解，因此，該技術(shù)逐漸引起環(huán)境工作者的關(guān)注[2，3]。鈦酸鈉納米管有大的比表面積，并且管狀結(jié)構(gòu)有利于電子-空穴對的分離[4-8]，同時由于SnO2與鈦酸鈉納米管的能級匹配，二者進(jìn)行復(fù)合將進(jìn)一步加強電子和空穴的分離效率，提高光催化效果。鑒于此，以SnO2/鈦酸鈉納米管為光催化劑對甲基橙進(jìn)行降解，并對影響降解率的因素進(jìn)行了研究，以期為環(huán)境凈化提供新的功能材料。

1 材料與方法

1.1 SnO2/鈦酸鈉納米管催化劑的制備

參考文獻(xiàn)[9]的方法制備鈦酸鈉納米管。將鈦酸鈉納米管超聲分散到400 mL去離子水中，再加入適量的SnCl2·H2O，磁力攪拌反應(yīng)2 h后滴加一定量的氨水。繼續(xù)反應(yīng)12 h，經(jīng)過濾后用去離子水反復(fù)清洗，于90 ℃干燥6 h制得SnO2/鈦酸鈉納米管。

1.2 光催化性能測試

取一定量的SnO2/鈦酸鈉納米管加入到一定初始濃度的50 mL甲基橙溶液中，光照一定時間后，離心分離，取上清液用722型紫外-可見分光光度計測定樣品的吸光度。甲基橙的降解率用下式計算：

降解率=■ （1）

分別在不同的甲基橙初始濃度、溶液pH、光源、催化劑用量、循環(huán)次數(shù)及光照時間下測定催化劑對甲基橙的降解率。

2 結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

為了用分光光度法測定光催化后溶液中甲基橙的濃度，繪制的甲基橙標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1，其回歸方程為■=0.072 6x+0.118 0，r2=0.999 3。

2.2 甲基橙初始濃度對降解率的影響

為了考查甲基橙初始濃度對光催化效果的影響，繪制了甲基橙降解率隨初始濃度變化的關(guān)系曲線如圖2。由圖2可知，甲基橙初始濃度越高，甲基橙的降解率越低；甲基橙初始濃度越低，甲基橙的降解率越高。這可能是因為甲基橙初始濃度較高時，大量的甲基橙分子吸附在催化劑的表面，使催化劑表面的活性位置減少，因此，甲基橙初始濃度較高時光催化效率較低；當(dāng)甲基橙初始濃度較低時，甲基橙分子與催化劑表面有充分的接觸機會，因此，此時的降解率較高。當(dāng)甲基橙初始濃度為5 mg/L時，甲基橙的降解率最高，因此，選擇5 mg/L為試驗的甲基橙最佳初始濃度。

2.3 光源對甲基橙降解率的影響

為了選擇最佳光源，采用紫外燈、太陽光、日光燈和暗態(tài)進(jìn)行光催化降解甲基橙對比試驗，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，在無外界光源即暗態(tài)情況下，甲基橙的降解率幾乎為零，即催化劑在暗態(tài)下對甲基橙沒有催化效果。甲基橙在太陽光和日光燈照射下的降解率遠(yuǎn)小于在紫外燈照射下的降解率，這主要是因為所用的催化劑為寬帶隙半導(dǎo)體材料，只對紫外光有吸收，而對可見光沒有響應(yīng)，而太陽光和日光燈照射下的紫外光強度有限，因此，太陽光和日光燈照射下甲基橙的降解率不高，因此，試驗中選擇紫外燈為最佳光源。

2.4 pH對甲基橙降解率的影響

圖4為在不同pH下甲基橙的降解曲線。從圖4可以看出，甲基橙的降解效果為弱酸>強酸>弱堿>中性>強堿。與李秀艷等[10]報道的結(jié)果相悖，導(dǎo)致這種差異的原因有待進(jìn)一步研究。當(dāng)pH 5.15時，甲基橙的降解率最高，因此，試驗中選擇溶液的pH 5.15。

2.5 催化劑用量對甲基橙降解率的影響

為了研究催化劑用量對甲基橙降解率的影響，圖5給出了甲基橙降解率與催化劑用量的關(guān)系曲線。從圖5可以看出，隨催化劑用量的增加，甲基橙的降解率增加，在催化劑用量為0.03 g時，光催化效果最好。主要是因為當(dāng)催化劑用量較少時，甲基橙分子不能與催化劑充分接觸，因此，降解率不高；當(dāng)催化劑用量增加時，甲基橙分子與催化劑表面接觸幾率增大，故此時降解效果較好。鑒于此，試驗中選擇催化劑用量為0.03 g。

2.6 光照時間對甲基橙降解率的影響

綜合前面的試驗結(jié)果，選擇最佳的試驗條件，即甲基橙初始濃度為5 mg/L、pH 5.15、溶液體積為50 mL時投加0.03 g的催化劑，紫外光照射條件下研究甲基橙的降解率與光照時間的關(guān)系，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，甲基橙的降解率隨光照時間的增加而增加，光照80 min時，甲基橙的降解率達(dá)到96.4%。

2.7 催化劑重復(fù)使用活性的測定結(jié)果

為了研究回收后的催化劑對甲基橙的降解效果，圖7給出了甲基橙的降解率隨催化劑循環(huán)使用次數(shù)變化而變化的關(guān)系。從圖7可以看出，循環(huán)8次后，催化劑的光催化活性較第一次使用時降低了1.3%，說明該催化劑的活性穩(wěn)定，表現(xiàn)出良好的可回收再利用性。

3 結(jié)論

試驗結(jié)果表明，當(dāng)溶液pH 5.15、甲基橙初始濃度為5 mg/L、催化劑的投加量為0.03 g時，紫外光照射80 min后甲基橙的降解率達(dá)到96.4%；該催化劑活性穩(wěn)定，可以多次回收利用。因此，SnO2/鈦酸鈉納米管光催化材料在環(huán)境凈化方面具有廣闊的發(fā)展前景。

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