环境专业外文翻译电气化学促进TiO2光催化降解有机废水的方法Word格式文档下载.docx

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2.4方法步骤

3实验讨论

3.1电化学产生活性羟基促进TiO2光催化活性

3.2对比不同模拟条件下光催化降解罗丹红

3.3光催化降解罗丹红的特性

3.4废水处理

4结论

致谢

参考文献

纺织废水是色度高，COD高而生物降解能力低的废水。

利用铝盐或铁盐不能充分降低生物需氧量和减少凝聚物。

臭氧和氧化次氯酸可以有效的脱色，但是成本高，运行操作难和容易产生如余氯等二次污染物，由此而不能使用。

在过去的十年，研究表明，纳米TiO2可以可以在适度条件下光解氧化有机废水生成无机物质（如CO2,H2O等）而不产生二次污染（[HagfeldtandGratzel,1995];

[SerponeandPelizzetti,1989]）。

但是，不仅是TiO2的光解效益，而且的光解性不能在最优化的情况下有效的运用（[KawaiandSakata,1980]）。

对于这个不利条件的主要因素就是光生电子和空穴的再结合（[LiandLi,2002]）。

为了提高光解能力，进行了很多有意思的工作。

通过利用在TiO2的电子层上施加阳极电压，或者利用各种贵金属沉淀物改变TiO2（[Hiramotoetal.,1990];

[Viswanathanetal.,1990]），金属离子或者氧化物等等方法，都被证明是有希望的方法。

添加氧化剂理论上，或者更有效的方法。

（[Bandalaetal.,2002]），但是，由于这种方法的投入成本高，而且会产生剩余氧化物等二次污染，所以在实际中难以应用。

过去，我们尝试在适合条件下把H2O2介入TiO2的光催化单位当中，用以促进光催化进行。

幸好，光化学有三个作用能促进这种方法。

（1），H2O2在电化学过程中光解产生的离子比O2快很多，以至产生的OH和更多的光生电子进行反应，所以光催化反应加快。

（2），这种方法不用增加反应物，所以建造和运行管理费用没有很明显的增加。

（3），如果溶液中有残余H2O2，它会自发分解为H20和O2，避免产生二次污染。

1.1化学试剂

P25型TiO2（30nm微粒）购自德国，以锐钛矿型为主（79%锐钛矿型和21%金红石型）。

以降解125mmol/l的罗丹红溶液（溶解在0.2mol/l、PH＝4.0的磷酸盐缓冲液）来评价电化学促进TiO2的光催化学活性。

实验中的废水（COD=3320mg/l,BOD5=1540mg/l）是从在染色工艺提取取出的含氯液体。

1.2仪器设备

所有的的实验都是在根据需要设计出来的设备而进行的，这个设备由温度调节装置、三极电池装置和紫外灯组成（见下图）。

温度调节装置有一根圆柱形耐热玻璃管，管内装有100ML含有0.1%（重量比）TiO2的废水悬浮物。

利用调节温度装置夹层中循环流动的40℃的水来维持悬浮液的温度。

电解装置由碳极（阴极）、Pt棒（阳极）和氯化亚汞离子溶液组成。

把11W，λ=253.7 

nm波长的无臭氧紫外灯固定在恒温装置的中央，对TiO2进行辐射。

另外，用空压泵对溶液进行曝气以补偿消耗的氧气，用磁性搅拌器搅拌确保TiO2粒子均匀分布在悬浮液中。

图1.组合的装置

（a）、11w紫外灯；

（b）、空气管，与空气泵连接；

（c）、SCE；

（d）、碳电极；

（e）、Pt电极；

（f）磁力搅拌器

1.3光解反应

将50毫克的TiO2放入50毫升的废水中，静置30分钟。

反应开始前在空气中暴露15分钟并保持实验的空气流通。

然后，在碳棒上加0.75V的电压，同时打开紫外灯对悬浮液光照半小时。

在规定的时间间隔内进行取样，将样品在11,000转/分的速度下进行离心分离后分析。

1.4方法步骤

用紫外可见分光光度计测量溶液样品的吸光率。

根据水和废水的标准曲线法可以分别计算出纺织废水中的COD和BOD5。

（[AmericanPublicHealthAssociation（APHA）,1989]）.反应过程中生成的H2O2用标准高锰酸钾溶液参考滴定算出浓度。

[Tefferyetal.,1978]

3结果讨论

3.1电化学中产生的活性羟基促进TiO2光催化活性

光解实验中的半导体详细的相关构造已经被研究证明。

（[FoxandDulay,1993];

[Hoffmannetal.,1995];

[Howe,1998]）.通常认为，反应是在紫外光（λ<

385 

nm）下TiO2激发能带隙而开始。

在光电子激发下，电子从原子带转移到TiO2电子带，从而引发电子空穴/洞（Eq.

（1））。

电子和电子空穴扩散到TiO2表面上后，分别与O2、水、羟化物反应，生成O2－（Eq.

