潮跃纳米浮漂N系列 [N、Zn共掺杂纳米TiO2光催化剂的制备及其光催化降解甲基橙应用研究]

　　摘要： 以TiOSO4和ZnSO4・7H2O为原料，NH3・H2O为沉淀剂，采用超声波-微波化学共沉淀法制备具有可见光催化活性的N、Zn共掺杂纳米TiO2纳米粉体，并用XRD、UV-VIS对其进行了表征。在可见光下，考察了N、Zn共掺杂纳米TiO2光催化降解甲基橙的光催化性能。通过正交试验得出降解甲基橙的最佳工艺条件，并在最佳条件下做验证实验得出在太阳光下照射6h，光催化剂重复使用4次后降解率仍可到达74.2%，有超声分散、搅拌的条件下降解甲基橙降解率达到98.2%。
　　Abstract: N、Zn co-doped TiO2 nanometer photo-catalysts（NZT）, which have photo-catalysis in invisible spectral rang, were prepared with TiOSO4 and ZnSO4・7H2O as raw materials, NH3・H2O as precipitant by co-precipitation method. It was characterized by XRD and UV-VIS. Photo-catalytic activities of N、Zn co-doped TiO2 catalysts under visible light irradiation by photo-degradation of methyl orange. Verification experiment in the optimum conditions showed that the degradation ratio of methyl reached 98.2%, under sunshine for 6h, with ultrasound dispersing and whipping, and it"s still 74.2% four times reused.
　　关键词： TiOSO4和ZnSO4・7H2O；纳米粉体；光催化剂
　　Key words: TiOSO4 and ZnSO4・7H2O；nanometer；photo-catalyst
　　 中图分类号：TH6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）11-0309-02
　　
　　0 引言
　　印染废水种类多、水量大、含有机物成分复杂、可生化降解性差，其中含有的有毒成分可以削弱有机污染物的微生物矿化作用，会引起水生生态系统微生物的减少；导致水体生态系统的破坏其中属于偶氮染料的甲基橙是具有代表讯的一种，废水中残留的染料组分排入水体会造成水体透光率下降，它易溶于水，其性质十分稳定，用传统的生物降解方法难易降解。TiO2光催化技术能使有机污染物完全氧化分解去除，它通过生成具有强氧化势的・OH自由基，另外，光催化技术具备可利用太阳能、不产生二次污染，成为最具潜力的染料废水处理方法之一。随着技术的发展，它还具备使用设备简单、操作条件容易控制等优点，被业界广泛应用。
　　通过正交试验，可得出降解甲基橙的最佳工艺条件，以期为难降解印染废水的可见光催化处理提供依据。本文以TiOSO4和ZnSO4・7H2O为原料，NH3・H2O为沉淀剂，采用超声波-微波化学共沉淀法制备具有可见光催化活性的N、Zn共掺杂纳米TiO2纳米粉体（简称NZT），并用XRD、UV-VIS对其进行了表征。在可见光下，考察了N、Zn共掺杂纳米TiO2光催化降解甲基橙的光催化性能。
　　1 实验部分
　　1.1 试剂与仪器
　　试剂：所用试剂均为分析纯，购自天津市化学试剂三厂。
　　仪器：X射线粉末衍射仪，日本岛津公司XRD-6000；测UV-755B型紫外-可见分光光度计，上海楚定分析仪器有限公司。
　　1.2 催化剂制备 按ZnO与TiO2的比例，量取一定质量的硫酸锌和硫酸氧钛，分别溶解，混合均匀后，置于恒温超声水浴中，剧烈搅拌下缓慢滴加氨水至pH为7。采用超声波分散一定时间，搅拌直至用饱和BaCl2检验滤液中无SO■■，然后微波干燥后研磨煅烧获得疏松的NZT纳米粉体。
　　1.3 吸收范围测定 如要得到制备的纳米粉体对光谱的响应范围达到可见光区，可采用UV-VIS分光光度法，对离子改性样品进行测试。扫描波长从200-600nm，每隔5nm测定一次吸光度。
　　1.4 光催化降解实验 光催化性能检测实验是以甲基橙为底物在攀枝花地区于9月下旬至10月上旬进行。在烧杯中加入配制好的一定质量浓度的甲基橙溶液，在超声环境下将催化剂均匀分散后，于太阳光下边搅拌边超声分散，用冰乙酸调节至合适的pH值，加入适量的催化剂，进行光催化反应。反应过程中保持正常的流通空气，用UV755B型紫外可见分光光度计在464nm处，每小时取1次样，离心分离，取上层清液，测定甲基橙水溶液的吸光度的变化，计算降解率。为获得对甲基橙的实际降解效果，还要同时加以催化剂空白进行测试。
　　2 结果与讨论
　　2.1 XRD表征
　　通过与标准图谱相比较，可得到样品的晶型。通过Scherrer公式可以推算样品的平均粒径约26nm。
　　2.2 UV-VIS表征
　　由图3可见，N掺杂纳米TiO2与无掺杂TiO2相比，在400-500nm处出现了明显吸收，NZT纳米粉体比N掺杂纳米TiO2的光催化效率又有所提高。
　　2.3 实验条件对甲基橙降解的影响 做正交设计实验，实验过程的参数分析结果如表1中。在单因素实验的基础上，为综合考察催化剂投加量（A）、初始浓度（B），pH值（C）对降解率的影响。
　　三因素三水平正交设计实验结果如表2所示。
　　初始浓度对降解率影响最大，溶液的pH次之，催化剂最小。由表2可得，对降解率而言，极差Ri表明影响因素作用大小顺序依次为A＞B＞C，所以最佳工艺条件选择为A1B1C1，即初始浓度5mg/L，pH为1、催化剂的投加量为1g/L。
　　2.4 验证实验 验证实验工艺条件为正交设计实验所得最佳工艺条件即初始浓度5mg/L，pH为1、催化剂的投加量为1g/L，加入双氧水0.8mL。所采用的实验装置单因素实验、正交实验相同。本实验制备的NZT纳米光催化剂其激发波段已红移至可见光区，具有较强的可见光催化性能。在太阳光下照射6h，甲基橙的降解率为98.2%。
　　3 结论
　　本文以TiOSO4和ZnSO4・7H2O为原料，NH3・H2O为沉淀剂，用可见光催化活性的NZT纳米粉体制备化学共沉淀法，通过XRD、UV-VIS等手段对NZT纳米粉体进行表征。NZT纳米粉体的吸收边发生了红移，具有可见光催化活性，当从原来的紫外光区移至可见光区时。本文主要采用UV755B型分光光度计对NZT纳米粉体进行了UV-VIS表征。以偶氮染料甲基橙的光催化降解反应为模拟污染物，考察了TiO2纳米粉体对甲基橙水溶液的催化降解性能。用正交设计实验的方法，得出了pH值为7、Zn掺杂量为2%、煅烧温度为500℃下制备的纳米粉体的光催化降解率最高，主要是通过对pH值、Zn掺杂量、煅烧温度对太阳光下降解甲基橙的考察。通过正交设计实验，可得出降解甲基橙的最佳工艺条件为：在太阳光照时间6h时,初始浓度5mg/L、pH为1、催化剂加入量1g/L，氧化剂加入量0.8mL。最佳条件下做验证实验得出：光催化剂在重复使用4次后其降解率仍可达到74.2%，在超声分散、搅拌的条件下，在太阳光下照射6h，降解甲基橙降解率可达到达到98.2%。
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