吴霞探究性实验报告2015531教材

La2O3掺杂TiO2光催化降解农药

废水的研究

吴霞

一、实验研究的目的

1、采用光催化降解处理农药废水；

2、通过对稀土元素、二氧化钛用量、光照时间以及掺杂量的控制，测定不同处理条件下

废水的COD；

3、确定稀土元素掺杂TiO2处理农药废水的最佳工艺条件。

二、实验研究的背景

长期大规模生产和使用有机磷农药，不仅对环境造成严重污染，在食物及饲料中的残留对人及养殖动物也有严重的影响，在某些环境中也会有较长的残存期并在动物体内产生蓄积作用。所以需要经济方便、安全实用的净化措施消除有机磷农药的污染，妥善的解决有机磷农药生产使用和环境保护的问题。本课题采用稀土元素掺杂氧化物作为光催化剂，使用光催化机理来降解农药使其有机磷转化为无机磷，通过测定降解前后的COD来判断降解的效果。

三、实验原理

1、TiO2光催化降解有机磷农药的机理[1-2]

当受到能量大于或等于TiO2禁带宽度(3.2eV)的光子照射时，TiO2中处于价带的电子被激发跃迁到导带上形成强还原性的导带电子(e－)，同时在价带上产生一个强氧化性的价带空穴(h＋)。电子和空穴或直接和吸附在TiO2表面的有机物反应，或与水分子和溶解氧发生一系列反应，生成强氧化性的OH、O2－，上述反应可描述如：

2、化学耗氧量（COD）测定

水中化学含氧量(COD)的大小是衡量水质污染程度的重要指标之一。由于废水中还原性物质常常是各种有机物，人们常将COD作为水质是否受到有机物污染的重要指标。COD 是指特定条件下，用一种强氧化剂定量地氧化水中可还原性物质(有机物和无机物)时所消耗氧化剂的数量，以每升多少毫克氧表示(O2mg/L),不同条件下得出的COD指不同。由于氧化时受氧化剂的种类、浓度、温度、时间及催化剂的影响，因此COD是一个条件性指标，必须严格控制反应条件。

农药废水的COD范围是在几千到几万左右。

目前COD的测定多采用KMnO4和K2Cr2O7两种方法，KMnO4适合测定地面水、河水等污染不十分严重的水。

4KMnO4 + 6H2SO4+ 5C → 2K2SO4 + 4MnSO4 + 6H2O + 5CO2↑2KMnO4 + Na2C2O4 + 8H2SO4→ 5NaSO4 + K2SO4 + 2KMnSO4 + 10CO2↑ + 8H2O

水样中Cl-的浓度大于300mg/L时将使测定结果偏高，通常加入Ag2SO4除去Cl-。

取水样后加入硫酸使其pH<2，抑制微生物繁殖并立即进行分析。

四、实验所用主要仪器设备和药品

仪器:

电热恒温鼓风干燥箱（上海森信实验仪器有限公司），马弗炉（中国上海电机集团公司电炉厂），800电动离心机（金坛市虹盛仪器厂），电子天平（上海启威电子有限公司），智能双控磁力搅拌器（郑州长城科工贸有限公司），紫外发射仪（上海顾村电光仪器厂），高效液相色谱仪(美国waters公司)

烧杯（250mL，50mL），容量瓶（50mL，250mL，500mL），称量瓶，移液管（10mL，25mL），坩埚，研钵

试剂：

二氧化钛(上海市钛白粉厂)，La(NO3)3，Ce(NO3)3，Nd(NO3)3(阜宁稀土有限公司)，三唑醇，三唑酮，氧化锌(分析纯)，高锰酸钾(分析纯)，草酸钠(分析纯)

五、实验部分

1、稀土元素掺杂氧化物光催化剂的制备[4]

将Ce(NO3)3，Nd(NO3)3，LaNO3和TiO2按一定比例配制在去离子水中形成悬浮液，在80°Ｃ下搅拌直至水分完全蒸发。经离心后取出，再在110°Ｃ下干燥至恒重，再将产物放入马弗炉中，经高温(800℃)煅烧4h即得。

2、模拟农药废水（自制）

用电子天平准确称取农药，加水溶解转移至容量瓶中定容。

3、光降解实验和分析

在玻璃试管中放入含有模拟农药废水的水样和一定量的催化剂，构成悬浮体系，在紫外线的照射下进行光降解实验。经光照一定时间后离心分离，去除催化剂，得反应试液。

4、测降解前后溶液中的COD[3]

（1）配置0.002mol/L的高锰酸钾溶液

准确称取0.8g KMnO4于2000mL水中，盖上表面皿，加热至沸并保持微沸状态1h，冷却后，在室温下放置过夜后，用砂芯漏斗过滤。滤液贮存于棕色试剂瓶中。

（2）配置草酸钠标准溶液

准确称取0.17g干燥过的草酸钠于小烧杯中，加水溶解后移入250mL容量瓶中，定容。

（3）溶液的测定

准确移取25.00mL溶液于250mL锥形瓶中,加蒸馏水至100mL，加5mL硫酸(1:3),并准确加入10.00mL(V1)0.002mol/L的高锰酸钾溶液，加热至沸。煮沸5min，溶液应为浅红色，若为无色，再加10mL高锰酸钾溶液或废水量减半，按上述过程再加热煮沸5min，水样呈淡红色。冷却至60～80℃，用移液管加10mL草酸钠溶液，溶液应呈无色，若呈红色，则再加10mL 草酸钠溶液。用高锰酸钾标准溶液滴定至淡红色，30s不褪色，即为终点，记录回滴体积（V2）。

（4）校正系数K

取100mL蒸馏水于250mL锥形瓶中，加10mL硫酸(1:2)，准确加入0.005mol/L草酸钠标准溶液10mL。水浴加热至75-85℃，用KMnO4滴定至微红色，记下体积(V3)。K=10.0/ (V3- V4)

（5）空白测定

取100mL蒸馏水于250mL锥形瓶中，加10mL硫酸(1:2)，水浴加热至75-85℃，用高锰酸

钾滴定至微红色，记下体积(V4)。

COD(O2 mg/L)={[( V1 +V2 -V4)*K-1.00]*c(Na2C2O4)*16.00*1000}/V水样

六、结果与讨论

1 KMnO4标准溶液的标定

浓度的计算式如下：

C=m(Na2C2O4)*25.00*2/{[M(Na2C2O4)*V(KMnO4)/1000]*250.0}*5

标定KMnO4标准溶液的数据如下表1所示。

表1 高锰酸钾标准溶液的标定

内容 1 2 3 m(Na2C2O4)/g 0.1689

V(Na2C2O4)/mL 25.00 25.00 25.00 V1/mL 0.73 0.10 0.11

V2/mL 26.61 26.12 26.11 △V/mL 25.88 26.02 26.00 c(KMnO4)mol/L 0.0019 0.0019 0.0019

c 0.0019

得出KMnO4标准溶液的浓度为0.0019mol/L.

2 体积比K的测定

K的测定公式为：K=10.00/(V3-V4)，测定数据如表2所示。

表2 体积比K的测定

体积比K 1 2 3 1：2硫酸/mL 10

V(Na2C2O4)/ml 10.00 10.00 10.00 蒸馏水/mL 100

V1/ml 0.55 0.13 0.41

V2/ml 11.66 11.22 11.50 △V/mL 11.11 11.09 11.09 V/mL 11.10

求得K为10.00/(11.10-0.20)=0.9183

3．空白试样的测定

测定数据如表所示。

表3 空白值的测定