光催化反應動力學研究

劉姝 陳冰 倪延濤 李利 郭芳

（1.山東省濱州市環(huán)境保護科學技術研究所濱州市環(huán)境工程技術重點實驗室,山東濱州 256600;2.山東省特種設備檢驗院濱州分院,山東濱州 256600)

光催化反應動力學研究

劉姝1陳冰2倪延濤1李利1郭芳1

（1.山東省濱州市環(huán)境保護科學技術研究所濱州市環(huán)境工程技術重點實驗室,山東濱州 256600;2.山東省特種設備檢驗院濱州分院,山東濱州 256600)

反應動力學研究表明,無論在紫外光還是在模擬太陽光照射下TiO2、K2La2Ti3O10和H2La2Ti3O10對苯酚的氧化過程均符合一級表觀反應動力學規(guī)律,在紫外光下TiO2對苯酚的去除效果最好,而在模擬太陽光的照射下H2La2Ti3O10對苯酚的降解效果最好,優(yōu)于TiO2。

TiO2K2La2Ti3O10H2La2Ti3O10對苯酚 反應動力學規(guī)律 紫外光

光催化技術實現(xiàn)工業(yè)化的一個關鍵性問題就是反應器的選型和放大,這就離不開反應動力學的研究。目前,得到廣泛認可的光催化降解反應的動力學模型是Langmuir-Hinshelwood(L-H)模型[1],其方程為:

式中:r——反應物的總反應速率[mg/(L·min)];

Cs——反應物的濃度(mg/L);

t——反應時間(min);

kr——反應物的反應速率常數(shù)(min-1);

K——反應物在催化劑上的吸附常數(shù)

kr和K由反應體系中許多方面的因素決定,包括催化劑的用量、光照強度、反應物的初始濃度、反應溫度、反應物的物理性質(zhì)、氣相氧濃度等[2]。

當Cs非常低的時候,KCs＜＜1,這時KCs這一項就可以忽略不計,表觀反應速率將符合一級表觀反應動力學。而在反應開始的時候,t=0,Ct=C0,把這些條件代入式(1),方程式經(jīng)過變形可得:

式中:kapp——一級表觀反應動力學常數(shù)(min-1);

Ct——反應物給定時間的濃度(mg/L);

C0——反應物的初始濃度(mg/L);

t——反應時間,(min)

由此可知,ln(C0/Ct)-t為直線關系,表現(xiàn)為一級反應,而直線的斜率就是一級表觀反應動力學常數(shù)。然后,一級表觀反應動力學常數(shù)就可以用來計算總反應速率,進而比較不同條件下光催化反應的效率。

pH值會對光催化氧化反應產(chǎn)生一定的影響,有可能在強酸、強堿和弱酸性的條件下具有較高的去除效果。但是,強酸(pH=1)和強堿(pH=13)條件在實際應用中的意義不大,因此本實驗在弱酸性條件下建立反應動力學方程。由于苯酚的水溶液本身呈弱酸性(20mg/L的苯酚水溶液pH值為5.3),因此不需要再調(diào)節(jié)pH值,可直接進行實驗。

表1 紫外光下的反應動力學方程

表2 模擬太陽光下的反應動力學方程

表3 不同條件下光催化氧化苯酚的反應速率

1 紫外光催化反應動力學研究

量取200ml濃度為20mg/L的苯酚溶液于500ml燒杯中,加入一定量(TiO2用量為2g/L,K2La2Ti3O10和H2La2Ti3O10用量為3g/L)的催化劑,磁力攪拌,在紫外燈照射下反應150min,每隔30min取樣10ml,經(jīng)0.45mm的微孔濾膜過濾后測定苯酚的濃度,建立表觀反應動力學方程,反應動力學方程如表1所示。

2 模擬太陽光催化反應動力學研究

量取200ml濃度為20mg/L的苯酚溶液于500ml燒杯中,加入一定量(TiO2用量為2g/L,K2La2Ti3O10和H2La2Ti3O10用量為3g/L)的催化劑,磁力攪拌,在模擬太陽光照射下反應150min,每隔30min取樣10ml,經(jīng)0.45mm的微孔濾膜過濾后測定苯酚的濃度,建立表觀反應動力學方程,反應動力學方程如表2所示。

3 催化劑活性對比

由于光催化降解苯酚符合一級表觀反應動力學方程,因此反應動力學通式可以表示為。

式中:r——反應速率[mg/(L·min)];

k——反應速率常數(shù)(min-1);

[C6H5OH]——苯酚濃度(mg/L)由式3可以計算出各種不同條件下的光催化反應速率,結(jié)果如表3所示。

由實驗結(jié)果可知,在紫外光下TiO2對苯酚的降解效果最好,在模擬太陽光的照射下H2La2Ti3O10對苯酚的降解效果最好,優(yōu)于TiO2。

[1]J.Chen,D.F.Ollis,W.H.Rulkens,H.Bruning.Kinetic Processes of Photocatalytic Mineralization of Alcohols on Metallized Titanium Dioxide.Water Research,1999,33(5):1173-1180.

[2]魏宏斌,徐迪民,嚴煦世.二氧化鈦膜光催化氧化苯酚的動力學規(guī)律.中國給水排水,1999,(15):14-17.