碘酸(A.R)华东医药有限公司;钛酸四丁酯(C.P)华东医药有限公司;实验用水为超纯水。
X射线衍射粉末仪(ThermoARLSCINTAGX'TRA型),美国热电公司;孔径比表面测定仪(ASAP2010型),美国麦克仪器公司;紫外-可见分光光度计(SpectroUV——2500型),日本岛津公司;酸度计(PHs——25型),上海精密科学仪器有限公司;台式自动平衡低速离心机(LDZ4——1.2型),北京京立离心机有限公司。
光催化实验装置为自制的耐热玻璃材质的光催化反应器,其镝灯光源光谱十分接近于太阳光谱,可达到太阳光模拟器B级标准。
1.3催化剂的制备
催化剂I——TiO2的制备方法如下:首先称取2.64g碘酸溶于80mL水中并转移至三口烧瓶内,在不断搅拌下逐滴加入51mL钛酸四丁酯。其后将生成的白色粘稠液体置于水浴锅中80°C恒温烘干并研磨,再将得到的粉末转移至坩埚中并放入马弗炉中,以5℃/min的速率升温至400℃并保温2h,自然冷却后研磨即可。
1.4光催化深度处理污水的方法
2结果
2.1催化剂的表征结果
为催化剂的XRD图谱。图中清晰的显示样品以TiO2锐钛矿(anatase)晶型为主,清晰呈现出对应于锐钛矿相anatase(101)、(004)、(200)、(105)、(204)晶面的衍射峰。采用Debye——Sherrer公式计算得到的样品平均晶粒尺寸约为5.5nm,比表面积为145.6m2/g。可见,自制催化剂具有较小的平均粒径和较大的比表面积,这将在光催化反应中吸附污染物分子,形成更多的活性反应中心。
可以看出在可见光区域400~800nm范围内都有较明显的可见光吸收现象,说明催化剂的确在可见光区域有很好的光吸收活性。已有的研究表明,在I掺杂的TiO2晶体结构中,其在400~475nm范围内较明显的可见光吸收现象可归结为I元素掺杂入TiO2后,可在TiO2的禁带内形成能够吸收可见光的杂质能级,从而拓展TiO2光吸收偏向可见光区转移。
2.2光催化脱色实验
2.2.1催化剂投加量的确定
分别投加0.5g/L,1.0g/L,1.5g/L及2.0g/L催化剂粉末,光照3h后测污水的色度变化,可以看出,催化剂的投加量有一个最佳值1.5g/L,低于或高于这个最佳值,色度的去除率都会降低。也就是说,催化剂的投加量并不是与光催化的效果成正比。这是因为当催化剂投加量过少,则有效光子不能完全转化为化学能;但若投加量过多时,又会使水中的浊度增大,影响光的透射,进而降低了光反应效率,且还容易导致催化剂颗粒的团聚,使得催化剂比表面积变下,减少了反应活性位。
2.2.2污水pH值的影响
原水的pH值约为6.5,再调节污水pH值分别为5.5、6.0、7.0和7.5,均投加催化剂量为1.5g/L,光照反应3h测定的污水色度去除率。
可知,在污水原始pH值6.5的弱酸性条件下其色度去除效率最高,即污水不需调节pH值;酸性条件次之,碱性条件下效果最差。这可能是由于催化剂纳米粒子在弱酸性条件下的分散效果最好,分散的越好,其受到的光照面积也就越大,产生的光生电子-空穴对也越多,则活性最好;但若水溶液pH值过低时,催化剂容易发生团聚现象,不利于其分散,所以催化效果也受到影响。
2.3光催化去除炒货食品加工污水色度的性能评价
2.3.1条件对比
为评价I——TiO2光催化去除炒货食品加工污水色度的实际性能,消除催化剂吸附及光分解造成色度下降的影响,本研究分别比较了暗态吸附、纯光照和光催化试验的色度去除效果。
由结果可知,单纯的催化剂(只加催化剂,不光照)或单纯的光照(只光照,不加催化剂)对于色度的去除都几乎无效果。而当在镝灯照射下,污水pH值为6.5,投加1.5g/L的I——TiO2催化剂后反应3h,污水色度去除率可达到86%。
2.3.2稳定性研究
为了验证模拟阳光下光催化深度处理炒货食品加工污水脱色效果的稳定性,本次研究对同一个污水样(静置沉淀2h后将上部液体分成三份),在相同操作条件下进行了三次重复性实验。三次实验中分别对污水COD的去除率达到86%、82%和84%,可见实验结果稳定可靠。
2.3.3光催化剂重复使用效果
为验证催化剂的活性保持效果,本研究进行了催化剂的重复使用实验。催化剂重复使用2次可保持较好效果(第1次86%,第2次74%),但使用第3次的效果已显著下降(第3次43%)。但若将催化剂进行洗涤处理后重新活化使用,其仍可保持较高的活性(69%)。
3结论
多项单元技术的优化组合将是当下水处理技术领域的发展趋势,在加深对利用光催化深度处理炒货食品加工污水的脱色处理的研究认识的基础上,要得到高效且实用的光催化处理技术,必需进一步结合催化剂固定、适宜光催化反应器的研发以及多重工艺的组合方法研究,来增强光催化水处理技术的应用前景。