呂憶民，李夢晴，呂崔華

摘要：二氧化鈦（TiO■）作為一種催化劑已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在污水處理方面。本課題主要探究了用二氧化鈦（TiO■）光降解污水中的有機(jī)污染物甲基橙，并對其機(jī)理進(jìn)行了探討。通過分析二氧化鈦（TiO■）的用量與甲基橙的用量比例、反應(yīng)時(shí)間、pH值以及外界條件等因素對降解結(jié)果的影響，找到最佳的降解條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在125W高壓汞燈的照射以及在磁力攪拌器的攪拌下，在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的條件下，當(dāng)甲基橙：二氧化鈦=1∶1000時(shí)，可達(dá)到最佳降解率。

關(guān)鍵詞：二氧化鈦；光催化；降解

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）37-0231-02

隨著經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的發(fā)展，染料及印染行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，同時(shí)因?yàn)楣I(yè)廢水具有成分復(fù)雜、色度高、排放量大、毒性大（其中含苯環(huán)、胺基、偶氮基團(tuán)等致癌物質(zhì)）、可生化性差等特點(diǎn)，一直是廢水處理中的一個(gè)難題。在眾多的光催化材料中，半導(dǎo)體TiO■因其性質(zhì)穩(wěn)定、易分離、耐光腐蝕、無毒的特性被應(yīng)用在工業(yè)中。TiO■粒子具有能帶結(jié)構(gòu)，一般由填滿電子的低能價(jià)帶和空的高能導(dǎo)帶構(gòu)成價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在禁帶。當(dāng)用能量等于或大于禁帶寬度（也稱帶隙，Eg）的光照射半導(dǎo)時(shí)，價(jià)帶上的電子（e-）被激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，在價(jià)帶上產(chǎn)生了相應(yīng)的空穴（h+），并在電場作用下分離并遷移到粒子表面。本研究采用二氧化鈦（TiO■）光降解污水中的有機(jī)污染物甲基橙，并對其機(jī)理進(jìn)行了探討。通過分析二氧化鈦（TiO■）的用量與甲基橙的用量比例、反應(yīng)時(shí)間、pH值以及外界條件等因素對降解結(jié)果的影響，找到最佳的降解條件。

一、實(shí)驗(yàn)

本研究所用到的藥品有甲基橙、粉末二氧化鈦、氫氧化鈉、鹽酸等；實(shí)驗(yàn)儀器有分光光度計(jì)、磁力攪拌器、125W高壓汞燈、離心機(jī)。配制一定濃度的甲基橙溶液，用分光光度計(jì)在400～600nm之間的不同波長下測定此濃度甲基橙的分光光度值，分析得出甲基橙的最大吸收波長為462nm。在1mg/L～50mg/L的濃度之間配制一系列濃度梯度的甲基橙溶液，在甲基橙最大吸收波長下測得甲基橙的分光光度值，做出工作曲線。取每次實(shí)驗(yàn)后待測的溶液，在離心機(jī)中分離之后，取上層清液，在最大波長下測得吸光光度值，根據(jù)工作曲線得出甲基橙的濃度，求解降解率。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1.pH值對降解率的影響。取10mg/L的甲基橙為基液，按甲基橙：二氧化鈦為1∶1000投放二氧化鈦，改變其酸堿值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，后測得結(jié)果如下圖。

由數(shù)據(jù)分析可知，在強(qiáng)酸和強(qiáng)堿環(huán)境下甲基橙的降解率為最佳。這是由二氧化鈦光催化機(jī)理所決定的，羥基自由基是光催化反應(yīng)的一種主要活性物質(zhì)，對光催化氧化起決定作用，吸附于催化劑表面的氧及水合懸浮液中的OH-、H■O等均可產(chǎn)生該物質(zhì)。在二氧化鈦吸附表面上的水時(shí)，反應(yīng)機(jī)理表示為：TiO■+H■O→e- + h+，h+ +H■O→·OH+H+，h+ +→·OH。在強(qiáng)堿環(huán)境下會有大量的OH-產(chǎn)生，有利于·OH的形成；在二氧化鈦吸附表面的O■時(shí)，其機(jī)理可表示為：O■+e-→·O■-，·O■- + H+ →HO■·2HO■·→O■+H■O■，H■O■+O■- →·OH+OH- +O■。在強(qiáng)酸環(huán)境下會有大量的H+產(chǎn)生，由反應(yīng)機(jī)理表達(dá)式可以看出，在大量的H+下有利于·OH的形成。在兩種情況下形成的大量的羥基自由基對整個(gè)催化氧化過程起著重要的作用。

2.甲基橙與二氧化鈦比例的影響。分別向10mg/的甲基橙溶液中加入不同比例的二氧化鈦，在pH為2的條件下，測得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示：

由圖中可以看出在二氧化鈦用量大于0.7克時(shí)，即二氧化鈦與甲基橙之比大于1000時(shí)，甲基橙的降解率能達(dá)到90%以上，而且再增大二氧化鈦的用量降解率變化不明顯，而且略有下降。這是因?yàn)?，整個(gè)光催化反應(yīng)是在催化劑二氧化鈦表面上進(jìn)行的，隨著催化劑用量的增加，反應(yīng)活性位增加，降解反應(yīng)速率也隨之增加，甲基橙降解率也隨著催化劑的增多而增多，但是定量的甲基橙進(jìn)行光催化反應(yīng)所需要的催化劑活性位是一定的，當(dāng)催化劑的量超過甲基橙的所需量時(shí)，再增加催化劑的用量時(shí)將不會提高降解率，反而使降解率有所下降。

3.反應(yīng)時(shí)間對降解率的影響。取50ml 10mg/L的甲基橙溶液，調(diào)節(jié)PH值為2，按照甲基橙與二氧化鈦1：1000的比例投放二氧化鈦，在高壓汞燈照射下邊攪拌邊分別反應(yīng)，10min、20min、30min、40min、50min、60min后，取反應(yīng)后溶液測得結(jié)果如下：

由圖可以看出，反應(yīng)時(shí)間為30min時(shí)降解率基本上達(dá)到最大值，再增長反應(yīng)時(shí)間時(shí)，降解率基本保持不變。

通過對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得出甲基橙光催化降解的最優(yōu)條件是：甲基橙與二氧化鈦以1∶1000的比例，在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿條件下，在高壓汞燈照射下邊攪拌邊反應(yīng)，可使降解率達(dá)到90%以上。

參考文獻(xiàn)：

[1]王怡中，胡春，湯鴻霄.在TiO■催化劑上苯酚光催化氧化反應(yīng)研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，1995.

[2]朱其永，褚道葆，周幸福.納米TiO■懸浮體系光催化降解甲基橙的研究[J].淮南師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2002.

[3]劉孝恒，汪信，楊緒杰，等.納米二氧化鈦的制備、表征及應(yīng)用[J].江蘇化工，1999.

[4]張梅，楊緒杰，陸路德，等.納米TiO■——一種性能優(yōu)良的光催化劑[J].化工新型材料，2000.