超声降解（共6篇）
超声降解 篇1
Chemical Engineering,2009,116(2):14
超声波在污染土壤修复中的应用已取得一定成功。目前,超声波修复污染土壤的步骤是先将土壤中污染物萃取到液体中,然后将该液体通过一个超声波反应器,使污染物在高温高压(超过5 000 K和1×108 Pa)下经空化气泡被降解。澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)原料科学与工程研究机构的研究人员开发了一种新工艺,将流动的污泥通过一个超声波反应器,降解速率比液体法快100倍。
降解速率的加快是由于在污泥颗粒物的表面生成了很多气泡。这些气泡并不像在液体中那样均衡地爆裂,而是朝向污泥颗粒物方向破裂,形成对污泥表面的高速喷射流。吸附在污泥表面的所有物质都会受到这种爆破能的冲击,同时升高的温度足以将污染物热解。这些气泡在破裂时的直径一般约为50μm,它们的热交换率非常高,以至于任何热解反应中的生成物都会迅速冷却,避免了复合反应的发生。研究人员已确认在污泥中并没有在常规超声化学反应中扮演重要角色的自由基的生成,而主要的机理是热解反应。
该研究小组以吸附在玻璃珠上的多种持久性有机污染物为试样,进行了一系列的研究,并已开始进行中试试验。多氯联苯经20 kHz、15 W的超声波处理1.5 min后的降解率为90%,处理7 min后的降解率为99%;六氯代苯处理10 min后的降解率为97%。降解过程中未发现中间降解产物。对被除草剂和石油烃污染的黏土的实验也得到相似的结果。中试研究的目的是在实验室小试的基础上优化工艺参数并证实该工艺较低的操作费用,以及考察可移动式处理装置的实用性。
超声降解 篇2
摘要：采用超声波/Fenton联用技术降解水中的吡啶,探讨了吡啶初始浓度、反应温度、pH值、H2O2浓度、超声波声能密度和超声波频率对降解效果的`影响及规律,实验发现,在所研究的吡啶初始浓度范围内,随着吡啶初始浓度的增大,其降解率减小;同时,随着反应温度、pH值、H2O2浓度和超声波声能密度的增大,吡啶的降解率增大;对于24.55kHz和30.19kHz两种频率而言,超声波频率愈高吡啶的去除率愈大,而对于30.19kHz和34.19kHz两种频率而言,吡啶去除率随频率的变化关系不明显,超声波和Fenton联用对吡啶进行降解比二者单独降解吡啶有更好的处理效果,另外,对于不同初始浓度的吡啶溶液来说,在所研究的浓度范围内,超声波/Fenton试剂联用降解吡啶的反应属于一级动力学反应,作 者：张良波 魏新利 ZHANG Liang-bo WEI Xin-li 作者单位：张良波,ZHANG Liang-bo(同济大学污染控制与资源化国家重点实验室,上海,92)
魏新利,WEI Xin-li(郑州大学化学工程学院,郑州,450002)
钛酸锶催化超声降解甲基橙 篇3
本工作以水溶性偶氮染料代表性化合物——甲基橙为研究对象,采用溶胶-凝胶法制备的钛酸锶作催化剂[17],用超声波代替紫外光降解甲基橙染料,该方法具有应用方便、安全可靠和处理效果好等特点。
1 实验方法
1.1 试剂和仪器
盐酸、氢氧化钠、硝酸锶、钛酸四丁酯、偏钒酸铵、无水乙醇、草酸、聚乙二醇(PEG-4000)、双氧水(质量分数30%)、甲基橙均为分析纯。实验用水为超纯水。
KQ2100型系列超声反应器:昆山市超声仪器有限公司;UV-1800PC型紫外-可见分光光度计:上海美谱达仪器有限公司;X'PERT PRO MPD型X射线衍射(XRD)仪:荷兰帕纳科公司;JSM-5510LV型扫描电子显微镜(SEM):日本电子公司。
1.2 催化剂的制备
将钛酸四丁酯的醇溶液缓慢滴入剧烈搅拌的硝酸锶溶液中,待混合均匀后加入草酸溶液和PEG-4000溶液,当pH为1.00时发生共沉淀,陈化,经去离子水多次洗涤后干燥,最后高温焙烧即得钛酸锶粉体催化剂。
称取一定量偏钒酸铵和适量钛酸锶催化剂,加入草酸搅拌,待溶解后继续加热搅拌至蒸发干燥,然后放入马弗炉焙烧,即得掺杂V2O5的钛酸锶复合催化剂。
1.3 催化超声降解实验
取100 mL质量浓度为20 mg/L的甲基橙溶液,加入一定量催化剂,用盐酸和氢氧化钠调节pH,加入一定量双氧水,在25℃下放入超声反应器中进行降解实验,超声功率为50 W,超声频率为40kHz。每隔一定时间取样,测定甲基橙溶液在最大吸收波长460 nm处的吸光度,计算甲基橙降解率。
