TiO2光催化降解乳酸反应动力学研究

梁欣泉，陆登俊，谢志荣，王双飞

（广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁530004）

TiO2光催化降解乳酸反应动力学研究

梁欣泉，陆登俊，谢志荣，王双飞*

（广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁530004）

以TiO2为催化剂，紫外灯为光源，对乳酸的光催化降解进行动力学研究。乳酸降解反应动力学拟合结果表明，降解动力学规律符合Langmuir-Hinshelwood动力学模型，反应速率常数k=0.0085g/（L·min），一级反应动力学模型与实验数据拟合较好，方差R2大于0.99，乳酸初始降解速率r0随乳酸初始浓度增大而增大。

光催化，乳酸，TiO2，动力学

Abstract：It was studied that the photocatalytic degradation-kinetics of lactic acid with TiO2，using ultraviolet lamp as light source.The results showed that the degradation reactions were in accordance with Langmuir-Himshelwood equation，and the photocatalytic degradation reactions of lactic acid is the first-order kinetics model，R2＞0.99，the initial reaction rate increased with increasing initial concentration of lactic acid.

Key words：photocatalysis；lactic acid；TiO2；kinetics

糖蜜酒精废液成分复杂，由于含有大量的有机酸物质，故酸性强（pH3.5～5.0），色度高，COD 高，属高浓度有机废水，是食品与发酵工业最严重的污染源之一，也是国内外较难处理的工业废水［1］。19世纪70年代开始，有学者将光催化应用到工业废水的处理中，由于光催化降解技术具有高效能、无二次污染等特点，越来越受到人们的关注，应用推广前景广［2-4］。有关光催化技术运用在糖蜜酒精废液的可行性已有所报道［5-6］。本文着重研究糖蜜酒精废液中的有机酸物质的降解动力学规律，由于乳酸是糖蜜酒精废液的有机污染物的主要成分之一［7］，故以乳酸为典型的化合物，从反应级数、反应速率常数等方面研究了紫外光照射下，以TiO2为催化剂，光催化降解乳酸的动力学特征，建立相关的动力学方程，以求探索提高反应速度的途径。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

TiO2Degussa P25 锐钛矿80%，金红石20%，德国德固赛公司。

SGY-1多功能光化学反应仪 南京斯东柯电气设备有限公司；UV8500紫外-可见分光光度计 上海天美科学仪器有限公司；METTLER TOLEDO 320pH Meter型酸度计 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司。

1.2 实验方法

常温下，将乳酸溶液稀释至一定浓度，与一定量的光催化剂TiO2混合，置入反应装置中进行光催化降解，光源采用紫外中压汞灯，光照过程中持续通入空气鼓泡，间隔一段时间取20mL样品，于5000r/min的转速下离心分离15min后，取上清液，用高效液相色谱法（HPLC）测定乳酸溶液的浓度。

1.3 分析方法

1.3.1 液相色谱检测条件 色谱柱：phenomenex C18柱，4.6mm ×150mm，柱温：20℃；流动相为甲醇∶水（20∶80），流速为 1.0mL/min，进样量 10!L；UV 紫外检测器，检测波长：205nm。

1.3.2 乳酸定量方法 将乳酸标准溶液稀释成系列浓度后，在上述色谱条件下进行分析，以峰面积外标法定量，得到乳酸标准曲线方程。

1.4 乳酸降解率的计算

式中：X0-降解前溶液中乳酸的浓度（g/L）；X1-降解后溶液中乳酸的浓度（g/L）。

2 结果与分析

2.1 标准曲线的绘制

将乳酸标准溶液稀释成系列浓度后，按1.3.1的色谱条件进行分析，得乳酸标准曲线见图1，得到的标准曲线为：y=261395x-1753.8（R2=0.9999）。

图1 乳酸标准曲线

2.1 反应级数的测定

实验用 TiO2催化剂分别对初始浓度（C0）为0.050、0.100、0.300、0.500、0.700、1.000g/L 的乳酸溶液，进行光催化降解反应，考察乳酸浓度随时间的变化情况，实验结果如表1所示。

表1 乳酸浓度随反应时间的变化

根据表1的结果，不同初始浓度的乳酸以TiO2光催化降解后的乳酸浓度（C）与反应时间（t）作图，如图2所示。将表1中的实验结果，以ln（C0/C）对反应时间t作图，如图3所示。

