負載型二氧化鈦光催化劑對染色廢水光催化降解性能的研究

陶 然，姚 平

(蘇州經貿職業技術學院，江蘇 蘇州 215009)

1 引言

染色廢水由于其成分復雜、濃度高、色澤深、可生化性差等特點，為難處理工業廢水之一[1]。目前常用的廢水處理方法如化學氧化法、生物法、物理化學法等對染色廢水的處理效果都存在一定的局限性[2]。光催化氧化降解技術是具有發展前景的水處理技術，而二氧化鈦光催化劑因其無毒廉價、催化效率高等優點而受到廣泛的關注[3]。但二氧化鈦光催化反應體系為均相反應體系，如何實現光催化劑與廢水的有效分離是需要解決的問題。

本文使用負載型二氧化鈦光催化劑與紫外光燈組成非均相光催化體系，選用酸性紅18和活性紫145兩種染料溶液來模擬染色廢水，討論光催化劑對這兩種染料溶液的催化降解情況，并進行相關動力學分析，比較兩種染料的光催化降解性能。

2 實驗材料和方法

2.1 實驗材料

本文所用負載型二氧化鈦光催化劑為實驗室自制，兩種染料分別為：酸性紅18(市售)和活性紫145(市售)。

2.2 實驗儀器與方法

2.2.1 實驗儀器

本文所用實驗儀器包括：TU-1901型紫外-可見分光光度計(北京普析通用儀器有限責任公司)、賽多利斯電子天平(BSA224S，德國)，酸度測試儀(WTW pH3310，德國)，集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(DF-101S，力辰科技)，石英紫外線殺菌燈(市售)等。

2.2.2 實驗方法

模擬染料溶液的配制：分別使用酸性紅18和活性紫145染料溶液來模擬酸性染料染色和活性染料染色的廢水，兩種染料的濃度都為100 mg/L。具體配置方法如下：正確稱取0.1 g染料，并加入1000 mL自來水，所得溶液即為模擬染色廢水。

光催化降解實驗：在1000 mL的模擬染色廢水(酸性紅18或活性紫145染料溶液)中加入一定量的光催化劑(0.5 g)，在磁力攪拌的條件下吸附30 min，然后開啟紫外光進行光催化降解反應，間隔一定的時間取樣，并測定其吸光度。

3 結果與討論

本文首先討論了負載型二氧化鈦光催化劑對酸性紅18染料的催化降解性能。酸性紅18染料為單偶氮型酸性染料，可用于錦綸或者蠶絲織物的染色。經光催化降解后，酸性紅18染料溶液吸光度隨光催化反應時間的變化情況如圖1所示。從圖1中可知，酸性紅18染料溶液在200 nm～700 nm波長范圍內存在三個比較明顯的吸收峰，其中在508 nm處的吸收峰為酸性紅18染料的特征吸收峰。隨著反應時間的增加，酸性紅18染料溶液的特征吸收峰呈現逐漸下降的趨勢，這說明酸性紅18染料的分子結構得到不斷的氧化降解。經過130 min的光催化降解后，酸性紅18染料的溶液的吸收峰基本得到消除。

為了確定酸性紅18染料溶液隨反應時間的色度去除情況，對各個時間段提取的染料溶液樣品進行可視化表征，具體結果如圖2所示。從圖2中可以明顯的看到，隨著反應時間的增加，酸性紅18染料溶液的顏色逐漸消失。經過130 min的光催化降解后，酸性紅18染料溶液的顏色基本為無色透明，取得了良好的光催化降解效果。

圖1 酸性紅18染料溶液吸收度隨光催化反應時間的變化圖

圖2 酸性紅18染料溶液的顏色隨反應時間的變化圖注：A—0 min；B—5 min；C—10 min；D—25 min；E—40 min；F—55 min；G—70 min；H—100 min；I—130 min

本文還測定了光催化劑對活性紫145染料溶液的光催化降解效果，所得實驗結果如圖3所示。從圖3中可以看到，活性紫145染料溶液在200 nm～700 nm波長范圍內也存在三個比較明顯的吸收峰，其中560 nm處的吸收峰為其特征吸收峰。隨著反應時間的增加，活性紫145染料溶液的特征吸收峰也呈現逐漸下降的趨勢，經過130 min的反應后，特征吸收峰的峰高得到了很大的下降，但沒有全部消除，這說明活性紫145染料溶液沒有得到完全的光催化降解。而活性紫145染料溶液的顏色隨反應時間的變化情況如圖4所示，從圖4中也可以看到活性紫145染料溶液的顏色隨著反應時間的增加呈現出變淺的趨勢，但經過130 min的光催化反應后，活性紫145染料溶液仍然為比較明顯的紫色，色度的去除程度有限。

圖3 活性紫145染料溶液吸收度隨光催化反應時間的變化圖

圖4 活性紫145染料溶液的顏色隨反應時間的變化圖注：A—0 min；B—5 min；C—10 min；D—25 min；E—40 min；F—55 min；G—70 min；H—100 min；I—130 min

為了量化表征酸性紅18和活性紫145的光催化降解情況，以兩種染料溶液吸光度的下降程度(特征吸收峰所對應的吸光度)來表示染料的去除效率，所得結果如圖5所示。從圖5中可以看到，酸性紅18和活性紫145染料溶液隨反應時間的增加，去除百分率呈現不斷上升的趨勢，并且前25 min時間內兩種染料溶液的去除效率基本相同。但隨著反應時間的進一步增加，酸性紅18染料溶液的去除效率更高，經過130 min反應后，酸性紅18的去除百分率為99.1%，而活性紫145的去除百分率僅為78.2%，兩種染料溶液存在一定的差異。

圖5 酸性紅18和活性紫145染料溶液的去除百分率與時間的關系曲線

為了進一步量化催化降解的速率，本文使用假一級反應動力學方程來描述催化降解過程。假一級反應動力學方程如下所示：

LnA=ln(At/A0)=-kt

式中：At為時間t時酸性紅18和活性紫145染料溶液在特征吸收波長條件下的吸光度；A0為初始酸性紅18和活性紫145染料溶液在特征吸收波長條件下的吸光度；k為反應速率常數(min-1)；t為反應時間(min)。

酸性紅18和活性紫145染料溶液的LnA與時間的關系曲線如圖6所示。從圖6中可以明顯地看到，在光催化氧化條件下，兩種染料都發生了降解，酸性紅18染料溶液氧化降解的反應速率常數為0.0344(min-1)，而活性紫145染料溶液氧化降解的反應速率常數為0.0134(min-1)，酸性紅18染料溶液的氧化降解速率約為活性紫145染料溶液的2.5倍，降解速率更快。

圖6 酸性紅18和活性紫145染料溶液的LnA與時間的關系曲線

4 結語

本文討論了負載型二氧化鈦光催化劑對酸性紅18和活性紫145兩種染料的光催化降解情況，經過實驗討論得知：在紫外光燈照射的條件下，負載型二氧化鈦光催化劑實現了對酸性紅18和活性紫145兩種染料溶液的光催化氧化降解，兩種染料的去除百分率分別為99.1%和78.2%；通過反應動力學分析，酸性紅18染料溶液的光催化氧化降解速率更高，約為活性紫145染料溶液的2.5倍，經過130 min的反應后，酸性紅18染料溶液基本呈現無色透明的狀態。