單缺位磷鎢酸鈉鹽光催化降解甲基紅的研究

晁俊

摘 要：本文以鎢酸鈉，磷酸氫二鈉為原料合成了活性較好的光催化劑單缺位磷鎢酸鈉鹽。以氙燈為燈源，選擇具有代表性的有機污染物甲基紅為降解對象，研究了催化劑投加量、pH值、甲基紅初始濃度對光催化降解效果的影響;實驗結果表明：一缺位磷鎢酸鈉鹽具有較好催化活性，當它在投加量為1.5g/L，甲基紅濃度為5mg/L，pH為1.5，在紫外光照射下催化反應60min時，甲基紅的降解率高達99.5%;

關鍵詞：單缺位磷鎢酸鈉鹽 合成 降解 甲基紅

目前，利用光化學法對污染的水進行環境修復和治理的基礎及應用研究十分活躍。具有代表性的是以TiO2為光催化劑破壞有機污染物，國內外學者都進行了廣泛而系統的研究[1-4]。用TiO2光催化降解有機污染物的最終產物可能是CO2、H2O和相關的各種無機離子（Cl - ?，NO3 – 等），然而，在某些情況下，由于形成了穩定的中間體，TiO2就不能徹底地將有機物礦化。近年來，具有與TiO2相似的分子材料引起了人們的極大關注，其中多酸（鹽）成為最熱門的話題，它包括同多酸（鹽）和雜多酸（鹽）等[5，6]。它既具有酸性又具有氧化還原性，催化活性高，選擇性好，反應條件溫和，無毒，不腐蝕設備等優點。是一類多功能催化材料，是一項處理工業廢水極具發展前景的新方法。本文以甲基紅溶液為難降解有機物廢水模型，一缺位磷鎢酸鈉鹽作光催化劑，同時把催化劑負載在陰性樹脂上，在可見光照射下進行光催化降解試驗的研究

一、實驗部分

1.主要儀器與試劑

光化學反應儀XPA系列; pHS-3C型pH計;TU-1901雙光束紫外可見分光光度計;BS/BT系列電子天平;DZF-6050型真空干燥箱;DHG-9070型電熱恒溫鼓風干燥箱。

甲基紅（AR）;高氯酸（AR）;硝酸（AR）;鎢酸鈉（AR）;磷酸氫二鈉（AR）;丙酮（AR）。

2.實驗方法

（1）單缺位磷鎢酸鹽的合成

參照文獻方法合成[7]，稱量0.22 mol（72.5g）二水合鎢酸鈉和0.02 mol（7.16g）十二水合磷酸二氫鈉，溶于150 - 200 mL 的水中，用濃硝酸調節溶液的pH = 4.8。將該溶液加熱至80 - 90℃，蒸發濃縮至原溶液的一半。冷卻后加入80 - 100 mL 的丙酮萃取，分離去上層丙酮液，重復用丙酮萃取，直至丙酮萃取液檢測不到硝酸根離子。在50℃條件下干燥，研磨得白色粉末產品。

（2）光解實驗

在光催化反應儀中放入一定濃度的甲基紅溶液和一定量的催化劑，在可見光照射下通過電磁攪拌使其受光輻射均勻，每間隔10min取樣分析。

（3）分析方法

試樣分析采用分光光度法，先用紫外可見分光光度計在紫外和可見光區域對甲基紅溶液進行全波段（190nm～900nm）掃描，確定甲基紅溶液的最大吸收波長為523nm，再用紫外可見分光光度計在此波長下測定抽取樣品的吸光度，通過脫色率的高低來判斷甲基紅的降解程度。試樣脫色率（DC）的計算公式為：

DC=[（A0-A）/A0]×100%

式中：A0為光照前試樣的吸光度;A是光照時間為t時試樣的吸光度。

二、結果與討論

1.催化劑的紅外光譜分析

對合成的樣品進行了紅外表征。Na7PW11O39的紅外光譜圖， 在1100-700cm-1范圍內出現Keggin型缺位雜多陰離子特有的紅外伸縮振動和反伸縮振動峰，其中四個主要的吸收帶，分別為1089cm-1，953 cm-1，859 cm-1，808 cm-1，歸屬為骨架伸縮振動和中心四面體振動。其數據與文獻表征十分相似，故合成的樣品確定為Keggin型缺位雜多酸鹽Na7PW11O39。

2.空白實驗

在其他條件相同的情況下，進行加催化劑無光照和光照不加催化劑的空白實驗.實驗結果表明，有催化劑無光照，甲基橙溶液不脫色;光照不加催化劑甲基橙溶液雖有脫色現象，但遠低于光催化脫色

3.單缺位磷鎢酸鹽對甲基紅的光降解效果。

（1）催化劑投加量對降解率的影響

取7份10mg/L的甲基紅溶液250mL，催化劑的濃度分別為0.5g/L、1.0 g/L、1.5g/L、2.0g/L、2.5g/L，7份溶液的pH值都調為2.0，進行光催化降解，每10 min取樣測其吸光度。隨著催化劑投加量的增大，甲基紅的脫色率不斷提高，但當投加量增大到一定程度后，再增大催化劑用量，甲基紅的脫色率反而逐漸減小，從實驗結果可得催化劑的最佳加入量是1.5g/L。

（2）甲基紅溶液pH值對降解率的影響

取四份10mg/L的甲基紅溶液250mL，催化劑濃度1.5g/L，分別調pH值為1.0、1.5、2、2.5，光照60min，每隔10 min取樣測其吸光度，計算降解率。從實驗結果可看出甲基紅溶液的脫色率隨酸性的增強而增大，但酸性達到一定程度后，再增強酸性降解率變小。當pH=1.5時，30min脫色率可達96.3%，60min降解率達到98.5%。

（3）甲基紅溶液的濃度對降解率的影響

在最佳催化劑用量及最佳pH值的條件下，以初始濃度分別為5 mg/L、10 mg/L、15 mg/L、20 mg/L、25 mg/L的甲基橙溶液，在催化劑用量為1.5 g/L，pH=1.5 的條件下進行光催化降解反應。從實驗結果可知甲基紅溶液的脫色率隨光照時間的增長而增大，同時隨著甲基紅溶液的初始濃度的增大，脫色率不斷降低，說明甲基橙的初始濃度越大，光催化反應的速率就越慢，脫色率就越低。實驗結果可知，甲基紅初始濃度為5 mg/L 時，催化劑的活性最高，脫色率可達99.5%。

結語

單缺位磷鎢酸鈉鹽光催化劑對甲基紅降解表現出很高的活性，甲基紅脫色率受催化劑投加量﹑pH值、甲基紅的初始濃度等因素的影響。實驗表明：甲基紅的初始濃度越大越難降解;在pH=1.5，催化劑濃度為1.5g/L，底物濃度為5mg/L時，60min后甲基紅溶液降解率高達99.5%。

參考文獻

[1]時桂杰.光催化氧化處理水中污染物的研究進展及發展趨勢[J].環境科學與技術，1998，21（3）：1～4.

[2]王怡中，符雁，湯鴻霄..二氧化鈦懸漿體系太陽光催化降解甲基橙研究[J].環境科學學報，1999，19（1）：63～67.

[3]王敏，朱佐毅，白愛民，等.磷鎢酸借自然光催化甲基橙溶液降解脫色的研究[J].化學試劑，2006，28（9）：515～517.

[4]朱秀華，朱敏，王煒.多金屬氧酸鹽光催化降解水中有機污染物[J].化學通報，2004，67：17.

[5]王恩波，胡長文，許林.多酸化學導論[M].北京：化學工業出版社.1998.