孫玲芳,喻澤斌,彭振波,項(xiàng)國(guó)梁,李明潔,陳 穎,王 莉 (廣西大學(xué)環(huán)境學(xué)院,廣西 南寧 530004)

Fe-Ni-TiO2/AC粒子電極的制備及可見(jiàn)光光電催化協(xié)同降解RhB

孫玲芳,喻澤斌*,彭振波,項(xiàng)國(guó)梁,李明潔,陳 穎,王 莉 (廣西大學(xué)環(huán)境學(xué)院,廣西 南寧 530004)

制備Fe-Ni-TiO2/AC粒子電極,應(yīng)用于可見(jiàn)光助三維電極/電Fenton(Vis-3D/EF)光電催化體系中,以RhB為目標(biāo)污染物,研究了可見(jiàn)光光電催化對(duì) RhB的協(xié)同降解.實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了 Fe-Ni-TiO2/AC粒子電極的制備條件,并與活性炭粒子電極、活性炭負(fù)載 TiO2粒子電極在Vis-3D/EF體系中的光電催化性能進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明:TiO2浸漬液濃度為2g/L,Fe-Ni摻雜比為5:5,Fe:Ni:TiO2物質(zhì)的量比為0.5:0.5:100的條件下制備的粒子電極在Vis-3D/EF體系中表現(xiàn)出最優(yōu)的光電催化性能,60min對(duì)RhB的去除率達(dá)92.58%,優(yōu)于活性炭粒子電極和活性炭負(fù)載TiO2粒子電極.自制粒子電極在Vis-3D/EF體系比在3D/EF體系對(duì)RhB的去除率提高29.46%,表現(xiàn)出明顯的光催化和三維電極/電Fenton協(xié)同處理效果,協(xié)同指數(shù)為1.18,說(shuō)明了自制粒子電極應(yīng)用在Vis-3D/EF組合技術(shù)中,實(shí)現(xiàn)對(duì)RhB的可見(jiàn)光光電協(xié)同降解是可行的.

光電催化；三維電極/電Fenton；粒子電極；可見(jiàn)光

三維電極技術(shù)是在常規(guī)二維電極基礎(chǔ)上在電極板之間填充顆粒催化劑作為第三維電極,較常規(guī)二維電極相比,三維電極結(jié)構(gòu)增加了有效電極面積和傳質(zhì)效率,從而具有更高的電流效率和污染物處理能力[1].基于三維電極的組合技術(shù)如三維電極光電催化、三維電極-電Fenton、三維電極-生物膜等技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注,其中將三維電極與光電催化技術(shù)結(jié)合,可以達(dá)到光電協(xié)同處理效果,如An[2]等采用自制三維電極光電催化反應(yīng)器對(duì)甲酸進(jìn)行處理,證明三維電極光電催化體系中存在明顯的協(xié)同處理效果.三維電極/電Fenton技術(shù)是通過(guò)陰極產(chǎn)生H2O2,外加Fe2+和曝氣條件下將三維電極與電Fenton技術(shù)組合[3],與單獨(dú)的三維電極技術(shù)相比,三維電極/電Fenton技術(shù)對(duì)有機(jī)物具有更好的處理效果[4].

基于以上組合技術(shù)研究,對(duì)粒子電極進(jìn)行改性使其具有光電催化性能,應(yīng)用于三維電極/電Fenton體系,并施加外加光源,則有望將三維電極/電 Fenton技術(shù)與三維電極光電催化技術(shù)結(jié)合,達(dá)到協(xié)同處理效果.現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道中針對(duì)粒子電極的光電催化性能的研究大部分停留在紫外光光電催化體系,常采用多孔材料如活性炭、石英砂、沸石等負(fù)載TiO2顆粒作為粒子電極,尚未見(jiàn)可見(jiàn)光下三維電極光電催化體系的研究報(bào)道.活性炭是最常用的一種水污染處理材料和三維電極填充材料,研究表明:將 TiO2負(fù)載于活性炭,不僅具有良好的光催化性能[5],而且可以提高粒子電極的電催化性能[6].因此,本研究采用活性炭作為基底材料, 提出利用過(guò)渡金屬Fe、Ni對(duì)TiO2進(jìn)行可見(jiàn)光改性,負(fù)載于活性炭上,制備出活性炭負(fù)載Fe-Ni共摻TiO2(Fe-Ni- TiO2/AC)粒子電極,應(yīng)用于新型的可見(jiàn)光助三維電極/電Fenton(Vis-3D/EF)光電催化處理體系,將可見(jiàn)光光電催化和三維電極/電Fenton電催化技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起.以羅丹明 B (RhB)作為指示劑,優(yōu)化了 Fe-Ni-TiO2/AC粒子電極的制備條件,并與常規(guī)的活性炭粒子(AC)電極和活性炭負(fù)載TiO2(TiO2/AC)粒子電極進(jìn)行對(duì)比,考察自制粒子電極性能.并驗(yàn)證體系中可見(jiàn)光催化和三維電極/電Fenton協(xié)同處理可行性.