2 结果与讨论
2.1 催化剂的表征
本实验制备的钛酸锶粉体的XRD谱图见图1。由图1可见,与JCPDS标准卡片(No.35-0734)对照,所得产物为立方相钛酸锶,并且图谱上没有杂质峰,说明制备的钛酸锶试样较纯。
2.2 空白实验
当溶液pH为2.00时,超声和双氧水对甲基橙降解率的影响见图2。由图2可见:在不加钛酸锶的超声降解实验中,甲基橙降解率小于1%;加入双氧水后,虽然降解率有所增加,但120 min后的甲基橙降解率仍只有1.6%,降解效果较差。
●超声降解;■双氧水加入量为10 mL/L的超声降解
2.3 溶液pH对甲基橙降解率的影响
当钛酸锶加入量为1.0g/L、双氧水加入量为10.0 mL/L时,溶液pH对甲基橙降解率的影响见图3。由图3可见:在pH为2.00时,甲基橙降解率最高,催化超声降解效果最明显,反应120 min后甲基橙降解率可达到98.20%;随溶液pH的升高,甲基橙降解率呈下降趋势,当溶液pH大于10.00后,甲基橙降解率很小。这说明甲基橙在强酸性条件下降解速率较快,本实验中合适的甲基橙溶液初始pH为2.00。
溶液pH:■1.00;■1.50;▲1.75;◆2.00;○6.00;□10.00
有研究表明:溶液pH≤3.00时,甲基橙为醌式结构,以分子态存在;溶液pH≥6.50时,甲基橙逐渐转为偶氮式结构,以离子态存在。在酸性条件下,甲基橙呈分子态,易挥发进入气相区,在空穴中的高温高压下,发生热分解反应和氢氧自由基反应[18]。提高溶液的pH,甲基橙电离度将增大,离子态的甲基橙无法进入气相区,降解率较低。因此,酸性条件下甲基橙的降解率高。然而溶液pH过低时,溶液中存在大量的H+与·OH反应将消耗掉一部分自由基,不利于甲基橙的降解[19]。因此,溶液pH为2.00时,钛酸锶超声降解甲基橙效率最高。
2.4 双氧水加入量对甲基橙降解率的影响
当溶液pH为2.00、钛酸锶加入量为1.0 g/L时,双氧水加入量对甲基橙降解率的影响见图4。由图4可见:随着双氧水加入量增加,甲基橙降解率增大;当双氧水加入量大于10.0 mL/L后,继续增加双氧水加入量,甲基橙降解率反而下降。双氧水加入量增加,·OH和·OOH等自由基的生成量增加,从而加快气液表面和溶液中有机物的氧化,但过量的双氧水可能与甲基橙在催化剂表面发生竞争吸附或可能成为空穴和·OH的捕获剂,此时会降低降解效果[20],因此合适的双氧水加入量为10.0 mL/L。
双氧水加入量/(mL.L-1):●5.0;■7.5;▲10.0;◆15.0;○17.5
2.5 钛酸锶加入量对甲基橙降解率的影响
当溶液pH为2.00、双氧水加入量为10.0 mL/L时,钛酸锶加入量对甲基橙降解率的影响见图5。
钛酸锶加入量/(g.L-1):●0.2;■0.5;▲1.0;◆1.2
由图5可见,随着钛酸锶加入量的增加,甲基橙降解率增大,但钛酸锶加入过多将造成成本增加,因此实验中合适的钛酸锶加入量为1.0 g/L。
2.6 钛酸锶的重复使用对甲基橙降解率的影响
当溶液pH为2.00、钛酸锶加入量为1.0 g/L、双氧水加入量为10.0 mL/L时,钛酸锶的重复使用对甲基橙降解率的影响见图6。由图6可见:反应120 min后,第一次使用的钛酸锶催化剂可使甲基橙降解率达到98.20%,二次利用的钛酸锶催化剂可使甲基橙降解率达到46.11%;延长反应时间至180 min后,第二次使用的钛酸锶催化剂的甲基橙降解率可达97.35%。实验结果表明,钛酸锶催化剂具有一定的可重复使用性。
●第一次使用;■第二次使用
2.7 钛酸锶复合催化剂中V2O5掺杂量对甲基橙降解率的影响
在上述最佳实验条件下,钛酸锶复合催化剂中V2O5掺杂量(质量分数,下同)对甲基橙降解率的影响见图7。
V2O5掺杂量,%:●0;■5;▲10
由图7可见,掺杂10%V2O5的钛酸锶复合催化剂超声催化20 min后,甲基橙降解率即可达到98.53%,是无掺杂钛酸锶催化剂的2倍,说明掺杂V2O5能显著提高钛酸锶催化剂性能。
纯钛酸锶及掺杂10%V2O5的钛酸锶的SEM照片见图8。由图8可见,掺杂V2O5后的钛酸锶颗粒更小,孔隙更多,这表明V2O5与钛酸锶发生相互作用,减小了颗粒尺寸,并提高了催化剂的比表面积,促进了活性物质在载体表面分散,从而增加了催化活性。
3 结论
