光催化降解染料废水研究

屠灏然

摘 要：本试验是使用甲基橙溶液模拟染料废水为研究对象，对甲基橙溶液的初始浓度，pH值，H2O2，紫外线光照以及照射时间等因素对甲基橙光催化降解率的影响分别进行了研究。通过试验结果表明，紫外线光照对于甲基橙的氧化降解起到关键作用。紫外线光照条件下甲基橙溶液氧化降解速率明显大于未受到光照的溶液。随着甲基橙溶液浓度的增加，催化剂浓度不变，氧化降解效率明显降低;本实验条件下，pH值对于甲基橙降解率的影响较小;随着催化剂浓度的增加，甲基橙溶液浓度不变，甲基橙氧化降解率增大。

关键词：印染废水;甲基橙;光催化;H2O2

中图分类号：X788 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）04-0006-03

0 引言

伴随着我国经济建设的高速发展，生产制造业所产生的工业废水量逐年递增，由此造成的水环境污染问题日趋突出。2002年国家环保总局公布的数字表明，地表水流经城市的河段污染较重，城市居民日常生活排放的污水含有大量的有机物质，尤其是有的工业废水还含有有毒有害的人工合成有机物。目前，我国的纺织印染业产能已达到1.0×106t/a，约占据全球总量的65%，其产生的染料废水却造成我国水环境污染最主要的元凶之一。染料废水成分复杂、色度深、水质变化大、可生化性差等特点成为较难处理的污废水之一。因此高效经济的处理印染废水不仅对印染行业，对大家的生活环境，乃至对全国的可持续发展都有深远的影响。[1]

高级氧化法是一种用羟基自由基作为主要氧化剂的降解方法，其中光催化方法相比其他方法具有诸多优点，在染料废水处理领域中广泛使用可以有效提高处理效率和降低处理成本。

在以往的处理过程中，仅使用化学试剂或者紫外灯照射来降解染料废水，往往不能达到所需的效果。然而，此实验将两者结合同时使用，氧化剂在紫外光的辐射下，就会产生高活性和高氧化性的自由基（如·OH），通过这种光化学氧化法的运用，来弥补仅使用单一氧化还原技术的不足之处，从而大大提高染料废水的降解效率。

UV/H2O2法对染料废水的降解主要是利用H2O2分解产生的·OH。其反应过程如下：

在此过程中所产生的羟基自由基拥有很高的氧化性和活性，可以通过电子转移、亲电加成或者脱氢等方式，来和染料中的有机分子相互作用，使之降解成为水和二氧化碳。

本次实验选用甲基橙（Methyl orange）作为目标物，考察不同影响因素对染料废水降解效果的影响，优化降解模拟染料废水的方法。

1 实验

1.1 实验仪器与试剂

仪器：紫外-可见分光光度计（Sh-imadzu Corporation，Japan）、光催化系统（自制）、烧杯、pH计（METTLER TOLEDO）、移液枪（eppendorf）、石英比色皿（光亮高科）、洗瓶、容量瓶、紫外灯管（功率：23W/0.4A）。

试剂：NaOH（SCR沪试 ）、30%过氧化氢（SCR沪试）、甲基橙（aladdin）、浓盐酸、超纯水。

1.2 实验步骤及方法

1.2.1 甲基橙染料废水标准曲线的绘制

（1）pH<3.1时，甲基橙呈现酸性分子形式，最大吸收波长约为506nm;

（2）pH>4.4时，甲基橙以盐的形式存在，最大吸收波长约为464nm。

普遍情况下，印染废水的pH值都会大于4.4，因此，做出此条件下甲基橙收标准曲线。

首先配制不同浓度的甲基橙溶液，该溶液浓度C分别为0，2，4，6，8，10mg/L。在464nm的波长下，用分光光度计测定不同浓度C的甲基橙溶液的吸光度A，做出A-C标准曲线。

1.2.2 光催化实验装置搭建及甲基橙光催化降解实验

（1）将配置的不同浓度的甲基橙溶液加入到500mL烧杯中，以模拟染料废水，并通过向溶液中添加浓盐酸和氢氧化钠的方式来调节染料溶液的酸碱度;