1 材料與方法

1.1 材料

羅丹明 B(分析純);Ti箔(0.3mm; 99.6%～99.7%);3～5mm煤質(zhì)柱狀活性炭;商品 P25-TiO2(銳鈦:金紅石=8:2,粒徑 20nm,比表面積 50m2/g);其他試劑均為分析純,實(shí)驗(yàn)用水為去離子水.

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

電源為直流穩(wěn)壓電源;反應(yīng)器為玻璃槽(12cm×8cm×6cm),有效容積為 400mL,放置暗箱中;模擬可見(jiàn)光源為150W氙燈,濾波片為400nm,光源與陽(yáng)極板的水平距離為 20cm,垂直距離為12cm,液面光照強(qiáng)度為 413lx;粒子電極在填充之前依次在4000,100,20mg/L RhB溶液中恒溫水浴30℃吸附達(dá)到飽和,直至在20mg/L的RhB溶液中1h內(nèi)吸光度值不發(fā)生變化,填充量為100g/L;板間設(shè)置多孔 PVC擋板,防止短路電流產(chǎn)生;填料底部設(shè)有微孔曝氣管,通入壓縮空氣;實(shí)驗(yàn)中陽(yáng)極板為多孔TiO2薄膜板(6cm×4cm,厚度0.3mm)由鈦箔陽(yáng)極氧化制得,孔徑在 40～100nm;陰極為石墨板(6cm×4cm,厚度2mm).反應(yīng)裝置見(jiàn)圖1.

圖1 Vis-3D/EF反應(yīng)裝置Fig.1 Diagram of the Vis-3D/EF reactor

1.3 負(fù)載型粒子電極的制備

諸多研究表明,硝酸改性可增加活性炭表面含氧官能團(tuán)[7],可以與 TiO2表面的羥基形成酯鍵結(jié)合[8],得到的負(fù)載型催化劑結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定.而超聲可以改善活性炭的表面特性,提高負(fù)載催化劑的活性[9],并可以使負(fù)載均勻.因此,采用超聲-硝酸預(yù)處理活性炭,并在超聲環(huán)境下進(jìn)行催化劑的負(fù)載,Fe-Ni-TiO2/AC電極的制備分為3個(gè)步驟:

(1) 活性炭前處理:取適量活性炭用稀H2SO4和NaOH清洗干凈后,超聲改性(75W,頻率40kHz)2次,每次30min,烘干后在5mol/L H2NO3中進(jìn)行氧化改性 2h,去離子水洗至中性,得到超聲-硝酸改性活性炭.

(2) Fe-Ni-TiO2催化劑的制備:取400℃下活化2h的商品TiO2催化劑溶于去離子水中,分散均勻后分別加入不同物質(zhì)的量比的硝酸鐵硝酸鎳,劇烈攪拌 30min,接著在超聲下?lián)诫s(105W、40kHz)2h后真空抽濾,干燥研磨后450℃煅燒2h.

(3) 改性活性炭負(fù)載:取一定濃度的催化劑溶液200mL,分散均勻后加入50g超聲-硝酸改性活性炭,在75W、40kHz超聲環(huán)境下浸漬負(fù)載2h,用去離子水沖洗干凈后干燥并在 450 ℃煅燒2h.

