云母鋅光催化劑的研制與應用

王靜

摘要：納米ZnO作為一種新型功能半導體材料具有一般ZnO產品無法比擬的特殊納米材料性能，如其獨特的顏色效應、高效的光催化作用。而用于光催化劑的納米ZnO，可采用優良載體材料做成懸浮負載型光催化劑，使其具備懸浮性催化劑的高效性，又可順利回收。本研究對云母鋅的鍍膜條件進行了優化，水浴溫度為60℃，云母與ZnSO4·7H2O質量比為1：3，反應時間為3h時，所制得產物的催化性能最好。

關鍵詞：納米ZnO；白云母；光催化劑；再生

一、實驗部分

1納米ZnO/云母復合材料的制備

云母的預處理

取30g白云母于研缽內，研磨10-20min，將研磨后的云母轉入500ml燒杯內，加入50ml1mol/L的鹽酸和150ml去離子水，攪拌。將恒溫磁力攪拌器的溫度調至60℃，放入燒杯，加熱攪拌10-15min。加熱完畢，倒出酸液，用去離子水沖洗云母，洗至電導率在100μs/cm以下，沖洗完畢放入電熱恒溫鼓風干燥箱內，烘干溫度為90℃。烘干后取出云母，備用。

納米ZnO/云母制備反應

（1）用電子天平分別稱取16g ZnSO4·7H2O，和3g經過與處理的白云母，用量筒量取200ml陰離子樹脂于1000ml燒杯中。

（2）將ZnSO4·7H2O置于燒杯中加入200ml去離子水溶解，倒入云母攪拌。

（3）設置恒溫磁力攪拌器溫度，使水溫升至60℃。

（4）將盛有樹脂的燒杯放入水浴鍋內，加入轉子，并將ZnSO4與云母混合物緩慢倒入樹脂中，反應3h。

（5）停止加熱，用濾網將樹脂與產物分離，待產物沉降后倒出上清液。將產物放入電熱恒溫鼓風干燥箱內烘干，烘干溫度為90℃。

（6）烘干后取出產物，放入瑪瑙研缽，研磨20-30min，研磨后放入袋內，標記藥品用量及反應時間，待分析。

（7）變換ZnSO4·7H2O的用量，以及水浴攪拌的時間，重復以上步驟。

2光催化性能的測定

（1）準確稱取0.120g云母鋅和0.004g甲基橙于燒杯中，放入超聲波清洗器使其呈懸浮狀。

（2）測其吸光度，測定光催化前的COD。

（3）放入轉子，將其置于磁力攪拌器水浴鍋中，水浴溫度為15℃。

（4）打開紫外燈，避光照射4h。

（5）反映結束后，再次測定其吸光度和上清液的COD。

（6）畫圖比較光催化前后其吸光度的變化，計算光催化的顏色去除率，比較光催化前后的COD，計算COD去除率。

二、實驗結果與討論

1物料比的影響

紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）分析

當云母質量為3g，ZnSO4·7H2O質量分別為14g、15g、16g、18g，在相同反應時間時，所制得納米ZnO/云母復合材料。復合材料在紫外區250nm處有吸收峰，說明其在此處對紫外線有很強的吸收特性。隨著波長的增加，吸光度隨著減小，即其對可見光的吸收逐漸降低。

當質量比為3：15時其吸光度最大，即其紫外吸收性能最好，而其質量比為3：18時，吸光度最小，紫外吸收性能最差。

COD及顏色去除率評價

云母與ZnSO4·7H2O質量比為3：15，光催化前后的COD去除率和顏色去除率都最大。

綜上分析，在反應時間，反應溫度相同條件下，當云母與ZnSO4·7H2O質量比為3：15時，制得的納米ZnO/云母的光催化性能最好，又15gZnSO4·7H2O可生成4.2gZnO，即云母與ZnO的質量比為3：4時，制得產物的光催化效果最好。

2鍍膜反應時間影響

紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）分析

在云母與ZnSO4·7H2O質量比同為3：15，反應溫度同為60℃，反應時間分別為2h、3h、4h時制得納米ZnO/云母復合材料，反應時間為3h時吸光度最大，即其紫外吸收性能最好，而反應時間為4h時，吸光度最小，紫外吸收性能最差。

COD及顏色去除率評價

在云母與ZnSO4·7H2O質量比同為3：15，反應溫度同為60℃，反應時間為3h時制得的納米ZnO/云母復合材料，光催化前后的COD去除率和顏色去除率都最大。綜上分析，在云母與ZnSO4·7H2O質量比相同，反應溫度相同條件下，反應時間為3h時，制得的納米ZnO/云母復合材料的光催化性能最好。

再生結果分析

本實驗使用濕機械化學-離子交換再生法。催化劑、樹脂、水、氣體通過抽氣泵實現三相攪拌，催化劑在床層中產生劇烈的摩擦，表面附著顆粒層密度顯著減少，并促進催化劑表面吸附的例子和沉積物轉移到樹脂上，同時，光催化劑表面在機械力的作用下發生轉換，從而隨著催化劑上的中間產物和樹脂上羥基的交換，使光催化劑的光催化性和表面結構得到恢復。樹脂劇烈摩擦產生的碎片帶有很大能量，可以瞬間轉移到云母鋅上，改變其極性，使其分散性得到很大的改善，有利于光催化過程。

失活的云母鋅復合材料經過再生后，與定量甲基橙配成200ml混合溶液，進行紫外照射，使其再次失活，紫外照射前后對混合溶液進行COD測定，并進行催化劑的COD單位去除量。

納米ZnO/云母經過4次再生后，云母鋅的COD去除量并未有明顯降低；納米ZnO/云母中云母與ZnO的質量比為3：4，經計算當中ZnO的COD單位去除量基本不變。綜上，說明再生產物的光催化性能比較好，與原產物相比未發生較大變化，再生實驗較成功。

三、結論

以離子交換樹脂作為交換絡合劑，以ZnSO4·7H2O和層狀云母為原料，在水浴條件下制備納米ZnO/云母復合材料，對鍍膜條件進行了優化；并對其光催化性能進行了評價；最后還對失活的納米ZnO/云母復合材料進行了循環再生。

云母與ZnSO4·7H2O質量比為1：3的溶液，與陰離子交換樹脂混合，在60℃的水浴中攪拌，反應時間為3h的條件下制備了納米/云母復合材料。

甲基橙的特征峰，分別是290nm和465nm。290nm出的吸收峰是由苯環共軛體系產生的，一般較難降解；而465nm處的吸收峰是由甲基橙的偶氮雙鍵顯色集團產生的，一般較容易配降解。納米ZnO/云母復合材料在弱堿性條件，紫外燈照射4h下光催化性能良好，其顏色去除率最大可達96%，COD去除率可達83%。endprint