二氧化钛紫外光催化降解甲基橙废水动力学研究

1、实验0801 陈红梅(200811052) 钟珊(200811057)二氧化钛紫外光催化降解甲基橙废水的动力学研究摘要：以甲基橙为研究对象，探讨了在2537 nm UV的照射下TiO2光催化降解甲基橙的影响因素以及光催化反应的动力学模型。结果表明，当Ti02授加量为30 mg/L、反应时间为120 min、甲基橙初始浓度为10 mg/L、pH值为5时，甲基橙降解率达到9957。Ti02投加量、甲基橙浓度、pH值对光催化降解的表观一级速率常数有很大影响。光催化降解甲基橙反应动力学符合准一级Langmuir-Hinshelwood方程。关键词：紫外光催化；甲基橙；动力学l 实验结果我们根据所查找的

2、文献知道了在2537 nm UV的照射下TiO2光催化降解甲基橙的反应在Ti02授加量为30 mg/L、反应时间为120 min、甲基橙初始浓度为10 mg/L、pH值为5时，甲基橙降解率最大，达到9957。Ti02投加量、甲基橙浓度、pH值对光催化降解的表观一级速率常数有很大影响。采用控制变量法分别得到二氧化钛投加量、反应时间、甲基橙初始浓度、pH值的影响分别如图1、图2、图3、图42 TiO2光催化降解甲基橙废水的动力学研究我们推导过气固相多相系统反应动力学方程为（A代表气相反应物，且A的吸附强度中等，代表表面反应速率常数，代表A的吸附系数）可以用同样的方法推出光催化降解动力学普遍采用La

3、ngmuirHinshelwood模型:积分得： (1)式中： 为化合物的初始浓度；r为化合物在反应器中的反应速率； 为t时刻化合物的浓度；k为化合物的Langmuir速率常数；K为化合物在催化剂上的吸附常数。 k受二氧化钛投加量、甲基橙初始浓度、pH值的影响，根据实验结果可以得到k与他们的定量关系； K可以由悬浮相中吸附常数方程得到，由此就可以得出二氧化钛紫外光催化降解甲基橙废水的动力学方程 。2.1求k与二氧化钛投加量、甲基橙初始浓度、pH值的关系211 甲基橙初始浓度的影响将不同初始浓度的甲基橙模拟废水光催化降解实验数据进行积分处理，绘制 曲线，见图5。由图5可知， 呈线性关系，表明甲基

4、橙光催化降解过程可用一级反应动力学公式 来描述，据此求出不同初始浓度下的反应速率常数 k，见表1。据表1数据绘制函数曲线，如图6所示，模拟线性回归方程为： ,线性相关系数 。设式中: m 为浓度调整常数，与化合物的类型无关。解得：(2)212 pH值的影响甲基橙初始浓度为10 mg/L，将不同pH值的甲基橙模拟废水光催化降解实验数据进行积分处理，绘制 曲线，见图7。由图7可知，与t基本呈线性关系，同理可求出不同pH值下的反应速率常数k，见表2。由表2可知，甲基橙的表观一级反应速率常数k随pH值的增大而减小。据表2数据绘制函数曲线，如图8所示，利用Origin70进行非线性回归，得出二阶指数函数

5、为： 213 TiO2投加量的影响甲基橙初始浓度为10 mg/L，将不同TiO2投加量(M)对甲基橙光催化降解实验数据进行积分处理，绘制 曲线，见图9。由图9可知，与t呈线性关系，经一级拟合后的相关系数最好，表明该反应遵循一级反应动力学规律。据此求出不同TiO2投加量下的反应速率常数k，见表3。据表3数据绘制函数曲线，如图10所示，利用Origin70进行非线性回归，得出函数关系为：根据式(2)式(4)，在考虑到初始浓度、催化剂用量、溶液pH值三个主要因素的条件下，建立速率常数k的表达式如下：22 吸附常数表达式的建立引用文献11悬浮相中吸附常数的方程：式中： 是化合物的溶解度，mg/L； 是

6、化合物的初始浓度，mg/L； 是化合物分子的摩尔体积， ； 是吸附调整常数， ，不依赖于化合物的类型，是吸附剂类型的函数。本实验采用T=298 K，求出所用TiO2的 值。 不同初始浓度下甲基橙吸附常数K的实验值通过方程（1）中的非线性回归来确定。以 对 作图，求得吸附调整常数。代入甲基橙的溶解度6690 mg/L和甲基橙分子摩尔体18314 ，得出其在TiO2上的吸附常数K值为：综上可知，建立的TiO2悬浮体系光催化降解反应的动力学模型如下： 将不同初始浓度的甲基橙在反应中的浓度对t作图，在t=0时曲线的斜率的绝对值即为初始降解速率的实验值，再将建立的模型所得的计算值与实验值比较见表4，由表

7、4可见，实验值和计算值之间的偏差不大。3 结论(1) 二氧化钛光催化降解甲基橙的最佳反应条件为：TiO2投加量30 mg/L、反应时间120 min、甲基橙初始浓度10 mg/L、pH值5，此时甲基橙的光催化降解率为9957。(2) 甲基橙初始浓度、pH值、TiO2投加量对光催化反应动力学有很大影响。随着初始浓度递增，表观一级速率常数k递减；随着pH值递增，表观一级速率常数k递减；当TiO2投加量低于30 mg/L时，表观一级速率常数k随TiO2投加量增加而增大，超过30mg/L时，表观一级速率常数k随TiO2投加量增加而减小。(3) 本系统建立的TiO2悬浮体系光催化降解反应的动力学模型表示为：参考文献：1 王磊，夏璐，鲁栋梁，胡玉平二氧化钛紫外光催化降解甲基橙废水的动力学研究J.化学与生物工程，2010，Vol.27 No.3. 2 左言军， 习海玲， 张建宏， 李志军， 周放TiO2悬浮体系光催化降解反应动力学模型的建立J.催化学报，2001,22（20）:198- 202.3 张万忠，乔学亮，邱小林，陈建国，罗浪里.纳米二氧化钛的光催化机理及其在有机废水处理中的应用J.人工晶体学报，2006年10月，第三十五卷，第五期。4 夏启斌,李忠,奚红霞,赵祯霞.气相苯在Ti02光催化剂上吸附常数和光催化反应常数测定J 离子