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中固定裝置條件和溶液條件為:電源電壓30V、曝氣量1.5L/min、溶液pH=3、RhB溶液體系 400mL、初始濃度20mg/L、Fe2+投加量為0.5mmol/L、粒子電極填充量100g/L、支持電解質(zhì) Na2SO4投加量 5g/L、采用 0.1mol/L稀H2SO4調(diào)節(jié)pH值,處理時(shí)間60min,通過(guò)浸漬液濃度、金屬負(fù)載量、金屬摻雜比3個(gè)因素優(yōu)化離子電極的制備,實(shí)驗(yàn)分光電催化(加光源、通電、曝氣、加Fe2+)和電催化(不加光源、通電、曝氣、加Fe2+)兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行.

優(yōu)化后的自制 Fe-Ni-TiO2/AC與常規(guī)活性炭(AC)粒子電極、活性炭負(fù)載TiO2(TiO2/AC)粒子電極進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究.根據(jù)協(xié)同處理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則,光電催化實(shí)驗(yàn)條件即光催化和電催化實(shí)驗(yàn)條件的加和,因此實(shí)驗(yàn)中光催化實(shí)驗(yàn)條件為加光源、不通電、不加 Fe2+、不曝氣.協(xié)同作用用協(xié)同指數(shù)表達(dá):即光電催化去除率/(光催化去除率+電催化去除率),若指數(shù)大于 1,則說(shuō)明體系具有協(xié)同作用.

2 結(jié)果與討論

2.1 粒子電極表征

圖2為原活性炭顆粒及最優(yōu)條件下Fe-Ni-TiO2/AC顆粒2000倍的掃描電鏡圖,由圖2可知,經(jīng)過(guò)Fe-Ni-TiO2摻雜改性后的活性炭,其表面上有明顯的顆粒負(fù)載,而且負(fù)載的較為分散.

粒子電極的比表面積(BET)和孔結(jié)構(gòu)特性見(jiàn)表 1.由表 1可知:經(jīng)過(guò)硝酸-超聲預(yù)處理改性后,AC的外表面積、BET、總孔容都有所增加,因此,改性后的AC更有于催化劑的負(fù)載;經(jīng)過(guò)負(fù)載后粒子電極平均孔徑增大,說(shuō)明TiO2沒(méi)有進(jìn)入載體的孔道內(nèi),而是在載體表面形成一層薄膜催化劑[10],以表面負(fù)載為主,這與類(lèi)似TiO2/AC催化劑報(bào)道一致[11];最優(yōu)條件下制備的 TiO2/AC和Fe-Ni-TiO2/ AC,與預(yù)處理但未負(fù)載AC相比外表面積、BET和總孔容都減小,說(shuō)明催化劑在AC上得到負(fù)載;與原AC相比,自制粒子電極的比表面積變化不大,說(shuō)明負(fù)載改性操作對(duì) AC的吸附性能影響較小.

圖2 粒子電極掃描電鏡圖譜Fig.2 SEM of particle electrodes

表1 粒子電極比表面積及孔結(jié)構(gòu)特性Table 1 The BET and pore structure characteristics of particle electrodes

2.2 浸漬液濃度的影響

浸漬液的濃度不僅影響催化劑在 AC表面的負(fù)載量[10]和粒子電極的光催化活性[12],同時(shí)還影響粒子電極的吸附性能[5].從表 1可見(jiàn),經(jīng)Fe-Ni摻雜的粒子電極比表面積和孔容與未摻TiO2粒子電極相差不大.因此,為了更好地考察浸漬液濃度對(duì)粒子電極的影響,同時(shí)排除過(guò)渡金屬摻雜對(duì)光電催化性能的貢獻(xiàn),以不同濃度的 TiO2催化劑來(lái)確定最佳的浸漬液濃度,并對(duì)得到的TiO2/AC進(jìn)行 N2吸附脫附實(shí)驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)圖3和表2.

從圖3b可見(jiàn),5種浸漬液濃度下得到的粒子電極其電催化處理結(jié)果非常接近,說(shuō)明 TiO2在AC上負(fù)載量的多少對(duì)粒子電極電催化性能影響較小.從圖 3a可見(jiàn),浸漬液的濃度對(duì)粒子電極光電催化性能影響較大,說(shuō)明TiO2在AC上的負(fù)載量影響粒子電極在 Vis-3D/EF體系中可見(jiàn)光貢獻(xiàn)率的大小,2g/L時(shí)制備的粒子電極電催化和光電催化降解率達(dá)到最大值,可見(jiàn)光下去除率的提高值為26.88%,優(yōu)于其他浸漬液濃度.

