废水处理用新型光催化剂的制备及应用

赵鹏雷

辽宁省环境科学研究院，辽宁沈阳 110031

1 试验目的和方法

试验目的：通过罗丹明B在光催化剂、水溶液的PH值以及YVO4纳米粉体的粒径都各自不同的情况下的光催化降解率来分析影响光催化有机废水的各种因素，探究怎样的条件下废水的处理效果最佳，以此来证明YVO4纳米粉体催化废水的可行性。

研究方法：研究对象为罗丹明B水溶液，用罗丹明B来模拟有机废水进行试验研究。考虑各种影响因素，充分运用已有的各种设备，采用单因素试验和正交试验的方法，寻找能使废水处理达到最佳状态的运行参数，另外还初步探讨了YVO4光催化机理。

2 实验部分

2.1 光催化反应器及实验过程

光催化反应实验可在自制的可控温反应器中完成，反应器的组成部分有：400W的高压泵灯、暗箱以及冷却水系统。通过磁力搅拌来使溶液中光催化剂维持在悬浮状态。在循环水的作用下，整个降解过程都在25℃左右下进行。

进行光催化实验时，先在烧杯中放入500mL的罗丹明B水溶液，另外将一些自制的光催化剂放入烧杯，进行超声分散20min；加入0.01mL的NaOH的水溶液调节酸碱度；再将微型的空气泵开启，使水溶液中有空气通入，不停的搅拌60min，使罗丹明B在光催化剂的表面的吸附和脱附能够平衡。最后把少烧杯放入暗箱里，将高压泵灯打开开始光催化降解实验，并每隔10min取出5mL反应液，用高速离心机进行分离后，在罗丹明B的最大吸收波长出用清液检验它的吸光度。

2.2 单因素实验结果和分析

正是实验不需要进行太多的实验就可以找到好的实验条件，但由于水平有限，最佳值还需要做进一步的研究。通过单因素条件研究光的催化条件，以此来获得最佳的参数。

2.2.1 水溶液的pH值对光催化效率的影响

光的催化剂选择粒径为10mm的YVO4的纳米粉体，当光催化剂的浓度达到1g/l时，水溶液的PH值会发生改变，分析光催化剂对降解率的影响。用稀的HCL和NaoH调节成PH值为3，4，5的溶液，实验结果如图1所示。

水溶液的pH 值对催化作用的影响不是单纯的增加或减少线性，而是H+和OH相互之间起作用。从图1中可以看出，光催化降解率随着水溶液pH值的增加而增加。但pH值为4时，降解率的值达到最高。所以合理的选择pH值直接关系到光催化剂效果的提高。

图1 pH值对降解率的影响

2.2.2 光催化剂的浓度对光催化剂效率的影响

反应体系在无光照催化剂条件下进行空白样实验，结果如图2。

图2 光催化剂浓度对光催化剂降解率的影响

经过60min的光照，罗丹明B只降解了20%以下。说明罗丹明B在无光催化剂的条件下降解率较低。

如果光催化剂采用10mm的YVO4纳米粉体，pH值为4时，改变光催化剂的浓度得到以下结果：当光催化剂的浓度为0.59/时，60min的光催化降解率达到87.6%；当浓度为1g/L时，60min的光催化降解率为92%；当光的催化剂浓度为1.5g/L时，一部分的光催化剂会失活，60min的光催化降解率又降低到82.9%。

所以光催化剂的最佳浓度是1g/L。光催化剂的浓度不同，对光催化效率的影响也就不同，这表现的十分突出，如图3。

图3 光催化剂浓度对光催化效率的影响

在没有加催化剂的情况下，光催化效率的值仅为0.0036465；当光催化剂的浓度为0.5g/L时，K值立刻上升到0.20538；当光催化剂的浓度提高到1.0g/L时，K的值达到最大：0.042774；浓度再往上，K值下降为0.03003，最佳浓度下的催化反应速率是不加催化剂的11.7倍。

2.3 光催化降解罗丹明B机理分析

目前光催化反应机理中统一的观点是半导体电子—空穴理论。主要研究在pH不同的情况下纳米TiO2对亚甲基蓝的降解率，此时pH值为9，就是说在弱碱性时对染料的脱色降解有利。说明在紫外光下催化，电子被激发到导带，形成了电子—空穴对。空穴在反应时水中的OH-会被消耗掉。使其成为强氧化活性的OH。

接着电子和空穴会分别与染料发生氧化还原反应完成降解。

如果YVO4的光催化降解罗丹明B溶液过程中符合光催化电子—空穴理论，在紫外光的照射下，电子形成电子—空穴参与到还原降解反应中，那么在碱性条件下，YVO4的催化效率也会很高。实验证明，在特定的酸性条件下，YVO4会达到最好的催化效果。这违背了光催化电子—空穴理论。另外，从YVO4催化降解实验中可以看出，pH值在实验结束后比在实验开始时要大。而且在光催化条件达到最佳状态时，pH值提高了很多，达到了4.5，这说明YVO4有着降低反应，符合光敏化过程。另外，在实验中发现，pH值越低催化效果不一定越好。这表明YVO4催化过程并非是单纯的光敏化过程。而是光敏化与光催化相结合的结果。当光敏化和光催化达到一定的平衡时，催化效果达到最佳状态。

3 结论

总之，本文光催化降解实验中的光催化剂选择了YVO4纳米粉体，还以罗丹明B作为染料模拟废水，探讨了光催化剂的浓度和水溶液的pH值对水溶液中罗丹明B的降解率的影响。得到了以下结论：

1）通过正交实验法分析了YVO4光催化剂水溶液的浓度、水溶液的pH值对罗丹明B降解率的影响。其中，水溶液的pH值对水溶液中罗丹明B的降解率影响最大，其次是光催化剂的浓度，最后是光催化剂的粒径；

2）在光催化剂的浓度为19/L，光催化剂的粒径10mm，水溶液的pH值为4时罗丹明B的降解率能达到最佳状态。

[1]刘晔.废水处理用新型光催化剂的制备及应用研究[D].青岛理工大学，2009(6).

[2]赵金刚.新型光催化剂的制备及降解染料废水的研究[D].青岛理工大学，2010(6).

[3]宣宁，刘红英，刘薇.光催化材料在废水处理中的应用[J].民营科技，2009(9).