復合光催化劑T i O2/麥飯石光催化降解氨氮應用研究

杜艷華 張克偉（黑龍江昊華化工有限公司,黑龍江 齊齊哈爾 161000）

近30年來研究表明，半導體多相光催化處理污染廢水，能耗低、操作簡便、反應條件溫和、無二次污染等突出優(yōu)點，具有廣闊的應用前景[1，2]。此領域的新技術發(fā)展及應用于光催化降解環(huán)境污染物日益受到重視。目前已有一些研究者選擇了包括陶瓷、多孔硅膠等作為載體，來研究二氧化鈦的固化，利用復合物多孔的比表面積和強吸附性來增強其光催化活性。天然麥飯石在我國分布資源豐富，具有很強的物理吸附性能和離子交換性能[3]，有研究顯示它能吸附水中大量有毒物質(zhì)，同時可以在水中溶出一些對水生生物有益的微量元素。

隨著我國經(jīng)濟建設的發(fā)展，氨氮污水排放量近年急劇上升。據(jù)中國環(huán)境狀況公報(2009年)，氨氮成為長江的首要污染物，同時也是黃河、珠江、松花江、海河和遼河的主要污染物，氨氮作為一項新增的減排約束指標被列入了“十二五”規(guī)劃，控制氨氮排放量已經(jīng)成為改善水體水質(zhì)的關鍵。在此宏觀背景下，光催化技術去除水中氨氮的應用研究也得到更為廣泛的關注。

1 復合光催化劑TiO2/麥飯石樣品的制備

分稱取一定量的天然麥飯石樣品若干份（60目），采用溶膠-凝膠法將二氧化鈦負載于其表面，再經(jīng)不同條件熱處理后得到復合光催化劑TiO2/麥飯石樣品若干份。取上述樣品進行光催化有機染料性能測試，本研究選取測試效果最佳樣品。

2 氨氮降解率最優(yōu)條件的確定

影響光催化處理氨氮廢水的因素很多，由前期實驗觀察，結合實際情況，在反應體系中選取對氨氮降解效率產(chǎn)生較大影響的實驗條件：包括pH值、氨氮初始濃度、反應時間、催化劑用量、外加氧化劑用量等等，將這些變量作為實驗需要考察的影響因子，再結合實際選擇具有代表性的三個水平條件，進行L9（34）正交實驗設計，完成實驗并根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析上述各因子對光催化降解率的影響顯著程度，進一步優(yōu)化反應條件。配制的不同濃度的氨氮溶液100mL，加入負載TiO2/麥飯石復合催化劑，按照設計方案控制系列反應進行，采用納氏比色法測定降解反應后剩余氨氮濃度。在反應進行60 min后，氨氮降解率迅速提高，到達150 min之后降解率趨于平穩(wěn)。從實用化角度出發(fā)，反應時間不宜過長，本研究確定的反應時間控制在200 min之內(nèi)。本實驗在室溫21℃下進行。

對上述正交實驗采用極差值分析法，可以確定各因子影響程度由強及弱排序為初始pH值＞紫外作用時間＞催化劑用量＞H2O2用量。同時也可以判斷本研究條件下去除氨氮的相對最優(yōu)條件是：pH值為10、催化劑用量為3g/L、H2O2(30%)用量為2mL、反應時間是180 min。當四項因素指標在各自水平范圍內(nèi)波動時(pH值取8-12、催化劑1-3g/L、H2O22-6 mL、反應時間120-240 min)，各個因子的影響力由強到弱排序為：pH值、反應時間、催化劑投加量、H2O2添加量。

3 降解廢水中氨氮應用

由從以上實驗結果，可以得出復合光催化劑負載TiO2/麥飯石降解氨氮在本研究下的最佳反應控制條件。在此最佳條件下，對100mL的某企業(yè)工業(yè)廢水水樣（經(jīng)實測氮氮濃度為38.7mg/L）進行光催化降解試驗，在反應進行150min時測得氨氮濃度為17.5 mg/L，180min時氨氮濃度為7.2 mg/L（氨氮去除率81%）?？梢?，《經(jīng)復合光催化劑負載TiO2/麥飯石處理后的廢水樣品殘余氨氮濃度，能夠達到《污水綜合排放標準》(GB8978—1996)中規(guī)定的氨氮一級排放標準為15mg/L，，體現(xiàn)了該最優(yōu)條件的有效性和可靠性。

4 結語

復合光催化劑負載TiO2/麥飯石用于降解低濃度氨氮，在反應初始階段降解率較高，反應達一定時間后降解趨緩；pH值對降解過程有重要影響：當pH≤7時降解反應幾乎不發(fā)生，氨氮主要以NH4+形式存在于水溶液中，pH＞7時，隨著pH值在一定范圍的增大，對氨氮降解率逐漸增加，NH3是此時氨氮的主要存在形式；光催化劑用量存在相對適宜范圍：當催化劑用量低于臨界值，不足以用于降解氨氮，降解不明顯；當催化劑用量高于臨界值，降解率也會下降，這是由于溶液濁度過高導致反應體系的透光率下降，影響光催化反應進行。通過設計正交實驗四因素三水平L9（34），可以確定本研究范圍內(nèi)最優(yōu)實驗條件：pH值10、催化劑投加量3g/L、H2O2(30%)投加量2mL、反應時間180min。

[1]K.chiang,R.amal,T.Tran.photocatalytic oxidation of cyanide kinetic and mechanistic studies[J].Jouranl of molecular catalysis A:Chcmical,2003,193:285-297.

[2]葉映雪.人造沸石負載二氧化鈦薄膜光催化降解酸性湖藍A和酸性橙Ⅱ的研究[J].光譜實驗室,2003,20(1):62-66.

[3]王浙臨.化學通報,1988,(9):31-32.