通入空气对光催化降解氨氮废水的影响_王颖莉

通入空气对光催化降解氨氮废水的影响王颖莉孙彦平(太原理工大学洁净化工研究所,太原030024)摘要研究了在TiO2薄膜/Ti反应系统中,光催化降解氨氮废水时通入空气对反应的影响。实验结果表明:不通入空气,光催化反应速率慢。通入空气,当pH=10,反应速率快。此时约85%的氨氮以NH3分子形态存在,15%的以NH4+形式存在;氨氮去除率达80%以上,其氧化的产物为NO2-、NO3-;系统中的NH3被·OH氧化生成NO2-,再进一步氧化生成NO3-;体系中通入空气,虽然提高了光催化反应速度,但其中的部分氮气被氧化为NO3-。在实验条件下,氨氮处理液中约7%的硝态氮来自被氧化的空气中的氮气。关键词光催化降解TiO2薄膜氨氮废水文章编号:1005-9598(2006)-03-0034-03中图分类号:X703文献标识码:A收稿日期:2006-02-19作者简介:王颖莉(1967—),女,1989年毕业于太原工业大学化学工程系无机化工专业,在读研究生,高级工程师,现从事应用光化学和水处理领域的研究。在我国目前的水域污染物中,氨氮已成为除高锰酸盐指数外的第二项主要污染物。随着废水中氨氮的允许排放标准越来越低,含氨氮废水处理研究已成为一个热点。降解氨氮的方法除了生物脱氮和物化脱氮法,还有高级氧化法[1]。高级氧化法中的光催化氧化法,由于TiO2性质稳定、催化活性高、无毒、对水中欲降解的物质无选择性、价格低、其光源可利用太阳光等特点[2]而被广泛使用;同时为提高光催化效率,常向体系中通入空气[3],利用空气中所含的氧气为电子捕获剂,来提高光催化效率。采用TiO2为光催化剂去除氨氮[4~7]时,也向反应体系中通入了一定量的空气,并将空气中的氮带入体系中。由于光催化反应的无选择性,会将空气中的氮氧化或还原。本文考察了TiO2光催化降解氨氮废水时,通入空气对反应的影响。1实验方法1.1实验装置TiO2光催化降解氨氮实验中,由于投加粉末状TiO2存在分离回收的问题,容易造成TiO2的损失,实验使用TiO2沉积钛板形成TiO2薄膜作为氨氮光催化反应的催化剂。实验系统使用的沉积TiO2薄膜的钛板几何面积为20cm2,固定量为45mg~50mg,光源利用高压汞灯,由反应系统的一侧射入,其波长为365nm,功率为250W。1.2TiO2薄膜的制备制备TiO2薄膜的涂液选用三氯化钛盐酸溶液(按体积比1:1将TiCl3溶于浓HCl中),用刷涂法将上述溶液涂在处理过的、干燥的钛板上,将涂好的钛板烘干,每涂敷一次在烘箱中进行烘烤,温度为90℃,时间5min,烘烤中要保证溶剂全部挥发,以免影响化学性能。再在马沸炉中,控制温度在350℃,氧化10min,冷却至室温,将上述的涂敷过程重复数次,直至钛板上薄膜固定量达45mg~50mg。最后将热氧化处理好的钛板在500℃处理1h。经XRD衍射分析,此法制备的TiO2薄膜为锐钛型。1.3实验步骤及分析方法将50mL初始质量浓度为120mg/L的氨氮处理液倒入反应器中,用硫酸溶液、氢氧化钠溶液调节控制反应的pH值,打开增氧泵通入空气,以提高反应液中的氧含量和光催化效率。打开高压汞灯稳定后反应180min,间隔30min取1mL反应液进行分析,用钠氏试剂比色法测定氨的浓度,确定氨氮的去除率,用美国戴安公司阴离子柱检测NO3-、NO2-,来确定反应的产物。2结果讨论2.1通入空气,不同pH下,TiO2光催化氨氮的效果在TiO2光催化氨氮的反应中通入空气,参照空气吹脱法去除氨氮的实验[8,9],控制空气通入量。在此第3期(总第124期)2006年6月煤化工CoalChemicalIndustryNo.3(TotalNo.124)Jun.2006—34—2006年6月图1通入空气、pH=2时氨氮降解的结果条件下的空白实验,未发现吹脱出的氨。氨氮在溶液中以NH4+、NH3形式存在。为考察TiO2是与NH4+还是与NH3发生反应,分别在pH=2、pH=10时,进行了实验。当pH=2时,溶液中99%的氮以NH4+形式存在,光催化体系中通入空气,反应180min,氨氮光催化反应结果如图1所示。从图1中可以看出,在pH=2时,随着反应时间的增加,体系中氨氮含量增加。此时,氮主要以NH4+形式存在,由于TiO2表面质子化,带有正电荷,抑制了NH4+的吸附,利于TiO2光生电子向表面转移,·OH不能与NH4+反应。通入体系空气中的氮气被还原为NH4+,OH-被氧化为O2。当pH=10时,以NH3的形式存在的氮占85%,此时,氨氮的去除率达81.93%,氨氮由120mg/L降至21.70mg/L,实验结果如图2所示。从图2可知,pH=10时,氨氮主要以NH3存在,TiO2表面带负电荷,有利于空穴由颗粒内部到表面和NH4+的吸附,且界面附近过量的OH-,