图2 乳酸降解浓度C与反应时间t的关系图

图3 乳酸浓度ln（C0/C）与反应时间t的关系图

由图2得到不同初始浓度的乳酸经TiO2催化降解任意时刻的浓度（C）与反应时间（t）的关系回归方程，如表2所示。

由图3得到不同初始浓度的乳酸的ln（C0/C）与反应时间t关系回归方程，如表3所示。

由表2和表3的光催化降解反应回归方程可看出，光催化降解过程中ln（C0/C）与反应时间t的回归方程相关系数R′2都大于0.99，且回归系数R′2高于乳酸降解任意时刻的浓度（C）与反应时间（t）的回归系数R2。

表2 TiO2催化降解不同初始浓度乳酸的回归方程

表3 TiO2催化降解不同初始浓度乳酸的回归方程

由此可说明，零级反应动力学方程不能很明确地描述乳酸经TiO2光催化降解反应的规律。该降解过程中，乳酸浓度的对数ln（C0/C）与反应时间t呈直线关系，符合一级反应特征［8］，说明催化剂TiO2光催化降解乳酸的反应为一级反应。

2.3 动力学常数的确定

用TiO2催化剂对初始浓度C0为0.05～1.00g/L的乳酸溶液进行光催化降解，以t=5min的浓度下降来计算初始降解速率r=（C0-Ci）/t，实验数据及计算结果如表4所示。

表4 乳酸1/r和1/C0数据

由表4结果可见，乳酸初始降解速率r0随乳酸初始浓度增大而增大，将1/r对1/C0作图，结果如图4所示。

图4 乳酸1/r与1/C0关系

由图 4得 1/r对1/C0的回归方程为：1/r=9.6849/C0+117.54，回归系数 R2=0.9911，1/r对1/C0线性关系显著。

由回归方程1/r=9.6849/C0+117.54及Langmuir-Hinshelwood动力学模型1/r=（1/kK）（1/C0）+1/k，求得模型中的动力学参数：反应速率常数k=0.0085（g/L·min），表观吸附平衡常数K=12.136（L/g）。

故光催化降解乳酸的动力学方程为：

由此判断，催化剂TiO2光催化氧化降解低浓度乳酸过程中，乳酸分子首先是以单分子层的形式被吸附在催化剂TiO2表面，然后被体系中产生的具有强氧化性能的羟基自由基·OH氧化降解。根据Langmuir-Hinshelwood机理，我们认为乳酸在催化剂表面的吸附是影响反应速率的重要步骤，乳酸溶液初始浓度对光催化降解反应的影响表现为一级反应。

3 结论

适当增大乳酸浓度，有利于提高乳酸在催化剂表面的吸附速率，是提高降解效率的一个重要步骤。

［1］蔡春林，覃文庆，邱冠周，等.甘蔗糖蜜酒精废水治理及展望［J］.农业环境科学学报，2006，25（增刊）：831-834.

［2］陈国宁，梁欣泉，张晓鹤，等.光催化处理造纸废水的研究进展［J］.中国造纸学报，2008（1）：101-104.

［3］王九思，赵红花，宋光顺，等.负载型TiO2固定相光催化降解含酚废水的实验研究［J］.环境工程学报，2004，5（10）：26-29.

［4］黄亮.光催化氧化技术处理医药废水研究进展［J］.工业水处理，2009，29（8）：10-12.

［5］梁欣泉，陈国宁，王双飞，等.絮凝-光催化处理甘蔗糖蜜酒精废液初步研究［J］.现代化工，2006（S2）：136-139.

［6］梁欣泉，陈国宁，王双飞.甘蔗糖蜜酒精废液光催化工艺优化研究［J］.广西大学学报：自然科学版，2009（3）：366-371.

［7］徐远金，许桂苹，李永库.毛细管电泳-质谱联用法测定糖蜜酒精废液中的有机酸［J］.食品与发酵工业，2005（9）：74-78.

［8］陈诵英，陈平，李永旺，等.催化反应动力学［M］.北京：化学工业出版社，2006，10：135-139.

Study on kinetics of photocatalytic degradation of lactic acid by TiO2

LIANG Xin-quan，LU Deng-jun，XIE Zhi-rong，WANG Shuang-fei*
（Light Industry and Food Engineering Institute，Guangxi University，Nanning 530004，China）

TS201.1

A

1002-0306（2010）10-0124-03

2010-05-11 *通讯联系人

梁欣泉（1966-），男，博士研究生，高级工程师，研究方向：可再生资源与环境保护。

广西自然科学基金资助项目（0640010）。