_Fe_(3+)掺杂TiO_2光催化剂处理造纸废水的研究

[收稿日期]2006-07-21[基金项目]教育部高等学校骨干教师计划项目([2000]66号);辽宁省教育厅基金资助项目(20040284);沈阳化工学院博士启动基金资助项目(20063202).[作者简介]石中亮(1968—),男,副教授;通讯联系人:姚淑华(1967—),女,博士,教授,主要从事光催化化学研究.[文章编号]1000-1832(2006)04-0095-05Fe3+掺杂TiO2光催化剂处理造纸废水的研究石中亮1,宁波2,王传胜1,姚淑华1(1.沈阳化工学院应用化学系,辽宁沈阳110142;2.长春职业技术学院,吉林长春130033)[摘要]利用TiCl4在无水乙醇中水解,制备了纳米TiO2和Fe3+掺杂的光催化剂,通过XRD和TEM对产物的晶体结构、晶粒大小、形貌进行了表征,讨论了Fe3+掺杂浓度、焙烧温度、焙烧时间、催化剂用量、溶液的pH值和光照时间等对TiO2光催化剂处理造纸废水的影响.结果表明:掺杂Fe3+的TiO2光催化剂氧化性能有所提高,在掺杂量为1.25%(质量分数),焙烧温度为500℃、焙烧时间3h时,光催化活性最高;溶液pH值为4.0,催化剂用量为2.5g/L,光照时间4h时TiO2降解造纸废水的能力最强.[关键词]TiO2;掺杂;Fe3+;光催化氧化;造纸废水[中图分类号]X703[学科代码]610·30[文献标识码]A0引言进入21世纪,防止环境污染、保护生态环境是社会和经济可持续发展的重大课题.2000年我国废水排放量高于1428亿m3,其中有机废水是水体污染的主要部分之一,因此有机废水的处理已成为科技工作者研究的热点[1].造纸工业废水排放量大,水污染严重,生态破坏性强,多年来一直是造纸工业和环境保护界研究的重点.我国造纸工业废水使许多地区的农业、水产业的发展及人民健康受到严重危害,严重污染了自然环境,因此,解决造纸废水污染问题已受到全社会的普遍关注.造纸工艺可分为制浆和抄纸两大部分,其废水主要来源于蒸煮制浆废水.该废水不仅固体不溶物(SS)含量高、色度大,而且含有大量复杂的化学需氧量物质(COD)及大量氯代酚、氯化苯等很难降解的有机物,其污染占整个造纸工业污染的90%以上.造纸废水中的有机氯化物采用常规的生物及物理化学方法很难处理.近几十年来,TiO2光催化剂催化降解有机化合物得到了广泛的研究[2-5].TiO2光催化氧化处理造纸废水可有效降解有机氯化物,但目前TiO2光催化剂仍然有其不足之处:(1)其禁带宽度为3.2eV,对应的吸收波长为387.5nm,光吸收仅局限于紫外光区,紫外光区达不到照射到地面太阳光谱的5%,极大限制了对太阳能的利用;(2)载流子复合率高,量子效率较低.如何提高光吸收效率,提高TiO2光催化能力,是目前研究的焦点.有研究证明,掺杂某些金属离子能使TiO2的光催化活性提高[6-7].本文以TiCl4为原料,利用过渡金属Fe3+掺杂制备Fe3+/TiO2纳米光催化剂,以造第38卷第4期东北师大学报(自然科学版)Vol.38No.42006年12月JournalofNortheastNormalUniversity(NaturalScienceEdition)December2006DOI:10.16163/j.cnki.22-1123/n.2006.04.021纸废水为研究对象,对其进行了光催化降解研究.1实验部分1.1试剂和仪器试剂:四氯化钛(化学纯,天津大沽化工厂生产);硝酸铁(化学纯,沈阳市新化试剂厂生产),无水乙醇(分析纯,安徽特酒总厂生产),氨水(分析纯,沈阳市新化试剂厂生产).仪器:高压汞灯(上海亚明灯泡厂生产);pHS-2型酸度计(上海第三分析仪器厂生产);78-3型磁力搅拌器(杭州仪表电机厂生产);光反应器(自制).1.2光催化剂的制备在无水乙醇中按一定比例在不断搅拌下,加入TiCl4,在一定温度下发生水解,搅拌数小时后变为白色溶胶,添加氨水调至中性得白色沉淀,120℃烘干,放入马福炉中在特定温度下焙烧,即得TiO2光催化剂.在制备过程中搅拌1h后加入不同量的硝酸铁,同法制得掺杂Fe3+的TiO2光催化剂.1.3光催化剂微观结构的表征用RigakuD/max-rB型X射线粉末衍射仪(CuKa)对样品进行X射线衍射(XRD)分析;用JE-OLJSM-6360LV型扫描电子显微镜(SEM)观察粒子的形貌.1.4光降解造纸废水光催化反应在自制光催化反应器中进行,光源为300W高压汞灯,反应在室温下进行,取一定浓度的造纸废水,调节一定的起始pH值,加入一定量的光催化剂超声搅拌15min使催化剂分散均匀,高压汞灯经5min左右预热,然后开始照射计时反应.每隔一定时间取样,按文献[8]测定废水的COD值,衡量造纸废水的降解程度.2结果与讨论2.1XRD和S