由表 2可見(jiàn),隨著負(fù)載液濃度的增加,TiO2/ AC粒子電極的比表面積和總孔容持續(xù)減小,說(shuō)明TiO2在AC上的負(fù)載量隨著浸漬液濃度的增大而增大[10].外表面積呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),在2g/L時(shí)外表面積最小,可能的原因是當(dāng)浸漬液中TiO2含量低于2g/L時(shí),TiO2濃度的增加,負(fù)載于AC外表面上的TiO2量也增加,對(duì)應(yīng)的外表面積減小.濃度繼續(xù)增加,高濃度浸漬液中 TiO2顆粒容易發(fā)生聚團(tuán)[13],沉積在AC表面的TiO2無(wú)法形成均勻薄膜覆蓋,外表面積反而增大.TiO2團(tuán)聚會(huì)降低粒子電極的表面對(duì)光的利用率,因此,實(shí)驗(yàn)進(jìn)行負(fù)載的最佳浸漬液濃度為2g/L.

圖3 浸漬液濃度的影響Fig.3 The effect of impregnation liquid concentrations

表2 不同浸漬液濃度粒子電極比表面積和孔結(jié)構(gòu)特性Table 2 The BET and pore structure characteristics of particle electrodes under different impregnation liquid concentrations

2.3 Fe-Ni摻雜比的影響

多項(xiàng)研究表明,采用過(guò)渡金屬摻TiO2可以拓寬 TiO2的光響應(yīng)范圍,提高 TiO2可見(jiàn)光催化效果[14].固定浸漬液濃度為 2g/L,金屬總物質(zhì)的量量與 TiO2的物質(zhì)的量比為 1:100.通過(guò)考察不同F(xiàn)e、Ni物質(zhì)的量比下的RhB去除率,來(lái)考察Fe、Ni對(duì)粒子電極性能的影響,結(jié)果見(jiàn)圖4.

圖4 Fe、Ni摻雜比的影響Fig.4 The effect of Fe-Ni doping ratios

由圖4b可見(jiàn),經(jīng)過(guò)不同金屬比例摻雜后,粒子電極的電催化去除率隨著Fe含量的增多呈遞減趨勢(shì),但是差別較小,說(shuō)明金屬摻雜比對(duì)粒子電極電催化性能的影響較小.而從圖 4 a可以看出,不同金屬摻雜比下的光電催化去除率差別明顯, F e -N i 摻雜比為5 : 5時(shí),粒子電極的光電催化去除率最大,可見(jiàn)光下去除率的提高為2 9 . 4 6 % .不同F(xiàn) e -N i摻雜比下光電催化去除率差別的原因可能是粒子電極的可見(jiàn)光催化能力不同,而對(duì)可見(jiàn)光的吸收能力是判斷催化劑是否具可見(jiàn)光催化能力的一個(gè)先決條件[15],由于活性炭在紫外和可見(jiàn)光區(qū)都是有吸收的因此,自制粒子電極在可見(jiàn)光下的光催化性能區(qū)別主要取決于負(fù)載在上面的金屬摻雜 T i O2催化劑,圖5給出了不同摻雜比下制備的T i O2改性催化劑的紫外-可見(jiàn)( U V -V i s )漫反射光譜圖.

圖5 不同F(xiàn)e-Ni摻雜比下UV-Vis吸收光譜Fig.5 UV-Vis absorption spect for various Fe-Ni doping ratios

由圖 5可見(jiàn),經(jīng)過(guò)渡金屬摻雜后得到的催化劑與 TiO2相比,均有不同程度的紅移,摻雜比為5:5時(shí)得到的催化劑具有明顯的可見(jiàn)光吸收特性,且光響應(yīng)范圍最廣,很好地解釋了該摻雜比條件下制得的粒子電極在可見(jiàn)光下的光電去除率最高,且可見(jiàn)光的貢獻(xiàn)率也最高.

