光催化降解甲基橙实验

光催化降解甲基橙实验

一、实验目的

1、了解TiO2光催化的基本原理；

2、了解TiO2光催化降解甲基橙的影响因素如pH、甲基橙初始浓度等对甲基橙脱色率的影响；

3、学会利用分光光度法测定甲基橙的浓度。

二、实验原理

（一）甲基橙性质

甲基橙（Methyl Orange: MO）别名金莲橙D，又名对二甲基氨基偶氮苯横酸钠。甲基橙为红色鳞状晶体或粉末，微溶于水，不溶于乙醇。甲基橙的变色范围：pH < 3.1时变红，pH > 4.4时变黄，3.1~4.4时呈橙色。甲基橙属于阳离子型染料，是常用的纺织染料的一种，主要用于对腈绝纤维的染色。由于甲基橙分子结构中含有偶氮基（—N=N—），不易被传统的氧化法彻底降解，容易造成环境污染。

（二）TiO2光催化原理

半导体材料TiO2作为光催化剂具有化学稳定性高、耐酸碱性好、对生物无毒、不产生二次污染、廉价等优点，故以TiO2为催化剂的非均相纳米光催化氧化是一种具有广阔应用前景的水处理新技术，倍受人们青睐。

TiO2半导体光催化反应机理图如图1-1所示。半导体粒子具有能带结构，一般由填满电子的低能价带（VB）和空的高能导带（CB）构成，价带中最高能级与导带中的最低能级之间的能量差叫禁带宽度（简写为Eg）。半导体的光吸收闽值与带隙能Eg有关，其关系式为：λg=1240/Eg（eV）。锐钛矿型的TiO2带隙能为3.2 eV，光催化所需入射光最大波长为387.5 nm。当波长小于或等于387.5 nm 的光照射时，TiO2价带上的电子（e-）被激发跃迁至导带，在价带上留下相应的空穴（h+），且在电场的作用下分离并迁移到表面：

TiO2 + hν → h+ + e-（1-1）

光生空穴（h+）是一种强氧化剂（E VB =3.1V)，可将吸附在TiO2颗粒表面的OH- 和H2O分子氧化成·OH自由基，·OH能够氧化相邻的有机物，亦可扩散到液相中氧化有机物：

H2O + h+→ ·OH + H+（1-2）

OH- + h+ → ·OH （1-3）

导带电子（e-）是一种强还原剂（E CB = -0.12V），它能与表面吸附的氧分子

发生反应，产生·O 2-超氧离子自由基以及·OOH 自由基。

O 2 + e - → ·O 2-

（1-4） H 2O + ·O 2- → ·OOH + OH - （1-5） 2·OOH → O 2 + H 2O 2 （1-6） H 2O 2 + e - →·OH + OH - （1-7） H 2O 2 + ·O 2- → ·OH + OH -

（1-8）

上述反应过程中产生的活性氧化物种如：·OH 、·O 2-、·HOO 、H 2O 2等，可以氧化包括难生物降解化合物在内的众多有机物，使之完全矿化成H 2O 、CO 2等无机小分子。

图1-1 TiO 2光催化反应机理图

（三）光催化降解甲基橙的影响因素 （1）溶液初始浓度

光催化氧化的反应速率可用 Langmuir-Hinshelwood 动力学方程式来描述：

r = k K C / ( 1 + K C )

（1-9）

式中 r ——反应速率；

C ——反应物浓度； K ——表观吸附平衡常数；

k ——发生于光催化活性位置的表面反应速率常数。 低浓度时，KC<<1，则上式可以简化为：

r = k K C ＝K′C

（1-10）

即在一定范围内，反应速率与溶质浓度成正比，初始浓度越高，降解速率越大；但是当初始浓度超过一定范围时，反应速率有可能随着浓度的升高而降低。因此，溶液的初始浓度应控制在一定的范围内。

（2）催化剂用量

在一定强度紫外光照射下TiO 2粒子被激发，继而在光催化体系中产生羟基

·O 2-

hν

H 2O OH -

·OH

H 2O

O 2

自由基等系列活性氧化物种，因此较多量的TiO2必然能产生较多的活性物种来加快反应进程，从而提高降解效率，可是当催化剂超过一定量时反应速率不再增加。这是因为过多的TiO2粉末会造成光的透射率降低及发生光散射现象，所以进行光催化降解反应时有必要选择一个最佳的催化剂加入量。

三、实验试剂、材料

1、甲基橙

2、TiO2（P25）

3、1L容量瓶3个

4、1L烧杯3个

5、石英反应器2个

6、50ml移液管2支

7、10ml移液管2支

8、玻璃比色皿1个

9、搅拌子2颗

10、10 ml比色管5支

11、10 ml一次性注射器若干

12、10mL离心管10支

四、实验步骤

1、1 g/L甲基橙储备液的配制：

称取0.5 g甲基橙溶于水中，转移到500 mL容量瓶中，定容、摇匀，得到1 g/L的甲基橙溶液。

2、20 mg/L甲基橙反应液的配制：

取1 g/L甲基橙储备液20 mL于1 L容量瓶中定容，得到20 mg/L的甲基橙溶液，用HCl和NaOH调节甲基橙的pH至3左右。

3、光催化反应实验：

（1）直接光解和TiO2光催化降解甲基橙的对比：

取两个反应器，编号为A、B。

A的条件：用量筒量取20 mg/L的甲基橙150 mL，倒入A反应器中，不加TiO2，放入一颗搅拌子；

B的条件：用量筒量取20 mg/L的甲基橙150 mL，倒入B反应器中，加入0.2 g TiO2。

（2）将两反应器放入光反应装置中，接通冷凝水，打开紫外灯进行光催化

实验。

（3）分别于0 min 、10 min 、20 min 、30 min 、40min 和50min 取样，用一次性注射器（或移液管）取样10 mL 于离心管中，测定甲基橙吸光度。

4、甲基橙浓度的测定

采用722分光光度计在波长为466 nm 下测定甲基橙的吸光度。 （1）甲基橙标准曲线的绘制

取5支10 ml 比色管，用10 mL 移液管分别移取20 mg/L 甲基橙溶液0、2.5、5、7.5、10 ml 于比色管中，制得浓度为0、5、10、15、20 mg/L 的甲基橙标准曲线，绘制吸光度对浓度的标准曲线。

（2）样品浓度的测定

取出的样品在8000 r/min 转速下离心5 min ，在466 nm 波长处测定样品的吸光度，根据标准曲线计算甲基橙的浓度值，按下式计算甲基橙的去除率。

式中：C 0—甲基橙溶液的初始浓度；C t —甲基橙溶液t 时刻的浓度

五、数据记录及分析

1、甲基橙溶液标准曲线数据填入表1中，样品吸光度值数据填入表2。

表1 甲基橙标准曲线数据记录表

浓度（mg/L ）

0 5 10 15 20 吸光度

0.000

0.371

0.692

1.029

1.350

图表标题

y = 0.0672x + 0.0168

R 2 = 0.9993

0.20.40.60.811.21.41.60

5

10152025

吸光度

线性 (吸光度)