二氧化鈦?zhàn)贤夤獯呋到恹}基杏黃染料廢水的研究(編輯修改稿)
2025-07-22 00:32 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 擾人類的兩大難題，綜合考慮能源問(wèn)題和環(huán)境污染問(wèn)題將是光催化研究的發(fā)展趨勢(shì)，直接利用太陽(yáng)能替代紫外燈和高壓汞燈，通過(guò)改性摻雜，使二氧化鈦在整個(gè)太陽(yáng)光波段都有很好的光催化活性，是學(xué)者們研究的新方向。本文選取了鹽基杏黃作為研究機(jī)理的目標(biāo)物，在汞燈的照射下，以二氧化鈦?zhàn)鳛榇呋瘎孕狱S溶液在各個(gè)時(shí)間內(nèi)的降解率為主要參考數(shù)據(jù)，探索鹽基杏黃的降解過(guò)程。光催化是指催化劑將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，以引發(fā)或加速化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。TiO2 是寬禁帶 n 型半導(dǎo)體，銳鈦型TiO2的禁帶寬度Eg=。TiO2是納米半導(dǎo)體材料在光催化領(lǐng)域中應(yīng)用最廣的材料之一。半導(dǎo)體TiO2納米粒子的能帶通常由一個(gè)充滿電子的低能帶 (價(jià)帶) 和一個(gè)空的高能帶 (導(dǎo)帶) 構(gòu)成，低能帶和高能帶由禁帶分開(kāi)，當(dāng) TiO2 納米粒子受到大于或等于禁帶寬度能量的光子照射后，電子 (e) 受激發(fā)從價(jià)帶躍到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶上產(chǎn)生空穴 (h+)。由于半導(dǎo)體的能帶間缺少連續(xù)區(qū)域，所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)具有較長(zhǎng)的壽命，在磁場(chǎng)作用下發(fā)生分離并遷移到納米粒子表面，參與氧化和還原反應(yīng)；而光致空穴具有強(qiáng)氧化性，可奪取吸附于TiO2納米粒子表面的有機(jī)物或溶劑分子 (離子) 中的電子使其活化參與反應(yīng)，如與OH反應(yīng)生成氧化性很高的羥基自由基 (OH)，活潑的OH 可以把許多難降解的有機(jī)物氧化成CO2和H2O等無(wú)機(jī)物。而吸附在TiO2表面的O2易與具有還原性的光致電子 (e) 生成過(guò)氧化物自由基如O2，HOO，OH等，此類物質(zhì)對(duì)有機(jī)分子也具有良好的降解效果。近來(lái)，潘等利用高分辨投射電子顯微技術(shù) (HRTEM) 對(duì)TiO2光催化過(guò)程和機(jī)理進(jìn)行了的研究，提出了一個(gè)基于“晶格畸變驅(qū)動(dòng)力的TiO2光催化降解理論”。在吸附和解吸附過(guò)程中，存在一種晶格畸變驅(qū)動(dòng)力，它來(lái)自于光催化劑的邊緣、棱角以及表面空位等高活性位置。在吸附階段，由于被降解物的吸附使得銳鈦礦TiO2表面原子產(chǎn)生位移，晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，從而提高了局部化學(xué)勢(shì)能。在光照作用下，這種變化有利于吸收光生載流子，提高光催化降解速率。當(dāng)光催化反應(yīng)結(jié)束后，這種晶格畸變驅(qū)動(dòng)力能使被降解物分子鍵斷裂，使其離開(kāi)銳鈦礦TiO2表面，最后使得TiO2表面晶格畸變恢復(fù)到正常結(jié)構(gòu)，即發(fā)生降解與解吸附作用。與公認(rèn)的“光生電子空穴理論”相比，該理論還能夠解釋TiO2的失效過(guò)程。該課題組還進(jìn)一步通過(guò)半經(jīng)驗(yàn)的量子力學(xué)自恰場(chǎng)理論模擬計(jì)算，研究了銳鈦礦TiO2納米顆粒吸附亞甲基藍(lán)分子 后表面晶格的變化情況，發(fā)現(xiàn)亞甲基藍(lán)的化學(xué)吸附能改變TiO2表面晶格的排列，使其發(fā)生 5%左右的畸變。