2.4 Fe-Ni摻雜量的影響

過(guò)渡金屬離子摻雜TiO2催化劑中,金屬離子既可能成為電子或空穴的陷阱而減緩復(fù)合速率,也可能成為復(fù)合中心反而加快復(fù)合過(guò)程[14].摻雜離子量較低時(shí),捕獲電子或空穴的淺勢(shì)阱數(shù)量不夠,光生電子-空穴對(duì)不能有效分離;摻雜離子量太高時(shí),金屬離子可能成為電子-空穴的復(fù)合中心,增大電子與空穴復(fù)合的幾率[16].為得到最佳光催化性能的Fe-Ni-TiO2催化劑,需要對(duì)金屬摻雜量進(jìn)行優(yōu)化.固定浸漬液催化劑濃度2g/L,金屬摻雜物質(zhì)的量比 5:5,通過(guò)控制金屬與 TiO2的物質(zhì)的量比來(lái)控制金屬摻雜量.不同摻雜量下制得的粒子電極結(jié)果見(jiàn)圖6.

圖6 Fe:Ni: TiO2物質(zhì)的量比的影響Fig.6 The effec of Fe:Ni:TiO2molar ratios

圖7 不同F(xiàn)e:Ni:TiO2物質(zhì)的量比下UV-Vis吸收光譜Fig.7 UV-Vis absorption spect under various Fe:Ni:TiO2molar ratios

由圖7可見(jiàn),各摻雜量下的催化劑光響應(yīng)范圍均有所增加,摻雜量為0.5:0.5:100催化劑的光響應(yīng)范圍最廣,從0.2:0.2:100到1:1:100,光響應(yīng)范圍先增大后減小,大于 1:1:100后,隨著金屬摻雜量的增大,催化劑光響應(yīng)范圍逐漸增大,這與光電催化去除率和可見(jiàn)光貢獻(xiàn)率變化趨勢(shì)一致.說(shuō)明在一定范圍內(nèi)增加過(guò)渡金屬摻雜量可以拓寬催化劑光響應(yīng)范圍,提高催化劑可見(jiàn)光催化性能,使粒子電極在 Vis-3D/EF體系中的光電催化去除率和可見(jiàn)光貢獻(xiàn)率相應(yīng)的提高.但是過(guò)多的金屬摻雜會(huì)導(dǎo)致溶出的 Fe2+離子增加,消耗·OH降低體系處理效率,低金屬摻雜量更適合 Vis-3D/EF體系,因此以0.5:0.5:100作為最優(yōu)金屬摻雜量.

2.5 與常規(guī)粒子電極的對(duì)比

由圖8可知,將TiO2負(fù)載于AC上,與原AC相比電催化去除率尤其是光電催化去除率得到了大幅度提高,原因在是 TiO2表面空穴具有超強(qiáng)的電子俘獲能力,可以?shī)Z取半導(dǎo)體顆粒表面的有機(jī)物或溶液中的電子,發(fā)生催化氧化作用,從而提高了粒子電極的電催化性能[7],同時(shí),使粒子電極具有光催化性能[11],粒子電極表面經(jīng)光催化產(chǎn)生的光生電子-空穴,在外加電場(chǎng)下能夠有效分離,從而大大提高了光電催化過(guò)程污染物的去除率.

圖8 Fe-Ni-TiO2/AC與常規(guī)粒子電極對(duì)比Fig.8 Comparison between Fe-Ni-TiO2/AC and conventional particle electrodes

通過(guò) Fe-Ni的摻雜負(fù)載后,粒子電極的電催化去除率和光電催化去除率進(jìn)一步提高,原因是經(jīng)過(guò)渡金屬修飾的粒子電極,其電催化活性會(huì)得到提高,因此電催化去除率會(huì)得到提高[18].光電催化去除率的提高原因是過(guò)渡金屬摻雜一方面拓寬了TiO2的光響應(yīng)范圍,提高了TiO2在可見(jiàn)光區(qū)的催化效率[19],另一方面金屬離子能有效地捕獲光生電子,減少光生電子和空穴復(fù)合的幾率,提高了 TiO2的光催化活性[20],因此 Fe-Ni-TiO2粒子電極的光電催化性能要優(yōu)于TiO2/AC和AC.

