光催化降解甲基橙实验

甲基橙的光催化降解一、实验目的1.了解二氧化钛光催化的基本原理；2.了解二氧化钛光催化降解甲基橙的影响因素，如甲基橙的初始浓度和酸碱度对甲基橙脱色率的影响；3、学会用分光光度法测定甲基橙的浓度。二、实验原理(a)甲基橙特性甲基橙： MO也叫金莲橙d，也叫对二甲氨基偶氮苯钠。甲基橙是红色的晶体或粉末，微溶于水，不溶于乙醇。甲基橙的变色范围：3.1时为红色，4.4时为黄色，3.14.4时为橙色。甲基橙是一种阳离子染料，是常用的纺织染料之一，主要用于腈纤维的染色。由于甲基橙分子结构中含有偶氮基团(N=N=n-)，传统的氧化方法不易完全降解，容易造成环境污染。(2)二氧化钛光催化原理半导体材料二氧化钛作为光催化剂具有化学稳定性高、耐酸碱性好、无毒、无二次污染、成本低等优点。因此，以二氧化钛为催化剂的多相纳米光催化氧化是一种具有广阔应用前景的新型水处理技术，受到人们的青睐。二氧化钛半导体的光催化反应机理如图1-1所示。半导体粒子具有能带结构，并且通常由填充有电子的低能价带和空的高能导带组成。价带中最高能级和导带中最低能级之间的能量差称为禁带宽度(缩写为Eg)。半导体的光吸收阈值与带隙能量Eg有关，其关系为g=1240/Eg(eV)。锐钛矿型二氧化钛的带隙能量为3.2电子伏，光催化所需入射光的最大波长为387.5纳米。当波长小于或等于387.5纳米的光被照射时，二氧化钛价带上的电子(e-)被激发跃迁到导带，在价带上留下相应的空穴(h)，并在电场的作用下被分离和迁移到表面：二氧化钛h h e-(1-1)光生空穴(H)是一种强氧化剂(EVB=3.1V)，它能将吸附在二氧化钛颗粒表面的羟基和H2O分子氧化成羟基。羟基可以氧化相邻的有机物质或扩散到液相中氧化有机物质：H2O h OH H(1-2)哦- h 哦(1-3)导带电子(e-)是一种强还原剂(ECB=-0.12V)，能与吸附在表面的氧分子反应生成O2-超氧自由基和OOH自由基。O2 e- O2-(1-4)H2O O2- 哦哦-(1-5)2OOHO2H2O 2(1-6)H2O 2 e-OHOH-(1-7)H2O 2-OHOH-(1-8)活性氧化物种类，如羟基、氧、羟基、过氧化氢等。在上述反应过程中产生的能氧化包括难熔化合物在内的许多有机物质，使其完全矿化成无机小分子，如H2O、CO2等。h氧气-hCB哦，H2O哦VBH2Oe-O2二氧化钛图1-1二氧化钛的光催化反应机理(3)影响甲基橙光催化降解的因素(1)溶液的初始浓度光催化氧化的反应速率可用朗缪尔-辛舍尔伍德动力学方程描述：r=千立方厘米/(千立方厘米)(1-9)式中r 反应速率；C 反应物浓度；K 表观吸附平衡常数；K 光催化活性部位的表面反应速率常数。在低浓度KC1下，上述公式可简化为：r=K KC=KC(1-10)也就是说，在一定范围内，反应速率与溶质浓度成正比。初始浓度越高，降解速率越大。然而，当初始浓度超过一定范围时，反应速率可能随着浓度的增加而降低。因此，溶液的初始浓度应控制在一定范围内。(2)催化剂用量二氧化钛颗粒在一定强度的紫外光照射下被激发，在光催化体系中产生一系列活性氧化物如羟基自由基。因此，大量的二氧化钛必然会产生更多的活性物种来加速反应过程，从而提高降解效率。然而，当催化剂超过一定量时，反应速率将不再增加。这是因为太多的二氧化钛粉末会降低光的透射率，并导致光散射，所以有必要改变4.3个1L烧杯5.两个应时反应堆6，50毫升移液管27，10毫升移液器28.一个玻璃试管9.2个搅拌器10，10毫升比色管511，10毫升一次性注射器12，10毫升离心管10四.实验步骤1.1克/升甲基橙储备溶液的制备：称取0.5 g甲基橙溶于水中，转移至500毫升容量瓶中，定容，摇匀，得到1 g/L甲基橙溶液。2.20毫克/升甲基橙反应溶液的制备：将20毫升1克/升的甲基橙储备溶液放入1 L容量瓶中定容，得到20毫克/升的甲基橙溶液。用盐酸和氢氧化钠将甲基橙的酸碱度调至约3。3.光催化反应实验：(1)直接光解和二氧化钛光催化降解甲基橙的比较；以两个反应堆为例，编号为a和b。条件A:用量筒测量150毫升20毫克/升的甲基橙，倒入没有二氧化钛的反应器A中，并放入搅拌器中。条件：用量筒测量150毫升20毫克/升的甲基橙，倒入反应器中，加入0.2克二氧化钛。(2)将两个反应器放入光反应装置中，开启冷凝水，开启紫外灯进行光催化实验。(3)分别在0分钟、10分钟、20分钟、30分钟、40分钟和50分钟时取样，并在带有一次性注射器(或移液管)的离心管中取样10毫升，以测量甲基橙的吸光度。4.甲基橙浓度的测定用722分光光度计在466 nm处测量甲基橙的吸光度。(1)绘制甲基橙标准曲线取5个10毫升比色管，分别用10毫升移液管将20毫克/升甲基橙溶液0、2.5、5、7.5、10毫升移入比色管，制备浓度为0、5、10、15、20毫克/升的甲基橙标准曲线，并绘制吸光度与浓度标准曲线。(2)样品浓度的测定取出的样品以8000 r/min离心5分钟，在466 nm波长下测量样品的吸光度，根据标准曲线计算甲基橙的浓度值，并根据下式计算甲基橙的去除率。其中：C0-甲基橙溶液的初始浓度；CT-时间t时甲基橙溶液的浓度V.数据记录和分析1、甲基橙溶液标准曲线数据填写表1，样品吸光度值数据填写表2。表1甲基橙标准曲线数据记录浓度(毫克/升)05101520吸光度0.0000.3710.6921.0291.350表2甲基橙吸光度测量记录编号0分钟10分钟20min30 min40分钟50分钟A1.3471.2951.2931.2191.2001.173B1.7591.5901.1870.9990.9890.924甲基橙浓度记录编号0分钟十分钟20min30分钟40分钟50分钟A19.7919.0218.9917.8917.6117.21B25.9323.4117.4114.6214.4713.502.绘制并分析甲基橙浓度随时间的关系图。答：甲基橙在溶液A和溶液B中的浓度随着时间的增加而逐渐降低。然而，加入二氧化钛后，溶液B中甲基橙的浓度下降得更快，并且甲基橙的最终浓度低于溶液A中的浓度。因此，二氧化