纳米TiO2去除水中Fe3+的研究

李春光, 汪 建

(河南省轻工业学校 教务处,河南 郑州 450006)

在人类生产和非生产性活动造成的日趋严重的环境污染问题中，重金属污染如Fe3+污染是较为严重的一类.含Fe3+的废水主要来自矿山坑内排水、废石场淋浸水、选矿厂尾矿排水、有色金属冶炼厂除尘排水、有色金属加工厂酸洗水、钢铁厂酸洗排水以及电解、农药、医药、油漆、颜料等工业.目前,已开发应用的处理废水中金属离子的方法主要有三种.第一种是通过发生化学反应去除，包括中和沉淀法、硫化物沉淀法、铁氧体共沉淀法、化学还原法、电化学还原法和高分子重金属捕集剂法等；第二种是在不改变其化学形态的条件下进行吸附、浓缩、分离，包括吸附、溶剂萃取和离子交换等方法；第三种是借助微生物或植物的絮凝、吸收、积累、富集等作用去除，包括生物絮凝、生物吸附、植物整治等方法.

近年来，用光催化方法来处理废水受到了人们越来越多的关注.多相光催化技术是近二十年发展起来的新兴研究领域，反应体系在催化剂的辅助下能将吸收的光能直接转化为化学能，使原先难以实现的反应在比较温和的条件下顺利进行[1-2].光催化降解法可在常温常压下进行,可利用太阳能、光敏半导体，具有价格较低、回收利用技术简单、污染治理彻底等优点[3-4]，有很好的应用前景.光催化技术一般采用半导体材料作光催化剂，纳米TiO2是其中最为常见的一种.由于纳米TiO2具有合适的禁带宽度，光照产生的光生空穴和光生电子具有很强的氧化还原能力，水中的有机物可以被羟基自由基氧化，而重金属离子可通过接受TiO2表面上的电子被还原[5].因此,纳米TiO2能够被广泛用于光降解有毒有机物、净化空气和水中的污染物[1,6].目前，国内外对半导体光催化的研究尚处于探索阶段，限制了半导体在废水处理方面的实际应用.此外，人们对实际工业中应用所涉及的反应体系优化问题的认识还很缺乏.本文对用纳米TiO2光催化还原水中较为常见的Fe3+进行了研究，以期寻找能提高金属离子脱除率的工艺条件.

1 实验材料和方法

1.1 实验试剂

实验中所用到的主要试剂以及主要用途见表1.

表1 实验试剂Tab.1 Experiment reagents

续表1

化学品名生产厂家纯度备 注NaOH北京世纪红星化工责任有限公司分析纯pH调节剂HNO3北京顺义李遂化工厂分析纯pH调节剂甲醇北京世纪红星化工责任有限公司分析纯有机添加物质乙醇北京世纪红星化工责任有限公司分析纯有机添加物质异丙醇北京世纪红星化工责任有限公司分析纯有机添加物质EDTA北京世纪红星化工责任有限公司分析纯有机添加物质

1.2 纳米TiO2的制备

利用硫酸钛(Ti(SO4)2)和氨水为实验原料，采用中和水解法制备纳米TiO2.在烧杯中加入一定量的去离子水，称取240 g的Ti(SO4)2，在搅拌的条件下将Ti(SO4)2溶于去离子水中，然后转移至2 000 ml的容量瓶中，定容，其浓度为0.5 mol/L.量取800 ml0.5 mol/L 的Ti(SO4)2，倒入三口烧瓶中，然后往三口烧瓶中放入pH电极测定溶液的初始pH值.分液漏斗中加入一定量的浓氨水,在剧烈搅拌的条件下将浓氨水加入，使反应终点尽量稳定在pH=7.0左右.将制备的水合TiO2抽滤，然后加入无水乙醇，强烈搅拌1 h使其分散后再抽滤.滤饼在105 ℃下干燥，然后放入研钵研磨过250目筛.将上述水合TiO2在500 ℃煅烧3 h，形成纳米锐钛型TiO2.

1.3 Fe3+浓度的检测方法

实验中,Fe3+浓度采用紫外分光光度计进行检测.实验先得出Fe3+浓度与吸光度关系的标准曲线，然后测出待测溶液的吸光度进而回归得出Fe3+浓度.

1.3.1 标准溶液的配制[7]

由于Fe3+在较低的浓度下无法显示出颜色，所以实验利用磺基水杨酸—硼酸—硼酸钠体系作为显色介质.取一定量的硝酸铁(Fe(NO3)3)溶液置于25 ml容量瓶中，再加入1 ml磺基水杨酸、10 ml硼酸—硼酸钠缓冲液，用去离子水稀释至刻度，使Fe3+浓度分别为:4 mg/L、8 mg/L、12 mg/L、16 mg/L、20 mg/L、24 mg/L、28 mg/L、32 mg/L、36 mg/L、40 mg/L.