對(duì)Fe-Ni-TiO2/AC粒子電極進(jìn)行光催化(加光源、不通電、不加 Fe2+、不曝氣)實(shí)驗(yàn),60min的去除率為15.26%,其電催化和光電催化去除率分別為63.12%和92.58%,對(duì)應(yīng)的協(xié)同指數(shù)為1.18,說(shuō)明自制粒子電極在體系中能夠利用可見(jiàn)光發(fā)生協(xié)同催化作用,在該體系中的應(yīng)用是可行的.

2.6 Vis-3D/EF體系降解RhB機(jī)理

Vis-3D/EF體系對(duì)污染物的降解機(jī)理十分復(fù)雜,存在著電催化氧化、光催化氧化、Fenton氧化等多種作用過(guò)程.不考慮污染物特性,將Vis-3D/EF體系中可能存在的污染物降解過(guò)程和主要作用機(jī)理總結(jié)見(jiàn)圖9.

圖9 Vis-3D/EF體系可能的降解機(jī)理Fig.9 Possible degradation mechanism in the vis-3D/EF system

從圖9可以看出,在Vis-3D/EF體系中,污染物的去除主要發(fā)生直接氧化、空穴氧化和活性物質(zhì)氧化3種過(guò)程.直接氧化發(fā)生在陽(yáng)極板和粒子電極表面,在電場(chǎng)作用下,污染物直接與陽(yáng)極板接觸或吸附在粒子電極表面發(fā)生電子轉(zhuǎn)移從而降解[21];空穴氧化作用發(fā)生在 TiO2表面,即負(fù)載在粒子電極上的改性 TiO2和介孔 TiO2陽(yáng)極板表面[22],在光照下TiO2表面產(chǎn)生空穴-電子對(duì),空穴與吸附在 TiO2表面上的污染物發(fā)生直接氧化作用[23];活性物質(zhì)氧化是電催化和光催化、Fenton氧化過(guò)程中產(chǎn)生的活性物與污染物作用.研究表明·OH為這些高級(jí)氧化過(guò)程中產(chǎn)生的主要的活性物質(zhì)[24],因此,在Vis-3D/EF體系活性物質(zhì)氧化主要為·OH氧化,其產(chǎn)生途徑見(jiàn)1-5式.

除了上述的有機(jī)污染物在 Vis-3D/EF體系的 3種普遍作用過(guò)程外,在有機(jī)染料的作用下還存在著可見(jiàn)光敏化降解作用.即染料分子被可見(jiàn)光激發(fā),激發(fā)態(tài)的染料分子向TiO2半導(dǎo)體的導(dǎo)帶注入一個(gè)電子而生成正自由基離子和導(dǎo)帶電子,導(dǎo)帶上的電子被催化劑表面的 O2等捕獲生成·O2-,并進(jìn)一步形成·OH和 HO2·等活性氧自由基[25]對(duì)RhB進(jìn)行降解.

Chen等[26]研究表明:在可見(jiàn)光敏化作用過(guò)程中,溶解氧不僅及時(shí)清除了導(dǎo)帶電子,抑制了導(dǎo)帶電子與染料正離子自由基的復(fù)合反應(yīng),同時(shí),也是活性氧物種的母體.因此,將可見(jiàn)光光催化與3D/EF技術(shù)結(jié)合,曝氣為可見(jiàn)光敏化作用提供了充足的溶解氧,促進(jìn)了可見(jiàn)光敏化產(chǎn)生更多的活氧物質(zhì),同時(shí),O2作為光生電子的供體,可以有效減少電子-空穴的復(fù)合[27],均有效提高了 TiO2光催化降解 RhB的效率.而電場(chǎng)的存在,TiO2表面光生電子和空穴得到有效分離,進(jìn)一步提高了粒子電極的光電催化性能[28].

綜上所述,Vis-3D/EF體系協(xié)同作用可能的原因有3點(diǎn):1)O2作為光生電子的受體,減少了電子-空穴的復(fù)合,提高 TiO2光催化降解效率;2)曝氣提供了充足的溶解氧,促進(jìn)光敏化作用產(chǎn)生活氧物質(zhì),進(jìn)而高效降解染料;3)TiO2表面的空穴-電子復(fù)合速率在電場(chǎng)作用下降低,提高了粒子電極光電催化性能,體系中的光電催去除效率得以提高.

