光催化降解苯酚废水的研究

光催化降解苯酚废水的研究

指导老师副教授

【摘要】以TiO2 为光催化剂，以紫外灯为光源，在自制的光催化反应装置中进行苯酚溶液的光催化降解实验，并且考察了催化剂用量、苯酚初始浓度、PH值、光照强度等因素都对苯酚光催化降解的影响。结果表明：其最佳工艺条件为：苯酚浓度在10mg/L ，pH=7，TiO2用量为1. 0 g/L，紫外灯波长为254 nm，反应时间4h时降解效果最佳。

关键字：TiO2 光催化，降解苯酚影响因素

1、前言

酚是一类常用的化工原料,是一类很难降解的化合物，具有致癌、致畸、致变的潜在毒性[1]，因而含酚废水来源十分广泛,对人类健康带来十分严重的危害。苯酚是含酚废水中常见的污染物,有效处理苯酚废水已经是环保方面的一个重要课题[2]。光催化氧化降解苯酚以其高效、稳定以及无二次污染等特点[3],已成为近年来环保领域一种新型的污染治理技术。

1.1苯酚废水来源及危害

1.1.1、苯酚废水的来源

苯酚是重要的化工基本原料及中间体，是一种高毒物质,工业常用于制染料合成树脂、塑料、合成纤维和农药、水杨酸等[4]，日常生活中也常用于杀菌消毒、做防腐剂等。因而苯酚废水在我们这个工业发达的国家来源非常广，且数量多，主要来自于炼油、煤气洗涤、炼焦、造纸、合成氨、木材防腐、石油化工、化学、制药、油漆、涂料、塑料农药等企业的生产废水中[5]。苯酚微溶于水，在使用和生产苯酚的过程中，一定溶有部苯酚, 成为对人体有害的苯酚废水。

1.1.2、苯酚废水的危害

苯酚是一种对一切生物个体都有毒害的物质，低浓度酚能使蛋白质变性,高浓度能使蛋白质沉淀，具有致癌、致畸、致变的潜在毒性，对皮肤、粘膜有强烈的腐蚀作用。它通过皮肤、黏膜的接触而吸入或经过口腔侵入生物体内，与细胞皮浆中的蛋白质接触后形成不溶性蛋白质而使细胞失去活性，尤其对神经系统有较大的亲和力，使神经系统发生病变或损害肝、肾功能[1]。

同时苯酚对水源和水生生物也能产生严重的影响。低浓度的苯酚废水灌溉农田会使一些农作物含有少量的苯酚而不能食用，高浓度则会导致农作物减产或枯死。浓度大于0.005mg/L时的水就不能饮用，浓度大于10mg/L时对鱼的生殖等活动造成影响[6]。

由于工业废水中酚类含量较高,对环境影响较大,若直接排放到环境中,将会对人类的生存构成极大的危害。据文献报道,苯酚在污水中的含量应小于于0·1mg/L[7]，因此在排放前需进行必要的处理。

1.2、苯酚废水的处理方法

1.2.1、新型处理方法及意义

光催化降解废水中苯酚是一种新型的环境治理技术,具有广阔的应用前景。目前国内外对光催化技术的应用研究主要在:染料废水、有机废水、农药废水、表面活性剂以及含油废水等的降解研究[8]。该法是利用光照某些具有能够带结构的光催化剂来诱发氧化自由基-OH[9]。光催化氧化法具有选择性好,适用范围广,可在常温、常压下进行等优点,特别适用于无法或很难进行生物降解的污染物的治理，能够彻底降解废水中的苯酚，无二次污染，设备简单，投资少，效果好[1]。

1.2.2、传统处理方法

物理吸附法、化学缩聚法、生化活性污泥法等都是传统的苯酚废水处理技术。在实际应用中，这些传统的处理技术处理苯酚废水都有一定的缺点。但是光催化技术很好地弥补了传统处理方法的缺点。如下表1：

表1：苯酚废水传统处理方法的优缺点[1、10、11]

方法类

型

处理方法优点缺点

物理法吸附法

萃取法

离子交换法

膜技术法

该法主要利用物理方法去

除废水中不容的悬浮污染物，操

作简单，对高浓度的苯酚废水处

理效果好、去除率高、所需时间

较短。[10]

该法只是一种拦截

法，不适用于低浓度的苯

酚废水，而且在这处理过

程中苯酚分子没有被破

坏，处理后的苯酚废水含

量远大于排放标准。[10]

化学法缩聚法

氧化法

该法主要是利用化学反应

分离、回收废水中的苯酚或将其

转化为无害物质。该法占地面积

小、流程简单、处理效果稳定。

[1]

对苯酚的降解不彻

底，处理后废水中残留的

苯酚多，甚至会造成二次

污染。[1]

生化法活性污泥法

生物膜法

生物接触优化法

厌氧法

该法是利用微生物氧化分

解有机物并将其转化为稳定的

不含苯酚的净化废水。处理效果

好，能够彻底降解废水中的苯

酚。[11]

投资大、管理要求

高、操作方法烦琐，要求

废水中不含有焦油或油

类物质，不然会使微生物

死亡。[11]

2、TiO2光催化降解机理[12]

纳米TiO2电子结构的特点是有一个满的价带和一个空的导带。当一个具有hv能量大小的光子或者具有大于半导体禁带宽度Eg的光子射入半导体时,一电子由价带(VB)激发到导带(CB),因而在导带上产生一个高活性电子(e-),在价带上留下了一个空穴(h+),形成氧化还原体系。溶解氧及水和电子及空穴相互作用,最终产生高活性的羟基。·OH自由基具有强氧化性,能把大多数吸在TiO2表面的有机污染物(简称为R)降解为CO2、H2O,把无机污染物氧化或还原为无害物。具体催化过程如下：

TiO2+hv e-+h+ (1)

h++H2O ··OH+H+ (2)

e-+ O2··OO-(3)

·OO-+H+·OOH (4)

·OO-+e-+2H+H2O2(5)

H2O2hv2·OH(6)

h-+OH-·OH (7)

3、实验部分

3.1主要试剂和仪器

3.1.1主要试剂

药品名称纯度成产厂家

氯化铵（NH4Cl）AR 广东-汕头市西陇化工厂

氨水（NH3·H2O）AR 上海联试化工试剂有限公司

4-铵基安替吡啉（C11H13N3O）AR 天津市光复精细化工研究室

铁氰化钾（K3Fe(CN)6）AR 天津市永大化学试剂开发中心

苯酚（C6H5OH）AR 上海联试化工试剂有限公司

锐钛矿纳米二氧化钛（TiO2）AR 杭州万景新材料有限公司