1.3.2 标准曲线

以去离子水为参比液，利用紫外分光光度计测得Fe3+标准液在505 nm下有最大吸收峰，根据实验数据绘出吸光度与浓度的关系曲线.

图1 Fe3+浓度标准曲线Fig.1 The concentration standard curve of Fe3+

实验测出吸光度与Fe3+浓度的线性相关性较好，二者关系为Y=0.007 41+0.035 43X，R2=0.999 8.其中，Y为吸光度；X为Fe3+浓度；R2为相关系数.

2 结果与讨论

2.1 Fe3+的光降解

在无任何光催化剂添加、仅在紫外光照射1 h的空白实验中可以看出，Fe3+浓度是下降的，但是变化的趋势比较小.如图2所示,其浓度由初始的95.29 mg/L下降到了72.27 mg/L，脱除率为24.16%.即在无TiO2添加的情况下，Fe3+的还原反应是可能发生的，但是反应速率和推动力都比较小.

图2 Fe3+的光降解曲线Fig.2 Photo degradation curve of Fe3+

2.2 Fe3+在纳米TiO2上的吸附

实验研究了在无紫外光照射条件下，Fe3+在纳米TiO2上的吸附效果.图3为Fe3+在不同TiO2用量下的吸附曲线.

图3 Fe3+吸附曲线Fig.3 The adsorption curves of Fe3+

在两种不同的TiO2用量下进行了实验，体系中Fe3+的初始浓度为100 mg/L，先对含Fe3+的TiO2悬浮液体系进行超声分散20 min，然后进行磁力搅拌，总反应时长为2 h.由图3可以看出，Fe3+在TiO2上的吸附性较强，并且TiO2用量为2 g/L的体系对Fe3+的吸附效果略好于1 g/L的体系.反应进行1.5 h 后，Fe3+在TiO2上的吸附趋于平衡，在两体系中的Fe3+的吸附率分别达到65.21%和63.96%.纳米TiO2由于粒径小，比表面积高，具有一定的吸附性能，TiO2的用量越大，体系中粒子表面积就越大，所吸附的Fe3+也就越多，脱除效果越好.

2.3 TiO2对Fe3+的光催化

为了考察除了Fe3+在TiO2表面的吸附外，是否还能够进行光催化反应，采取搅拌与紫外光同时作用的方法，对光催化效果进行考察.由于无法排除搅拌对其脱除效果的影响，所以不能单独考察光催化的效果，只能将相同实验条件下的结果进行比较.实验发现，在TiO2用量为2 g/L的体系中，仅在搅拌的作用下，2 h后Fe3+的脱除率为65.21%，但若使搅拌与光催化反应同时发生，Fe3+的脱除率可达到86.86%.同时，在TiO2用量为1 g/L的体系中，仅在搅拌的作用下，2 h后Fe3+的脱除率为63.96%，而在搅拌与光催化的同时作用下，Fe3+的脱除率为96.34%.也就是说，虽然在TiO2用量为2 g/L的体系对Fe3+的吸附效果要优于1 g/L的体系，但是后者的光催化效果要优于前者.实验结果见表2.

表2 Fe3+的吸附及光催化效果Tab.2 The adsorption and photocatalytic effect of Fe3+

悬浮体系中，光催化剂TiO2有一个最佳用量，适当增加TiO2能产生更多的活性物种，增大反应的固—液接触面，加速光催化降解反应速率.TiO2添加量过多，则因光散射作用，光子吸收下降.本体系中，1 g/L的TiO2用量为较优用量.

3 结 论

本文对纳米TiO2去除水中Fe3+进行了研究.结果表明，Fe3+在TiO2光催化剂上有着极强的吸附作用，这使得它非常容易得到电子而被还原.在纳米TiO2为1 g/L，不添加任何还原剂的光催化条件下，Fe3+的脱除率可达到96.34%.

参考文献：

[1] 刘朝晖，缪菊红，沈新元. 纳米TiO2的多相光催化应用研究进展[J].郑州轻工业学院学报，2002，17(3)：43-46.

[2] LITTER M I.Heterogeneous photocatalysis：Transition metal ions in photocatalytic systems, Applied Catalysis B[J]. Environmental,1999(23):89-114.

[3] 吴少林，万诗贵. 光催化氧化技术在环境保护中的应用[J].南昌航空工业学院学报:自然科学版，2002，16(2)：21-24.

[4] 祖庸，李晓娥，屈晓光．纳米TiO2光催化性能与应用[J].钛工业进展，1999(2)：23-26.

[5] 曹跟华，罗人明，任宝山. 光催化反应器在污水处理中的研究现状与发展趋势[J].环境污染治理技术与设备，2003，4(1)：73-76.

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[7] 包桂兰，刘青山．磺基水杨酸差示分光光度法测定不同含量铁的研究及应用[J].内蒙古师范大学学报，2001，30(2)：139-141.