TiO_2悬浮体系下光催化降解愈创木酚的动力学研究_王昶

中国造纸学报TransactionsOfChinaPulPandPaperVol.22,No.4,2X()7iT02悬浮体系下光催化降解愈创木盼的动力学研究王艇陈文东(天津科技大学,李桂菊贾青竹天津,3以又57)摘要:以木素的模型物愈创木酚(G一M)为对象,采用自制的纳米iTo:作光催化剂,对G一M光催化降解的动力学特性进行了研究。根据吸附特性和表面光催化降解反应得到了C一M光催化降解过程的动力学方程:l/;二1.74/c十0.1034。由半衰期法对动力学方程的讨论,发现实测值与计算值的差是由于中间产物在催化剂表面上与G一M的竞争,降低了催化剂对G一M有效降解的程度。对于不同初始浓度,其动力学方程近似表达成3种不同的形式。关键词:木素;光催化降解;愈创木酚;吸附平衡;反应动力学中圈分类号:X793文献识别码:A文章编号:1创X)一6842(2X()7)04一印56一05造纸废水里有机物组分复杂,处理难度大,采用单一的生物氧化处理技术处理这类废水时,必然存在难降解的高分子有机物去除不彻底、处理后废水色度较高、COD去除不够理想等不足之处。光催化氧化技术可以作为一种有效的净化水和大气的方法,可将水中污染物完全矿化,在染料废水【’〕、农药废水〔’]和造纸废水[’〕的处理中得到了广泛应用。特别是近年来,应用高级氧化水处理工艺的研究获得了显著进展,尤其是光催化剂ITO:表现出最高的氧化活性和很强的抗腐蚀性〔4一,],在光催化氧化法处理废水中取得了尤为突出的效果。对于光催化的主要机理和光催化反应动力学模型的建立引起了人们极大的关注,提出了相应一些动力学模型,特别是采用Langrniur一iHsnhelwod定律揭示的光催化机理已被许多光催化反应实验证实〔`一,)。本研究利用iTo:光催化氧化反应技术,以造纸废水中木素类物质的代表物—愈创木酚为实验待测物,在前期讨论了ITO:的悬浮体系对愈创木酚降解多个影响因素的基础上,运用肠ngmiur一iHsnhelwod速率方程深人研究木素类化合物愈创木酚的光催化降解动力学行为,提出了控制光催化降解的反应动力学模型,由实验数据确定相应的动力学参数,为实际光催化降解反应器的设计提供基础数据。1实验1.1光催化反应器反应器的设计采用静态的批处理装置,光催化反应在耐热玻璃制成的双层圆柱状反应器中进行,外层为循环冷却水区(外径orcm),内层为反应区(中sx15。m,总体积为750。m,)。反应在敞开体系中进行,溶液体积控制在50m;L光源为人造光源(252型lw的紫外灯)置于反应器中部,波长入为253.7nm;外层循环冷却水温度控制在(20士2)℃。在整个反应过程中,反应器置于磁力搅拌器上,不断进行搅拌,使悬浮体系分布均匀。1.2反应物光催化剂ITO:为由实验室内采用溶胶一凝胶法自制的超细ITO:粉末,催化剂平均粒径为162nm,反应表面积为46mZ/g,主要晶型为锐钦矿型。在前期实验中,通过对甲基橙脱色的实验检验表明自制催化剂具有较好的光催化活性。愈创木酚(G一M)(oHC6H4oCH3),主要结构为苯基烷和经基,由天津市化学试剂研究所提供,以它作为降解模型物,在整个动力学研究实验中所用的其他反应试剂都采用分析纯试剂(天津市赢达稀贵化学试剂厂生产)。收稿日期:207一04一10(修改稿)本研究为天津市农委2〕〕6年重大资助项目(060414D)资助课题。作者简介:王超,男,1958年生;教授,博士;主要研究方向:光催化反应、生物质能源转化、生活污水处理。E一mial:wange88@163.eom第2卷第4期Tio:悬浮体系下光催化降解愈创木酚的动力学研究1.3测试方法愈创木酚的光催化降解在室温下进行,初始浓度选择在巧一6m岁L范围内,在溶液pH值为3.5、催化剂用量0.4岁L、曝气量2.0口min的反应条件下,首先将悬浮液在暗处搅拌30而n,待达到吸附平衡后开始进行光照实验,光照过程中每隔一定时间取水样10mL,使用GT10一型高速离心机(北京时代北利离心机有限公司)以3(X洲〕r/min的转速离心处理30min,取离心后的上清液进行吸光度分析。用Uv一160型紫外可见分光光度计(北京瑞利分析仪器公司)在波长为274.0nm下对上清液测定吸光度,由浓度和吸光度标准曲线计算出不同时刻下的G一M浓度。r二rKo。,(2)利用腼gtniur吸附模型〔”〕可知,有机物在光催化剂表面覆盖率为:。=」乙=一Or口~aKCl+aKC(3)其中,aK为有机物在催化剂表面的吸附常数;C为有机物的浓度。将式(3)代人式(2),得到:111—=二二甲一丁丁-二+丁丁rKaKrC人r(4)2结果与讨论在光催化反应中,ITO:和光源对于光催化氧化反应是必需的〔`,s了。多数实验研究中主要考虑3个不同反应条件:①没有iT02有紫外