這種畸變導(dǎo)致HRTEM圖像模糊，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了TiO2表面的“晶格畸變恢復(fù)”是光催化反應(yīng)的重要過(guò)程。此外，對(duì)金紅石TiO2也進(jìn)行了相同實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)亞甲基藍(lán)的吸附對(duì)金紅石TiO2晶格的影響很小，這就解釋了金紅石型TiO2的光催化效率低于銳鈦礦型TiO2的原因。表1 主要儀器儀器名稱 型號(hào) 生產(chǎn)商雙光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì) TU1901型 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司 恒溫磁力攪拌器 852型 江蘇中大儀器有限公司多功能光化學(xué)反應(yīng)儀 SGY1型 南京斯東柯電器設(shè)備有限公司電子分析天平 賽多利斯科學(xué)儀器有限公司pH計(jì) 雷磁pHS3C型 上海精密儀器有限公司 主要試劑鹽基杏黃溶液（1g/L）, 二氧化鈦粉末，NaOH，HNO3 實(shí)驗(yàn)裝置試驗(yàn)所用反應(yīng)器如圖1所示。光源為500W汞燈，置于石英冷阱內(nèi)，冷阱通入冷卻水以冷卻汞燈發(fā)出的熱量，保證反應(yīng)溫度為室溫。具有磨口的石英冷阱插入盛有反應(yīng)溶液的硬質(zhì)玻璃反應(yīng)器中(有效體積為500mL)，使反應(yīng)溶液直接接受光輻照。反應(yīng)器上端具有磨口供取樣用，底部的磁力攪拌裝置使反應(yīng)溶液均勻攪動(dòng)。圖1 多功能光化學(xué)反應(yīng)儀 杏黃基本信息確定分別取配制好的1g/，2mL，1mL置于50mL比色管，加水稀釋至標(biāo)線，得到50mg/L,40mg/L和20mg/L的杏黃溶液，混勻后在紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)上于190900nm波段掃描光譜。然后根據(jù)掃描光譜確定最適杏黃溶液濃度及最佳吸收波長(zhǎng)，配制該濃度溶液250mL， 催化劑，在避光條件下置于恒溫磁力攪拌器上攪拌30min，然后于190900nm波段掃描光譜，驗(yàn)證最適濃度與最佳波長(zhǎng)。 催化劑用量的影響經(jīng)驗(yàn)證，杏黃溶液最適濃度為50mg/L，最佳吸收波長(zhǎng)為355nm。，，在可見(jiàn)光條件下分別對(duì)250mL，50mg/L的杏黃溶液進(jìn)行降解，每隔5min抽取一次溶液，在紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)上測(cè)定吸光度，研究催化劑用量對(duì)杏黃溶液降解的影響。 初始濃度的影響分別配制50mg/L,40mg/L,20mg/L各250mL的杏黃溶液，調(diào)節(jié)pH=7,然后將其分別置于三個(gè)500mL燒杯中，與恒溫磁力攪拌器上在避光處攪拌30min，充分混勻后在光學(xué)反應(yīng)儀中光解，每隔5min抽取一次溶液，分別測(cè)定吸光度，研究初始濃度對(duì)杏黃溶液降解的影響。 反應(yīng)條件的影響固定的反應(yīng)條件為：杏黃溶液濃度為50mg/L，pH=7，在暗示攪拌30min后放入光化學(xué)反應(yīng)儀中降解。不同條件為：（1）不加催化劑，僅在可見(jiàn)光條件下攪拌反應(yīng)；（2）；（3）。每隔5min抽取一次溶液，分別測(cè)定吸光度，研究反應(yīng)條件不同對(duì)杏黃溶液降解的影響。 初始pH的影響用稀氨水，稀硝酸將pH=7,50mg/L的杏黃溶液分別調(diào)至pH=3,5,7,9,11，分別取250mL于500mL燒杯中，放在恒溫磁力攪拌器上攪拌30min后置于光
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