TiO2-AC催化剂的制备与处理染料废水的实验研究

TiO2-AC催化剂的制备与处理染料废水的实验研究
刘树鑫
【摘要】采用溶胶-凝胶法制备二元复合光催化剂TiO2-AC,在太阳光下对刚果红
溶液模拟染料废水进行光催化反应实验,考察了新型光催化剂的催化活性,并通过XRD和SEM对复合催化剂进行表征.结果表明:TiO2-AC催化活性较高并具有良好的处理效果,AC的加入减小了半导体复合体的禁带宽度,提高了光催化效率.TiO2-AC的最佳复合质量比为1:0.01,以平均紫外光强为63.81 W/m2照射120 min后,对刚果红染料废水的最高去除率可达96％.
【期刊名称】《供水技术》
【年(卷),期】2018(012)006
【总页数】4页(P22-25)
【关键词】光催化;复合催化剂;TiO2-AC;刚果红
【作者】刘树鑫
【作者单位】沈阳建筑大学市政与环境工程学院, 辽宁沈阳 110168
【正文语种】中文
【中图分类】TU992
染料废水具有生物难降解、高COD、水体物质分布不均且成分复杂等特点，当前
传统的水处理技术很难去除其中的有机污染物[1]。

光催化技术具有反应条件温和、处理彻底和不产生二次污染的优势，近年来在污水处理领域中成为一个重要的研究
方向[2-5]。

但二氧化钛(TiO2)也存在一些不足：内部禁带宽度较宽，需要更高的
光照强度使其激发；电子-空穴对易复合，造成量子效率降低和TiO2吸附效果较差。

科研学者尝试各种方法对TiO2进行改性处理，进而提高光催化效果[6-8]。

光催化氧化技术采用人工光源会存在耗能过大、运行困难、成本过高等问题，而太阳光作为绿色能源可大大降低能耗成本，其内部的紫外光可使光催化剂完全激发，在经济上有竞争力[9]。

笔者以太阳光作为唯一光源，制备TiO2-活性炭(AC)复合
光催化剂，并以刚果红溶液为模拟的染料废水进行实验，考察复合光催化剂的最佳质量比和催化性能，以期为太阳光催化氧化技术处理印染废水提供参考。

1 实验部分
1.1 实验仪器与试剂
1.1.1 实验仪器
TES1333R型太阳能辐照仪、UV759型紫外-可见分光光度计、PTX-JA1000S型
电子天平、GZX-9246MEB型电热鼓风干燥箱、85-2型磁力搅拌器、HQ-2.5-10型马弗炉、X 射线衍射仪、S-4800型冷场发射扫描电子显微镜、TDL-50B型低速离心机。

1.1.2 实验试剂
二氧化钛(TiO2)、刚果红、去离子水、盐酸、钛酸丁酯、无水乙醇和精细石墨粉，均为分析纯。

1.2 光催化剂的制备
实验采用的活性炭需进行预处理，以清除活性炭表面的灰尘与杂质：过筛之后用去离子水煮沸120 min，反复润洗5次，经真空泵抽滤后放入80 ℃干燥箱内20 h，密封存放。

准备一定数量的100 mL烧杯，在室内常温条件下滴加20 mL无水乙醇溶液，放
入转子并置于磁力搅拌器上以500 r/min搅拌。

缓慢加入3 mL钛酸丁酯溶液，
使其充分溶于无水乙醇中。

将0.6 mL 2 mol/L的稀盐酸滴加到混合溶液中，再迅速加入活性炭粉末与无水乙醇的混合溶液。

将烧杯超声2 min，置于磁力搅拌器上继续搅拌，再滴加1 mL去离子水直至凝胶，自然风干后研磨成粉末。

在马弗炉中于450 ℃下煅烧120 min，冷却至室温，最终得到二元混合物。

制备出不同TiO2和AC质量比的复合光催化剂，记为TiO2-AC(1 ∶x)。

1.3 试验方法
向100 mL烧杯中加入50 mL质量浓度为30 mg/L的刚果红废水，然后加入0.025 g复合光催化剂。

首先进行90 min无光吸附实验，使TiO2催化剂达到吸附平衡，然后在太阳光条件下用磁力搅拌器搅拌。

每隔30 min采取水样，放入离心机进行离心处理，取表层溶液于波长498 nm处测量，取样次数为4次。

光源选择沈阳地区8—9月晴朗天气的太阳光，平均紫外光照强度为63.81 W/m2。

2 结果与讨论
2.1 光催化实验
为了探索TiO2和TiO2-AC对刚果红的光催化活性和吸附效果，比较不同AC复合比的影响并确定最佳复合比例，制备5种掺杂不同质量AC的TiO2催化剂进行实验，结果如图1所示。

