光催化降解水体中有机污染物的研究

1、光催化降解水体中有机污染物的研究一、实验目的通过本实验了解光催化的基本原理，掌握亚甲基蓝等有机污染物降解的实验方法 和光催化降解的动力学参数测怎，掌握光催化中紫外光源的使用及有机物的光谱分析法。二、实验原理20世纪70年代以来，利用半导体光催化氧化水中污染物的工作日益为人们所重 视，其优点主要在于：首先，利用半导体光催化氧化降解水中污染物不同于单纯的物理方法，化学方法和生物方法的水处理，处理流程简单，无二次污染，处理速度比微生物法快；其次，半导体光催化氧化可以处理各种无机和有机污染物使其矿化，是一种氧化处理方法，最关键的是半导体光催化氧化过程有可能利用太阳光资源，节能且无污染。目前，在多相光催

2、化反应所使用的半导体催化剂中，TiO?以其无毒、催化活性高、 氧化能力抢、稳定性好最为常用。研究表明：纳米 TQ2对紫外线具有很强的吸收能力，具有很高的光催化活性，当受到波长小于 388nm的紫外光照射后，纳米TiO?粒子将分 别在导 带和价带上产生大量的光电子（e）和光生空穴（h+） , e和h+经过一系列反应可 生成含氧小分 子活性物种*OH HO、Cr等，这些含氧小分子物种具有极强的氧化还原能力，可以光催化降解水中的有机污染物，将其直至完全矿化为 CO和HO,并可以光 催化还原重金属离子和 光催化杀菌。光催化机理可用下式说明:hTiOa + H 2O-hv -e + h +?OH + H

3、 +h+ +OH02 + eo2 + H -2HO2? 0H2Q + ?Q?OH?Q-H2O ?2+ H 2Q轻基自由基？ OH是光催化反应的一种主要活性物质，对光催化氧化起决定作用，吸附于催化剂表面的氧基水合悬浮液中的 OH? HO等均可产生该物质，氧 化作用既可以通 过表面键合疑基的间接氧化，即粒子表面捕获的空穴氧化；又可 在粒子内部或颗粒表面经价带空穴直接氧化；或同时起作用，视具体情况有所不 同。表面吸附分子氧的存在会影响光催化胜率和量子速率。但由于 TiO?的带隙较宽（约3.2ev ）,能利用的太阳能大约 仅占太阳光强的3%而且由于光激发产 生的 电子与空穴的复合，光量子效率很低。为了

4、提 高对太阳能的利用率，并积极改善催化 效率，人们已进行了大量的研究工作，如采取一些 表面修饰改性技术，射击研制高效 能反应器等。三、仪器与试剂自镇流荧光高压汞灯 （125V）磁力搅拌器；721型分光光度计；亚甲基蓝（分析 纯）；二氧化钛；过氧化氢（分析纯）。四、实验步骤1、实验方法及试样分析称取一定量的亚甲基蓝粉末，用蒸悯水配成100mg/L的溶液。取100ml置于玻璃皿中，加入一处量的TiO?粉末，用玻璃棒搅拌，使TiOz粉末分布均匀。然后 将玻 璃皿置于磁力搅拌器上，磁力搅拌器上方放置自镇流荧光高压汞灯。在稳定的光照条件下，反应一段时间后，取出反应悬浮液，离心过滤 （3000r/min

5、）、测上 清液的吸光度，计算不同反应条件下的染料脱色率。亚甲基蓝分析采用分光光度法，亚甲基蓝最大吸收波长为665nm，在该波长 下用721型分光光度计以去离子水为参比，测得亚甲基蓝溶液在反应前后的吸光度来 计算。试样的脱色率D以下式计算：Ao-AcD100%Ao式中：A亚甲基蓝溶液的初始吸光度;反应结束后亚甲基蓝溶液的吸光度。2、实验内容(1) TQ加入量的影响本组实验取浓度为10mg/L的亚甲基蓝溶液100ml,光照时间1h,通过改变TiO?加入量：0g、0.3g、0.5g、0.7g、1.0g,利用分光光度计分别在 665nm处测得 反应前后的吸光度，计算出脱色率。 亚甲基蓝溶液初始浓度的影

6、响取0.5g TiO 2,汞灯光照时间1h,亚甲基蓝溶液100ml,改变亚甲基蓝溶液浓 度，分别 在亚甲基蓝浓度为2、& 10mg/L时进行反应，利用分光光度计分别在 665nm处测得反 应前后的吸光度，计算出脱色率。(3)光照的影响本组实验TiO2的投加量为0.5g,浓度为10mg/L的亚甲基蓝溶液100ml,汞灯 光照时 间分别取0.5、1.5、2.0、25、3.0ho利用分光光度计分别在665nm处测得 反应前后的吸 光度，计算出脱色率。五、数据处理：1、绘制亚甲基兰脱色率一 TiO 2加入量曲线并进行分析；表2-1脱色率随TiO 2用量变化数据表亚甲基蓝原液的吸光度 AT.303TiO

7、 2 加入室/g00.30.50.71.0吸光度A1.0210.0230.0520.0540.059脱色率/%21.698.296.095.895.5备注亚甲基二原液浓度：10mg/L;光照时间：60min :测定波长：665nm;比色皿：1cm脱色率D=(A -A)/Ao亚甲基蓝脱色率与TiO2加入量曲线TiO2加入量(g)从上图可以看出，随着投入的 TiO2的增加，脱色率越来越大，当加入的 TiO2=0.3g时, 脱色率为最高，即当TiO2=O.3g为最好的投入量，后有下降，并趋于平衡。2、绘制亚甲基兰脱色率溶液初始浓度曲线并进行分析；表2-2脱色率随亚甲基兰溶液初始浓度变化数据表亚甲基兰

8、浓度(mg/L)26810原吸光度A0.2610.7211.0741.193吸光度A0.0540.0830.0800.072脱色率/%79.388.592.694.0备注光照时间：60mi n;测定波长：665nm比色皿：1cm脱色率D=(A-A)/Ao脱色率与初始浓度的关系曲线O 2溶液初始浓度(从上图可以看出，在投入的TiO2的量都一定时，随着初始浓度的增加而增加，随后增加幅度变小。3 绘制 亚甲基脱色率一光照宙 寸间曲线并 进行 分 析w 甲基 蓝原 液 的吸光度 A o =1,3 O 3比色皿：1cm脱色率 D=(A-A)/Ao光照时间(mi n)306090120150180吸光度A

9、0.0630.0570.0510.0470.0460.044脱色率/%95.295.696.196.496.596.6备注亚甲基兰原液浓度：10mg/L;测定波长：665nm;脱色率与光照时间关系曲线於率色脱系列1光照时间/min由上图可知：脱色率随光照时间的增加而增加。六、实验结果讨论1、实验过程中出现的现象：不管是 Ti02加入量增加、初始浓度增加、光照时间增加，亚甲基兰都 是 由蓝色逐渐变为白色，离心后，上清液为无色透明。2、影响光催化降解的因素有：Ti02颗粒大小、光照强度、搅拌速度、催化剂用量、温度、初始浓度、PH等。影响光催化降解的催化活性因素有：TiO2颗粒大小、催化剂用量、温度、PH等。3、本实验系统的光催化机理：TiO2光催化化学反应主要