云母锌光催化剂的研制与应用

王静

摘要：纳米ZnO作为一种新型功能半导体材料具有一般ZnO产品无法比拟的特殊纳米材料性能，如其独特的颜色效应、高效的光催化作用。而用于光催化剂的纳米ZnO，可采用优良载体材料做成悬浮负载型光催化剂，使其具备悬浮性催化剂的高效性，又可顺利回收。本研究对云母锌的镀膜条件进行了优化，水浴温度为60℃，云母与ZnSO4·7H2O质量比为1：3，反应时间为3h时，所制得产物的催化性能最好。

关键词：纳米ZnO；白云母；光催化剂；再生

一、实验部分

1纳米ZnO/云母复合材料的制备

云母的预处理

取30g白云母于研钵内，研磨10-20min，将研磨后的云母转入500ml烧杯内，加入50ml1mol/L的盐酸和150ml去离子水，搅拌。将恒温磁力搅拌器的温度调至60℃，放入烧杯，加热搅拌10-15min。加热完毕，倒出酸液，用去离子水冲洗云母，洗至电导率在100μs/cm以下，冲洗完毕放入电热恒温鼓风干燥箱内，烘干温度为90℃。烘干后取出云母，备用。

纳米ZnO/云母制备反应

（1）用电子天平分别称取16g ZnSO4·7H2O，和3g经过与处理的白云母，用量筒量取200ml阴离子树脂于1000ml烧杯中。

（2）将ZnSO4·7H2O置于烧杯中加入200ml去离子水溶解，倒入云母搅拌。

（3）设置恒温磁力搅拌器温度，使水温升至60℃。

（4）将盛有树脂的烧杯放入水浴锅内，加入转子，并将ZnSO4与云母混合物缓慢倒入树脂中，反应3h。

（5）停止加热，用滤网将树脂与产物分离，待产物沉降后倒出上清液。将产物放入电热恒温鼓风干燥箱内烘干，烘干温度为90℃。

（6）烘干后取出产物，放入玛瑙研钵，研磨20-30min，研磨后放入袋内，标记药品用量及反应时间，待分析。

（7）变换ZnSO4·7H2O的用量，以及水浴搅拌的时间，重复以上步骤。

2光催化性能的测定

（1）准确称取0.120g云母锌和0.004g甲基橙于烧杯中，放入超声波清洗器使其呈悬浮状。

（2）测其吸光度，测定光催化前的COD。

（3）放入转子，将其置于磁力搅拌器水浴锅中，水浴温度为15℃。

（4）打开紫外灯，避光照射4h。

（5）反映结束后，再次测定其吸光度和上清液的COD。

（6）画图比较光催化前后其吸光度的变化，计算光催化的颜色去除率，比较光催化前后的COD，计算COD去除率。

二、实验结果与讨论

1物料比的影响

紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）分析

当云母质量为3g，ZnSO4·7H2O质量分别为14g、15g、16g、18g，在相同反应时间时，所制得纳米ZnO/云母复合材料。复合材料在紫外区250nm处有吸收峰，说明其在此处对紫外线有很强的吸收特性。随着波长的增加，吸光度随着减小，即其对可见光的吸收逐渐降低。

当质量比为3：15时其吸光度最大，即其紫外吸收性能最好，而其质量比为3：18时，吸光度最小，紫外吸收性能最差。

COD及颜色去除率评价

云母与ZnSO4·7H2O质量比为3：15，光催化前后的COD去除率和颜色去除率都最大。

综上分析，在反应时间，反应温度相同条件下，当云母与ZnSO4·7H2O质量比为3：15时，制得的纳米ZnO/云母的光催化性能最好，又15gZnSO4·7H2O可生成4.2gZnO，即云母与ZnO的质量比为3：4时，制得产物的光催化效果最好。

2镀膜反应时间影响

紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）分析

在云母与ZnSO4·7H2O质量比同为3：15，反应温度同为60℃，反应时间分别为2h、3h、4h时制得纳米ZnO/云母复合材料，反应时间为3h时吸光度最大，即其紫外吸收性能最好，而反应时间为4h时，吸光度最小，紫外吸收性能最差。

COD及颜色去除率评价

在云母与ZnSO4·7H2O质量比同为3：15，反应温度同为60℃，反应时间为3h时制得的纳米ZnO/云母复合材料，光催化前后的COD去除率和颜色去除率都最大。综上分析，在云母与ZnSO4·7H2O质量比相同，反应温度相同条件下，反应时间为3h时，制得的纳米ZnO/云母复合材料的光催化性能最好。

再生结果分析

本实验使用湿机械化学-离子交换再生法。催化剂、树脂、水、气体通过抽气泵实现三相搅拌，催化剂在床层中产生剧烈的摩擦，表面附着颗粒层密度显著减少，并促进催化剂表面吸附的例子和沉积物转移到树脂上，同时，光催化剂表面在机械力的作用下发生转换，从而随着催化剂上的中间产物和树脂上羟基的交换，使光催化剂的光催化性和表面结构得到恢复。树脂剧烈摩擦产生的碎片带有很大能量，可以瞬间转移到云母锌上，改变其极性，使其分散性得到很大的改善，有利于光催化过程。

失活的云母锌复合材料经过再生后，与定量甲基橙配成200ml混合溶液，进行紫外照射，使其再次失活，紫外照射前后对混合溶液进行COD测定，并进行催化剂的COD单位去除量。

纳米ZnO/云母经过4次再生后，云母锌的COD去除量并未有明显降低；纳米ZnO/云母中云母与ZnO的质量比为3：4，经计算当中ZnO的COD单位去除量基本不变。综上，说明再生产物的光催化性能比较好，与原产物相比未发生较大变化，再生实验较成功。

三、结论

以离子交换树脂作为交换络合剂，以ZnSO4·7H2O和层状云母为原料，在水浴条件下制备纳米ZnO/云母复合材料，对镀膜条件进行了优化；并对其光催化性能進行了评价；最后还对失活的纳米ZnO/云母复合材料进行了循环再生。

云母与ZnSO4·7H2O质量比为1：3的溶液，与阴离子交换树脂混合，在60℃的水浴中搅拌，反应时间为3h的条件下制备了纳米/云母复合材料。

甲基橙的特征峰，分别是290nm和465nm。290nm出的吸收峰是由苯环共轭体系产生的，一般较难降解；而465nm处的吸收峰是由甲基橙的偶氮双键显色集团产生的，一般较容易配降解。纳米ZnO/云母复合材料在弱碱性条件，紫外灯照射4h下光催化性能良好，其颜色去除率最大可达96%，COD去除率可达83%。endprint