图1 不同AC复合比的光催化剂比较Fig.1 Comparison of photocatalysts with different AC composite ratios
由图1可以看出，在经过90 min无光吸附实验之后，不同质量比的TiO2-AC催化剂对刚果红去除率依次为29%、37%、43%、49%和54%。

AC具有特殊的比表面积和孔隙结构，吸附性优于TiO2，且可增加TiO2-AC复合催化剂内部的比表面积，使TiO2四周物质浓度上升，强化吸附作用，提高了复合催化剂的吸附效果。

随着AC质量的升高，复合光催化剂的吸附性呈正比例增长，对刚果红溶液的去除效果也随之增强。

在无光吸附实验中，TiO2-AC对刚果红的吸附效果由AC
质量决定。

在太阳光下进行光催化实验30 min后，5种光催化剂对刚果红的去除率依次为53%、71%、77%、75%和80%。

此时刚果红浓度很高，刚果红分子可充分与光催化剂接触、反应，提高光反应速率。

随着光反应实验继续进行，刚果红浓度越来越低，光反应速率也逐渐下降。

光催化实验进行120 min后，刚果红最终去除率依次为82%、88%、97%、90%和94%，加入了AC的TiO2对刚果红的处理能力显著高于纯TiO2。

这是因为染料分子会利用AC的吸附能力聚集在半导体粉末催化剂的表面，拓展TiO2-AC对刚果红的反应空间并延长反应时间，提高了光催化反应效率。

同时，AC是一种非极性多孔催化剂载体，掺杂AC能够减小TiO2的禁带宽度并加大光谱反应范围，加强复合光催化剂的光催化活性[10-11]。

需要注意的是，投加过量的AC会导致水中的光催化体系呈黑色，妨碍太阳光中的紫外线与TiO2接触，削弱紫外光强度并减少TiO2的电子-空穴对，最终对光催化活性产生不良影响。

因此，研究中采用的最佳TiO2-AC复合比为1 ∶0.01。

2.2 光催化剂XRD谱图
TiO2光催化剂和TiO2-AC(1 ∶0.01)复合光催化剂的XRD谱图见图2。

图2 光催化剂的XRD谱图Fig.2 XRD spectra of photocatalysts
通过比对图2.a和图2.b与粉末标准衍射卡得出，实验中的TiO2为锐钛矿相，TiO2-AC(1 ∶0.01)有相似的衍射峰，也为锐钛矿相。

在掺杂适量的AC后，并未显示AC特征的衍射峰，这是因为TiO2与AC的复合破坏了活性炭的部分结构，或者由于活性炭含量相对较少被TiO2衍射峰涵盖。

同时，通过对比可以看出：AC的加入并未引起其它衍射峰出现，这表明掺入AC后TiO2的晶型没有发生改变。

由于AC自身的特性抑制TiO2的晶粒变化，导致TiO2-AC复合负载体晶粒
生长缓慢，进而造成TiO2-AC的晶粒尺寸小于TiO2，这与利用Scherrer公式计
算的结果一致。

2.3 光催化剂SEM
采用扫描电子显微镜对TiO2、AC、TiO2-AC(1 ∶0.01)的外部形貌进行SEM表征，如图3所示。

图3 光催化剂的SEM扫描图Fig.3 SEM scanning of photocatalysts
由图3可以看出：TiO2由平均粒径为10～20 nm的球型粒子构成；AC的表面结构为层状分布，呈蜂窝形态，符合AC比表面积大且孔状间隙发达的特性；AC粉
末分散于TiO2附近，使TiO2均匀负载于AC的表面并良好融合。

两种物质未发
生聚集，说明AC在增大TiO2-AC复合催化剂比表面积的同时，大大加强了复合
催化剂的吸附效果。

3 结论
① 采用溶胶-凝胶法制备TiO2-AC复合光催化剂处理刚果红染料废水，在无光照
条件下，掺杂的AC越多吸附能力越突出，刚果红的去除率越高。

但在太阳光下，过量AC会抑制光催化的性能，复合催化剂的最佳TiO2-AC质量比为1 ∶0.01。

② TiO2-AC(1 ∶0.01)在对刚果红染料废水无光吸附90 min和光催化反应90
min后，最终去除率可达97%，具有显著的催化活性。

③ 通过对复合光催化剂进行XRD和SEM表征，证明TiO2与TiO2-AC(1 ∶0.01)均为锐钛矿相，AC的引入并不影响TiO2的结晶。

AC减小了复合光催化剂的禁带宽度，扩大了吸收光谱的反应范围，降低了电子-空穴对的重合速率，明显增强了
紫外光的利用率。

④ 对于实验中所用的二元复合光催化剂TiO2-AC，是否可以掺杂新的物质制备多
元复合光催化剂，是未来研究的方向之一。

【相关文献】
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