TiO2-La2O3光催化降解食品工業(yè)廢水CODCr的研究*

程世聰，陳偉健，胡善鈞，李賽生，梁煒杰，張?jiān)S超，彭少洪

（廣州城市職業(yè)學(xué)院食品系，廣東 廣州 510405）

TiO2-La2O3光催化降解食品工業(yè)廢水CODCr的研究*

程世聰，陳偉健，胡善鈞，李賽生，梁煒杰，張?jiān)S超，彭少洪

（廣州城市職業(yè)學(xué)院食品系，廣東 廣州 510405）

采用溶膠-凝膠法制得不同焙燒溫度的TiO2-La2O3光催化劑，考察了光催化劑降低食品工業(yè)廢水溶液CODCr的光催化行為。發(fā)現(xiàn)La3+摻雜TiO2比純TiO2降解食品工業(yè)廢水溶液的效果要好，并且催化劑的焙燒溫度、摻鑭量與光催化活性間存在一定的關(guān)系，TiO2-La2O3光催化劑最佳焙燒溫度為500℃。最佳La2O3的摻雜量為0.3%。

TiO2-La2O3；光催化；食品工業(yè)廢水；CODCr

半導(dǎo)體氧化物TiO2對(duì)很多有機(jī)污染物催化氧化活性高，被廣泛用于光催化處理多種有機(jī)物，但是在實(shí)際應(yīng)用中，TiO2光催化效率還有待進(jìn)一步提高。近年來(lái)研究表明，在TiO2中添加過(guò)渡金屬離子可以進(jìn)一步改善其光催化性能［1-4］。因此本研究通過(guò)摻雜La3+對(duì)TiO2進(jìn)行表面修飾，制備了TiO2-La2O3光催化劑，制備模擬食品工業(yè)廢水作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，考察了TiO2-La2O3光催化劑降低食品工業(yè)廢水CODCr的光催化降解行為。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

125W高壓汞燈；自制的光催化反應(yīng)器；La2O3、Ti（OC4H9）4均為市售分析純?cè)噭?；試?yàn)時(shí)配制一定濃度的食品廢水作為目標(biāo)廢水，用葡萄糖、乙酸鈉、NH4Cl、NaHCO3、MgSO4·7H2O、CoCl2·6H2O 等按一定比例配成原始CODCr為693 mg/L的食品工業(yè)廢水溶液。

1.2 催化劑的制備

光催化劑的制備采用溶膠-凝膠法制備。A液：取17.0 mL鈦酸丁酯溶液溶于22.0 mL無(wú)水乙醇中。B液：2.0 mL去離子水、22.0 mL無(wú)水乙醇、5.0 mL冰醋酸的混合液。

將溶液緩緩滴加于A溶液中并不停地?cái)嚢瑁谛纬删鶆蛲该鞯亩趸伻苣z后未形成凝膠前，緩慢滴加按一定比例配置的La（NO3）3·6H2O的水溶液，形成凝膠后放置干燥24 h，然后研磨成粉于馬弗爐中高溫焙燒3 h，制得相應(yīng)溫度的不同摻雜量La3+的TiO2-La2O3光催化劑。

1.3 催化試驗(yàn)

在自制的光催化反應(yīng)器（見(jiàn)圖1）內(nèi)加入0.32 g光催化劑以及400 mL原始CODCr為693 mg/L的食品工業(yè)廢水溶液，用125 W高壓汞燈離廢水溶液液面10 cm處光照降解，每隔30 min移取約40 mL反應(yīng)液，離心機(jī)分離取上層清液采用重鉻酸鉀法測(cè)定其CODCr。食品工業(yè)廢水試樣的光催化CODCr降低率D=[（C0-C）/C0]×100%。上式中，C0為試樣光降解前的CODCr，C為光降解時(shí)間為t時(shí)試樣的CODCr。

圖1 懸浮體系光催化反應(yīng)裝置

2 結(jié)果分析

2.1 催化劑XRD表征

催化劑XRD采用日本理學(xué)D/max-ⅢA型X射線衍射儀，輻射源為CuKα，λ=0.154 18 nm，掃描范圍為20°～80°。圖2為沒(méi)有摻La3+的TiO2和TiO2-La2O3的XRD圖譜。由圖2可知，無(wú)論是未經(jīng)任何處理的TiO2，還是TiO2-La2O3光催化劑都是以銳鈦礦和金紅石2種晶形存在，它們的XRD衍射峰對(duì)應(yīng)的2θ值基本一致，而且TiO2-La2O3的XRD譜中沒(méi)有觀察到La2O3的衍射峰，但是可以看出TiO2-La2O3的XRD衍射峰強(qiáng)度還是略有增強(qiáng)，表明La3+修飾有利于提高銳鈦礦相結(jié)晶度。

圖2 光催化劑XRD圖譜

2.2 催化反應(yīng)性能評(píng)價(jià)

