纳米二氧化钛光催化降解苯酚的实验研究及动力学分析

1、2005,No.12化学与生物工程Chemistry &Bioengineering46基金项目:安徽理工大学硕博基金,安徽理工大学青年基金收稿日期:2005-08-03作者简介:王君(1971-,男,安徽金寨人,讲师,在读博士,研究方向:环境工程。纳米二氧化钛光催化降解苯酚的实验研究及动力学分析王君(安徽理工大学化工系,安徽淮南232001摘要:以锐钛矿二氧化钛为光催化剂,研究了不同苯酚起始浓度的水溶液在290nm 紫外光辐照下降解苯酚的效果及动力学方程。结果表明:苯酚起始浓度在2080mg L -1之间均具有较好的降解效果,降解符合一级反应规律,速率常数随苯酚起始浓度的增大而减小。

2、关键词:二氧化钛;光催化;苯酚中图分类号:O 6251312文献标识码:A 文章编号:1672-5425(200512-0046-02多相半导体光催化因其能够完全破坏污染空气和废水中的各种有机物和无机物而成为引人注目和可能广泛应用的新技术。它不仅具有生物降解所不可比拟的速度快、无选择性、降解完全等优点,又在价廉、无毒、可以长期使用等方面明显优于传统的化学氧化方法,因而倍受人们的关注13。以半导体氧化物为催化剂的多相光催化过程以其可在室温下进行、可直接利用太阳光、可将几乎全部有机污染物矿化、并且不产生二次污染等独特性能而成为一种理想的环境污染治理技术。用于光催化氧化的半导体催化剂较多,如:TiO

3、 2、ZnO 、Fe 2O 3、CdS 、ZnS 等,其中TiO 2因氧化能力强、催化活性高和生物、化学、光化学稳定性好等优势,一直处于光催化研究的核心地位47。作者以纳米二氧化钛为光催化剂,研究其在290nm 光化学灯的照射下光催化降解苯酚的效果及动力学规律。1实验111仪器及药品722型光栅分光光度计,7923型磁力恒温搅拌器,YX J 21型低速离心沉淀机,DB 22型电热板,紫外灯(290nm 等。锐钛矿纳米TiO 2,江苏泰兴纳米材料有限公司;苯酚,分析纯,宜兴市第二化学试剂厂;重铬酸钾,分析纯;邻苯二酸氢钾,优级纯;硫酸,分析纯。112方案设计配制起始浓度分别为20mg L -1、

4、30mg L -1、40mg L -1、60mg L -1、80mg L -1的苯酚水溶液250mL 置于500mL 烧杯中,同时加入011g 纳米二氧化钛,磁力搅拌,光化学灯从上方辐照。每隔20min 取样10mL 离心分离,取上清液测定其COD 浓度。测定COD 采用分光光度法810。2结果与分析不同起始浓度的苯酚水溶液在不同光解时间的COD 浓度如表1所示。表1不同起始浓度的苯酚水溶液在不同光解时间的COD 浓度/mg L -1T ab.1COD concentration of phenol w ater solution withdifferent initial phenol co

5、ncentration at various photocatalytic degrad ation time/mg L -1时间/min起始浓度c 0/mg L -120304060800481127019896113140150203162203517053140731401081851601304026148401165519784134126120601916430110421726513599134801510022172301775016378122由表1可见在所研究的苯酚起始浓度范围内,随着反应的进行,水溶液的COD 浓度均不断下降,可见纳米二氧化钛光催化降解效果很好。80min

6、 以后停止实验,一是考虑到若继续实验,则取样消耗过多,可能对反应体系造成较大影响,二是考虑到研究起始反应王君:纳米二氧化钛光催化降解苯酚的实验研究及动力学分析/2005年第12期47动力学5组数据已足够。假设光催化降解反应为一级反应,则以ln (c 0/c 对时间作图应为一条直线,斜率为反应速率常数。不同起始浓度的光解反应的ln (c 0/c 列于表2,对时间作图的结果见图1。表2不同起始浓度的光解反应的ln (c 0/c T ab.2ln(c 0/c of photocatalytic degrad ation of phenolw ater solution with different

7、initial phenol concentration 时间/min起始浓度/mg L -120304060802001298550128459012697801255240123921400159731015695301540890151035014783960018961301857870181103017654501717718011165651113915111391611020660195673k/min-101014640101426010141001012760101196 图1ln (c 0/c -t 关系图Fig.1The curve of ln (c 0/c -t由图1可

8、见,线性很好。对图1每一组数据进行线性拟合,从直线斜率可以求得反应速率常数k ,列于表2最后一行。可见在所研究的苯酚起始浓度范围内,起始浓度越大,速率常数越小。由于光解反应包含了很多基元反应,故以上求解的速率常数为表观速率常数,其值随苯酚起始浓度增大而减小。从一级反应的数学表达式分析,是因为随苯酚起始浓度增大,在相同的反应时间,c 0/c 比值减小,即c 的增加幅度大于c 0。换句话说,初始浓度增大,降解速率反而减小,从紫外光的利用率来看,这可能是溶液浓度增高,使反应的量子产率降低的缘故。3结论以锐钛矿二氧化钛为光催化剂在290nm 光化学灯辐照下使苯酚降解,发现苯酚起始浓度在2080mg L

9、 -1范围内均具有较好的降解效果。动力学研究表明,降解反应为一级反应,且速率常数与苯酚起始浓度成反比关系。参考文献:1高濂,郑珊,张青红1纳米氧化材料钛光催化及应用M 1北京:化学工业出版社,2002:25.2Xu Y M ,Cooper H L.Photoactivity of titanium dioxide suppor 2ted on MCM 241,zeolite X ,and zeolite YJ .J Phys Chem B ,1997,101:311523121.3Sambandam A ,Minjoong Y.Photocatalytic activities of t he

10、 nano 2sized TiO 22supported Y 2zeolites J .J Photochem Photobiol C :Photochemistry Reviews ,2003,(4:5218.4Zhang S C ,Fujii N ,Y oshio N.The dispersion effect of TiO 2loaded o 2ver ZSM 25zeoliteJ .J Mol Catal A :Chemical ,1998,129:2192224.5Daniel C S ,K imberly A G ,Prashant V K.Role of reduction in

11、t he photocatalytic degradation of TN TJ .Environ Sci Technol ,1996,30(8:254722555.6Teruaki H ,Keiichi T.Photocatalytic degradation of benzene onzeolite 2incorporated TiO 2filmJ .J Hazardous Mater ,2002,B93:3312337.7Bezdekova K ,Vesely M.The influence of adsorption of pollutant son t he rate of t he

12、ir photocatalytic degradation J .Chem Listy ,1996,(10:7922799.8彭姝丽,刘晓兵.分光光度法快速测定化学耗氧量J .内蒙古环境保护,1999,11(4:18221.9周兰影,孟凡胜,于连贵,等.利用分光光度法测定水体中的化学需氧量J .吉林农业大学学报,2002,24(1:69271.10范娟,阮复昌.分光光度法测定溶液的化学需氧量J .华南理工大学学报(自然科学版,2001,29(7:95298.Experimental and Kinetic Investigation on N ano 2titaniaPhotocatalyti

13、c Degradation of PhenolWANG Jun(Chemical Engi neeri ng Dep artment ,A nhui Universit y of S cience and Technolog y ,H uai nan 232001,Chi na Abstract :Nano 2titania degradation of phenol with various initial concentration under radiation of 290nm UV light were investigated concerning both degradation effect and kinetics equation.It was found that rather good degradation effects were obtained when initial concentr