（2）,[Ishibashietal.,2000andIshibashietal.,1998]）和√OH－（Eq.（3）,[Schwarzetal.,1997]）.一般认为，有机光解物主要是OH－。

TiO2+hγ→hvb++e−

（1）

O2+ecb−→O22−

（2）

h++H2O→OH-+H+（3）

但是，O2的溶解度小引起在悬浮液中的浓度很低，大部分光解生成的电子会跟电子空穴从新组合，导致有效电子空穴减少。

这种在TiO2内部的快速的再结合作用阻碍着TiO2在废水中的光解作用。

另一方面，虽然OH－可以由O2生成，但这不是一个直接的过程，从而导致光解电子产生的OH－量少。

所有的这些因素都减少电子空穴/空穴比的利用效率和紫外灯照射下的光解效率。

表2显示出在不同的电气化学、紫外灯和TiO2的组合下逐渐产生的H2O2浓度的情况。

在不同的电子、电子/紫外灯、电子/TiO2、电子/TiO/紫外灯条件下，对应H2O2的浓度分别为8.60,8.15,7.21和3.89mmol/l。

但在TiO/紫外灯条件下没有H2O2生成（[Kimetal.,2002]）。

对比在不同模式电解下产生的H2O2浓度，可以看出在光活性TiO2大大增加（Eq.（6）,[Bandalaetal.,2002]）。

整个化学反应见表3。

O2+2H++2e−→H2O2（4）

（5）

H2O2+H++e−→OH-+H2O（6）

与O2（Eo=1.23 

V）相比，H2O2具有更高的氧化电位（Eo=1.77 

V），从而更容易更快的在光解中产生电子。

而且在一下两种条件下产生一定量的OH－：

（1）、H2O2存储更多的电子，接收更多的空穴与吸附在水表明的羟基反应生成OH－。

（2）H2O2能与光解产生的电子直接反应生成OH－。

图2.H2O2反应装置（a）EC;

（b）EC/UV;

（c）EC/TiO2;

（d）EC/UV/TiO2.

图3电化学生成羟自由基促进氧化钛光催化活性示意图

为了评价电气化学在组合系统的效率，我们在对不同的EC,TiO2和UV组合下针对罗丹红降解进行了研究。

用在552nm（最大吸光度）条件下的吸光度的减少速度来评价对罗丹红的降解效率和不同组合模式的处理容量。

最初的罗丹红溶液吸光度为2.432，在不同模式下半小时候处理后的罗丹红溶液的吸光度见表1：

表1不同TiO2,EC和UV组合模式下半小时后罗丹红溶液在552nm波长吸光度

对比不同组合可以看出，光电化学过程中产生的H2O2，因其氧化容量不好而未能很好的降解罗丹红。

但是，H2O2可以很好的促进TiO2的光化学反应过程，通过产生具有更强的氧化容量的活性电子OH－，反应过程见公式（6）。

当罗丹红溶液在TiO2光催化下进行光电化学反应时，反应中对光的吸收范围见图4。

从图中可以看出，吸收范围有两种改变。

一是吸光度快速减少；

另外是在最大吸光度处有小小偏移。

偏移的部分是由染色的破坏而产生的。

没有产生其他的最高点，表示罗丹红被逐渐的降解成为其他的有机物。

有机化合物一般情况下会被捕捉的电子氧化分解或者与活性羟基反应。

根据实验条件，由于罗丹红溶液的浓度不高，少量的罗丹红吸附在TiO2表面上，与电子空穴的反应弱于罗丹红与激发态羟基的反应。

类似的实验可以显示出，在没有光电化学辅助的条件下TiO2进行的光解至少要延长2个小时才能达到相同的降解效果。

结果还表面电子空穴与空穴之间的再组合是光解反应的一个主要阻碍因素，而H2O2起到很大的作用，较少再结合和促进TiO2的光解活性。

纺织废水中的COD和BOD5在降解过程中有序的较少，处理所得数据见图5。

从图中可以看出，预处理后的废水富含COD和BOD5并且COD/BOD5高。

这比率显示出废水的生物降解能力，高比率表示废水不利于生物降解能力。

作为一个预处理氧化过程，TiO2光解可以有效地将废水中的有机物转化为无机物。

利用三极光电化学组合辅助纳米TiO2可以应用于废水处理。

从表5看出，0.5小时后纺织废水中的COD和BOD5的处理效率达93.9％和88.7％。

同时，COD/BOD5比从2.1减少到1.2。

则表明废水的生物降解能力得到提高。

图4电气化学促进TiO2光催化降解COD和BOD5

文章中指出，通过三极光电化学反应装置良好反应环境，H2O2被引入TiO2的光解反应中，此组合系统更有效果地促进光解反应是有机废水无机化。

这个效果由以下两个因素引起：

（1）、H2O2比O2捕获电子的速度快，而且有更多的电子空穴与吸附的水和羟基反应，产生更多的OH－。

（2）、H2O2与电子之间的反应消耗光电化学产生的电子，同时产生OH－。

所以OH－的产生量和整个系统的电子空穴/空穴比效率大大地改变了。

从组合系统中连续取样半个小时，可以看出很好的处理效果。

罗丹红的最大吸光度减少至少90％，纺织废水中的COD和BOD5的处理效率达93.9％和88.7％。

COD/BOD5从2.1减少到1.2，生物降解能力得到有效的改良。

总结上述，光电化学能促进TiO2光解系统有效地使有机废水无机化、消除放射性污染和在预处理阶段进行褪色，促进生物降解。

5致谢

本项目是在上海纳米光催化研究科技委员会的支持下完成（0114nm072）。

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