2.2.1 催化劑焙燒溫度的影響

光催化劑焙燒溫度對(duì)模擬食品工業(yè)廢水光催化降解的影響見(jiàn)表1。由表1知，焙燒溫度為500℃時(shí)光催化降解效果最好，光催化反應(yīng)1 h后，原始CODCr為693 mg/L的食品工業(yè)廢水溶液CODCr降到152 mg/L，降低率為78%。在600℃時(shí)CODCr降到229 mg/L，降低率為67%，隨著焙燒溫度升高光催化性能反而下降。這可能是由于過(guò)高的焙燒溫度使TiO2銳鈦礦相開(kāi)始部分變?yōu)榻鸺t石相，使光催化活性下降。焙燒溫度太低時(shí)，也不利于銳鈦礦相結(jié)晶度的提高，一般而言銳鈦礦相結(jié)晶度的提高將會(huì)有利于提高催化劑的光催化活性。

表1 不同焙燒溫度TiO2-La2O3光催化劑對(duì)食品工業(yè)廢水溶液CODCr的降低率（60 min）

2.2.2 La3+摻雜量的影響

表2是不同La3+摻雜量的TiO2-La2O3（500℃）催化劑對(duì)食品工業(yè)廢水溶液CODCr的光催化降低率?？梢钥闯觯?dāng)鑭摻雜量為0.0%時(shí)，TiO2（500℃）的光催化降解廢水CODCr降低率比TiO2-La2O3光催化劑都低，原始CODCr為693 mg/L的食品工業(yè)廢水溶液CODCr降到326 mg/L，降低率為53%。當(dāng)鑭摻雜量（物質(zhì)的量之比） 為0.3%時(shí)，TiO2-La2O3的光催化降解廢水CODCr最高，原始CODCr為693mg/L的食品工業(yè)廢水溶液CODCr降到152 mg/L，降低率為78%。有關(guān)研究結(jié)果表明，摻雜量也是影響光催化劑活性的一個(gè)重要因素。由于被降解底物與鑭元素的f軌道的配位作用，使鑭摻雜TiO2納米光催化劑催化活性有所提高。當(dāng)摻雜量過(guò)小時(shí)，無(wú)法形成足夠捕獲載流子的陷阱，不利于電子和空穴的分離。摻雜量過(guò)大時(shí)，多余的鑭沉積在TiO2表面，阻礙了電子和空穴向納米光催化劑表面的傳遞，使電子和空穴的復(fù)合率增大，從而引起催化劑光催化活性降低［5-6］。

表2 不同La3+摻雜量的光催化劑對(duì)食品工業(yè)廢水溶液CODCr的降低率（60 min）

3 結(jié)論

1） La3+摻雜TiO2光催化劑比未摻雜TiO2光催化劑對(duì)食品工業(yè)廢水溶液CODCr降解效果要好。

2） 采用溶膠-凝膠法制備TiO2-La2O3，焙燒溫度、La3+摻雜量均對(duì)催化劑光催化效果有影響。催化劑的焙燒溫度、La3+摻雜量與光催化活性間存在一定的關(guān)系，最佳焙燒溫度為500℃，最佳La2O3的摻雜量為0.3%，反應(yīng)60 min降低率達(dá)到78%。

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［3］ 林樂(lè)瑜，程永清，劉根起，等.鑭、銀離子摻雜對(duì)TiO2光催化活性的影響［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2010，27（5）：23-26.

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［5］ 陳芳，張麗，陸江林，等.La3+摻雜對(duì)TiO2催化降解染料廢水研究［J］.印染助劑，2011，28（11）：17-19.

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Photocatalytic Degradation of CODCrin Food Industry Wastewater by TiO2-La2O3

Cheng Shicong，Chen Weijian，Hu Shanjun，Li Saisheng，Liang Weijie，Zhang Xuchao，Peng Shaohong
（Department of Food，Guangzhou City Polytechnic，Guangzhou Guangdong 510405）

The photocatalystsofTiO2-La2O3in different calcination temperature were prepared by sol-gel method.The photocatalytic effect of decrease of CODCron the food industry wasterwater was investigated.It was found that the degradation result of the food industry wastewater with TiO2doped with La3+wasbetter than pure TiO2，and there wasa certain relationship between the calcinationstemperature of the catalyst，the amount of lanthanum and the activity of the photocatalytic activity.The optimum calcinationstemperature and doping oflanthanum sesquioxide（La2O3）were 500 ℃ and 0.3%respectively.

TiO2-La2O3；photocatalysis；food industry wastewater；CODCr

X703；O643.32

A

1005-8206（2017） 05-0040-03

2015年廣東省大學(xué)生“攀登計(jì)劃”科技創(chuàng)新培育項(xiàng)目；廣州市屬高校科研基金項(xiàng)目（10B012）

2016-08-19

程世聰（1996—），廣州城市職業(yè)學(xué)院14級(jí)食品生物技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生。

彭少洪，廣州城市職業(yè)學(xué)院食品系副教授，博士，主要研究方向?yàn)樗幚砑岸嘞啻呋?。E-mail:gzpsh2@126.com。