二氧化鈦光降解甲基橙的實驗研究

呂憶民，李夢晴，呂崔華

摘要：二氧化鈦（TiO■）作為一種催化劑已經得到了廣泛的應用，特別是在污水處理方面。本課題主要探究了用二氧化鈦（TiO■）光降解污水中的有機污染物甲基橙，并對其機理進行了探討。通過分析二氧化鈦（TiO■）的用量與甲基橙的用量比例、反應時間、pH值以及外界條件等因素對降解結果的影響，找到最佳的降解條件。實驗結果表明：在125W高壓汞燈的照射以及在磁力攪拌器的攪拌下，在強酸或強堿的條件下，當甲基橙：二氧化鈦=1∶1000時，可達到最佳降解率。

關鍵詞：二氧化鈦；光催化；降解

中圖分類號：G642.423 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）37-0231-02

隨著經濟與技術的發展，染料及印染行業生產規模不斷擴大，同時因為工業廢水具有成分復雜、色度高、排放量大、毒性大（其中含苯環、胺基、偶氮基團等致癌物質）、可生化性差等特點，一直是廢水處理中的一個難題。在眾多的光催化材料中，半導體TiO■因其性質穩定、易分離、耐光腐蝕、無毒的特性被應用在工業中。TiO■粒子具有能帶結構，一般由填滿電子的低能價帶和空的高能導帶構成價帶和導帶之間存在禁帶。當用能量等于或大于禁帶寬度（也稱帶隙，Eg）的光照射半導時，價帶上的電子（e-）被激發躍遷至導帶，在價帶上產生了相應的空穴（h+），并在電場作用下分離并遷移到粒子表面。本研究采用二氧化鈦（TiO■）光降解污水中的有機污染物甲基橙，并對其機理進行了探討。通過分析二氧化鈦（TiO■）的用量與甲基橙的用量比例、反應時間、pH值以及外界條件等因素對降解結果的影響，找到最佳的降解條件。

一、實驗

本研究所用到的藥品有甲基橙、粉末二氧化鈦、氫氧化鈉、鹽酸等；實驗儀器有分光光度計、磁力攪拌器、125W高壓汞燈、離心機。配制一定濃度的甲基橙溶液，用分光光度計在400～600nm之間的不同波長下測定此濃度甲基橙的分光光度值，分析得出甲基橙的最大吸收波長為462nm。在1mg/L～50mg/L的濃度之間配制一系列濃度梯度的甲基橙溶液，在甲基橙最大吸收波長下測得甲基橙的分光光度值，做出工作曲線。取每次實驗后待測的溶液，在離心機中分離之后，取上層清液，在最大波長下測得吸光光度值，根據工作曲線得出甲基橙的濃度，求解降解率。

二、實驗結果與討論

1.pH值對降解率的影響。取10mg/L的甲基橙為基液，按甲基橙：二氧化鈦為1∶1000投放二氧化鈦，改變其酸堿值進行實驗，后測得結果如下圖。

由數據分析可知，在強酸和強堿環境下甲基橙的降解率為最佳。這是由二氧化鈦光催化機理所決定的，羥基自由基是光催化反應的一種主要活性物質，對光催化氧化起決定作用，吸附于催化劑表面的氧及水合懸浮液中的OH-、H■O等均可產生該物質。在二氧化鈦吸附表面上的水時，反應機理表示為：TiO■+H■O→e- + h+，h+ +H■O→·OH+H+，h+ +→·OH。在強堿環境下會有大量的OH-產生，有利于·OH的形成；在二氧化鈦吸附表面的O■時，其機理可表示為：O■+e-→·O■-，·O■- + H+ →HO■·2HO■·→O■+H■O■，H■O■+O■- →·OH+OH- +O■。在強酸環境下會有大量的H+產生，由反應機理表達式可以看出，在大量的H+下有利于·OH的形成。在兩種情況下形成的大量的羥基自由基對整個催化氧化過程起著重要的作用。

2.甲基橙與二氧化鈦比例的影響。分別向10mg/的甲基橙溶液中加入不同比例的二氧化鈦，在pH為2的條件下，測得實驗結果如下所示：

由圖中可以看出在二氧化鈦用量大于0.7克時，即二氧化鈦與甲基橙之比大于1000時，甲基橙的降解率能達到90%以上，而且再增大二氧化鈦的用量降解率變化不明顯，而且略有下降。這是因為，整個光催化反應是在催化劑二氧化鈦表面上進行的，隨著催化劑用量的增加，反應活性位增加，降解反應速率也隨之增加，甲基橙降解率也隨著催化劑的增多而增多，但是定量的甲基橙進行光催化反應所需要的催化劑活性位是一定的，當催化劑的量超過甲基橙的所需量時，再增加催化劑的用量時將不會提高降解率，反而使降解率有所下降。

3.反應時間對降解率的影響。取50ml 10mg/L的甲基橙溶液，調節PH值為2，按照甲基橙與二氧化鈦1：1000的比例投放二氧化鈦，在高壓汞燈照射下邊攪拌邊分別反應，10min、20min、30min、40min、50min、60min后，取反應后溶液測得結果如下：

由圖可以看出，反應時間為30min時降解率基本上達到最大值，再增長反應時間時，降解率基本保持不變。

通過對以上數據進行分析可以得出甲基橙光催化降解的最優條件是：甲基橙與二氧化鈦以1∶1000的比例，在強酸或強堿條件下，在高壓汞燈照射下邊攪拌邊反應，可使降解率達到90%以上。

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