3 結(jié)論

3.1 經(jīng)硝酸-超聲預(yù)處理后的AC有利于催化劑的負(fù)載;改性負(fù)載后的粒子電極與原 AC相比比表面積變化不大,說(shuō)明負(fù)載改性操作對(duì) AC的吸附性能影響較小.

3.2 優(yōu)化后的Fe-Ni-TiO2/AC粒子電極制備條件為:浸漬液中催化劑濃度2g/L,Fe-Ni比為5:5,金屬與TiO2物質(zhì)的量比為0.5:0.5:100.

3.3 最優(yōu)條件下制備的粒子電極在 Vis-3D/EF體系中表現(xiàn)出最優(yōu)的光電催化性能,60min對(duì)RhB的去除率達(dá)92.58%,可見(jiàn)光下去除率的提高為29.46%.

3.4 自制Fe-Ni-TiO2粒子電極的電催化和光電催化性能均優(yōu)于 AC和 TiO2/AC,在 Vis-3D/EF體系中具有明顯的協(xié)同催化效果,協(xié)同指數(shù)為1.18,說(shuō)明在該新型反應(yīng)體系中的應(yīng)用是可行的.

3.5 在Vis-3D/EF體系中,染料污染物RhB的降解除了發(fā)生直接氧化、空穴氧化和活性物質(zhì)氧化三種過(guò)程外,還存在可見(jiàn)光光敏化降解.協(xié)同作用的產(chǎn)生原因有3點(diǎn):1)O2可以作為光生電子的受體,減少了電子-空穴的復(fù)合,提高 TiO2光催化降解效率;2)曝氣提供了充足的溶解氧,促進(jìn)光敏化作用產(chǎn)生活氧物質(zhì),進(jìn)而高效降解染料;3)TiO2表面的空穴-電子復(fù)合速率在電場(chǎng)作用下降低,提高了體系光電催化去除率.

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Preparation of Fe-Ni-TiO2/AC particle electrodes and synergic degradation of RhB using visible irradiation

photoelectrocatalytic system.

SUN Ling-fang, YU Ze-bin*, PENG Zhen-bo, XIANG Guo-liang, LI Ming-jie, CHEN

Ying, WANG Li (School of the Environment, Guangxi University, Nanning 530004, China). China Environmental Science, 2014,34(12)：3119～3126

The Fe-Ni co-doping TiO2particles loaded activated carbon (Fe-Ni-TiO2/AC) particle electrodes were synthesized and applied to a visible, irradiation assisted, three-dimensional electro-Fenton (Vis-3D/EF) system. The synergic performance of Vis-3D/EF system was investigated using RhB as target pollutant. Compared with activated carbon particle electrodes and TiO2loaded activated carbon particle electrodes, the photoelectrocatalytic performance of Fe-Ni-TiO2/AC particle electrodes in Vis-3D/EF system was the highest with the optimum synthesized conditions of TiO2concentration of 2g/L, Fe-Ni doping ratio of 5:5 and Fe:Ni:TiO2molar ratio of 0.5:0.5:100. The hightest degradation rate of RhB in Vis-3D/EF system reached 92.58% with in 60min. The RhB removal rate of Fe-Ni-TiO2/AC particle electrodes in Vis-3D/EF increased 29.46% compared with 3D/EF. A significant synergetic effect was observed between visible light photocatalysis and 3D/EF processes in the system, with a synergetic factor of 1.18. Result suggested it was feasible for the synergic degradation of RhB under visible irradiation in the Vis-3D/EF combination technique.

photoelectrocatalytic；three-dimensional electro-Fenton；particle electrodes；visible irradiation

X703.5

A

1000-6923(2014)12-3119-08

孫玲芳(1988-),女,陜西眉縣人,碩士,主要從事水污染控制技術(shù)研究.發(fā)表論文10余篇.

2014-01-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21367002)

* 責(zé)任作者, 教授, xxzx7514@hotmail.com