（2）用紫外灯管照射;最后，在染料废水中加入H2O2，采用紫外-可见分光光度计测定不同反应时间条件下染料的吸光度。通过紫外-可见光谱测试光催化氧化前后染料溶液的样品，并对结果进行比较和分析。

通过测定紫外线光照射前后溶液的吸光度值，根据甲基橙溶液的标准曲线，得到反应前后甲基橙溶液的浓度，通过下列公式计算甲基橙溶液的降解率R：

其中：C0为紫外线光照前甲基橙溶液的浓度，Ct为光照后甲基橙溶液的浓度。

分别研究不同因素对甲基橙光催化降解速率的影响，主要包括pH，H2O2的初始浓度、染料的浓度以及紫外线光照时间。

2 研究结果

2.1 不同催化体系的效果对比

随着甲基橙浓度的增高，溶液的吸光度逐渐升高。

2.2 光照对甲基橙氧化降解的影响

相同浓度，pH条件下，约40min左右，受光照的甲基橙基本降解完毕，而未受光照的甲基橙降解率几乎为0。由此可见，光照对于甲基橙降解起到关键作用，紫外光照的甲基橙降解率显著高于未光照的甲基橙降解率。

2.3 光照时间对甲基橙氧化降解的影响

20ppm甲基橙讲解研究表明50min内，甲基橙降解率迅速增加;在50-80min内，甲基橙降解率增速比之前慢;80min时，甲基橙基本降解完成，降解率100%。

2.4 甲基橙初始浓度对降解效果的影响

在15min左右，5ppm的甲基橙已经全部降解完成;在30min左右，10ppm的甲基橙已全部降解完成;在30min时，20ppm的甲基橙降解率为64.31%;在30min时，30ppm的甲基橙降解率为23.58%。随着甲基橙溶液浓度的升高，降解速率逐渐减缓，降解率降低。

2.5 pH对降解的影响

pH=3时，峰值取值在波长为506nm时，因为在pH<3.1时，甲基橙的存在形式为酸性分子;pH=5.95时，峰值取值在波长为464 nm时，因为在pH>4.4时，甲基橙的存在形式为盐。

pH=3和pH=5.95的10ppm甲基橙溶液在0-15min内降解率基本相似，而在15-20min时，pH=3的10ppm甲基橙溶液降解率明显小于pH=5.95的10ppm甲基橙溶液降解率;在20-30min时，pH=3的10ppm甲基橙溶液降解率明显大于pH=5.95的10ppm甲基橙溶液降解率;30min左右时，pH=3和pH=5.95的10ppm甲基橙溶液基本降解完成。

在pH=3时甲基橙溶液吸光度明显高于pH=5.95的甲基橙溶液吸光度。

2.6 H2O2的用量对甲基橙氧化降解的影响

若不加催化剂，约130min时500mL30ppm的甲基橙氧化降解完毕;如果加入25μL的催化剂，约70min时500mL 30ppm的甲基橙氧化降解完毕;如果加入50μL的催化剂，约45min时500mL30ppm的甲基橙氧化降解完毕。甲基橙的氧化降解速率随着催化剂的浓度升高，而呈增大趨势。

3 结语

甲基橙溶液在不同实验条件下的氧化降解过程中，液浓度越高，吸光度也会逐渐变大，由A—C曲线可以得出相应的溶液浓度C，通过本实验主要得到以下结论：

（1）在相同条件下，甲基橙浓度越高，其氧化降解率越低;（2）在相同条件下，光照可使甲基橙溶液的降解率明显增大;（3）在相同条件下，pH=5.95的甲基橙溶液的降解率呈先快后慢的趋势，pH=3的甲基橙溶液降解率呈稳步上升趋势，变化相对平缓，但不同pH值的甲基橙溶液的降解时间基本相同;（4）相同条件下，催化剂浓度越高，甲基橙溶液的降解速率越大。

参考文献

[1] 李芸.UV-fenton/纳米TiO2催化氧化法处理印染废水的研究[D].武汉理工大学，2010.