a)采用溶胶-凝胶法制备了钛酸锶催化剂。当溶液pH为2.00、钛酸锶加入量为1.0 g/L、双氧水加入量为10.0 mL/L时,所制备的钛酸锶催化剂的催化超声降解甲基橙性能最高,反应120 min后,甲基橙降解率可达到98.20%。
b)钛酸锶催化剂具有一定的重复使用性,第二次使用的钛酸锶催化剂延长反应时间至180 min后,甲基橙降解率可达97.35%。
超声降解 篇4
CeO2掺杂TiO2催化超声降解活性大红的研究
摘要：选取活性大红染料为降解目标物,研究了用实验室合成的氧化铈掺杂二氧化钛为催化剂存在下的超声反应.研究结果表明,CeO2掺杂TiO2催化超声降解酸性大红的`效果优于非掺杂的锐钛矿型TiO2的情况.在溶液pH1.0～3.0、活性大红质量浓度为20 mg/L、溶液用量50 mL、催化剂用量0.5 g/L～1.0 g/L的条件下,用输出功率5.0 W/cm2 和频率25 kHz的超声波照射80 min,活性大红降解率可达98.4%.作 者：徐清艳 邱荣水 Xu Qingyan Qiu Rongshui 作者单位：闽江学院,化学与化学工程系,福建,福州,350108期 刊：环境科学与管理 Journal：ENVIRONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENT年，卷(期)：,35(3)分类号：X703.5关键词：氧化铈掺杂 二氧化钛 超声降解 活性大红
超声降解 篇5
超声波水处理技术作为一种新型的氧化方法已经在废水处理中发挥了一定的作用[3,4,5],超声波在水中的传播能力比可见光或紫外光强得多,因此可以用超声代替紫外光源进行污水处理。为了强化超声降解的效果,采用催化剂强化超声降解效果是国内外研究的一个热点,目前研究较多的催化剂主要有TiO2、MnO2、Fe2O3、ZnO等过渡金属氧化物[6,7,8,9,10]。但是单纯TiO2的超声催化降解效果并不十分理想,因此有必要对TiO2进行改性以提高它的超声催化活性。
壳聚糖(Chitosan)是仅次于纤维素的第二大天然多糖,原料丰富、制备工艺简单,具有良好的生物降解性和成膜性,可用作吸附剂、絮凝剂和膜分离材料,是一类前景广泛的新型水处理材料[11,12]。壳聚糖分子中具有大量的羟基、氨基等功能基团,而TiO2也具有大量表面羟基,因此二者有可能通过分子间相互作用而形成复合材料[13]。本文利用壳聚糖能与纳米TiO2形成均匀混合溶液的特点,制备了纳米TiO2/壳聚糖复合材料,对其结构进行了I R、XRD表征,并考察了其对甲基橙水溶液的超声催化降解性能,旨在拓展超声化学在废水处理领域的应用,并探索染料废水降解的新途径。
1 实验部分
1.1 仪器与试剂
仪器:DU640紫外分光光度计,美国BECKMAN公司; Rigaku理光D/max-rA型12kW转靶X光衍射仪;美国Nicolet公司Avatar FT IR360红外光谱仪;KQ-5200E系列超声反应器,昆山市超声仪器有限公司。
试剂:甲基橙,分析纯; 纳米二氧化钛(锐钛矿型),分析纯;壳聚糖,脱乙酰度90%;其它试剂均为分析纯。
1.2 催化剂制备及表征
1.2.1 纳米TiO2/壳聚糖催化剂的制备
称取4.0g壳聚糖溶解于160mL 2%乙酸溶液,搅拌均匀后,加入1.0g经500℃处理3h的纳米TiO2,室温充分搅拌并超声0.5h使TiO2均匀分散。滴入NaOH/无水乙醇混合溶液至pH=7,再加入4.0mL 25%的戊二醛,40℃下反应12h,抽滤、洗涤、干燥得纳米TiO2/壳聚糖颗粒。
1.2.2 XRD衍射表征:
用日本Rigaku理光D/max-rA型12kW转靶X光衍射仪对壳聚糖、纳米TiO2、纳米TiO2/壳聚糖样品进行测试。测试条件:起始角为5°;终止角为90°;步宽为0.02;采用Cuκα射线(λ= 0.15406nm);电压为40 kV,电流为100 mA。
1.2.3 IR光谱分析
纳米TiO2、壳聚糖、纳米TiO2/壳聚糖样品分别使用KBr压片,用Nicolet Avatar FT IR360型傅立叶变换红外吸收光谱仪在4000～400cm-1范围内分别测定红外吸收光谱,进行红外光谱分析。
1.3 超声降解实验方法
150mL锥形瓶中加入100mL一定质量浓度的甲基橙水溶液,加入适量纳米TiO2/壳聚糖催化剂,置于超声反应器中(KQ5200E型,昆山市超声仪器公司)进行超声降解反应。超声波频率40kHz,功率50W,通过更换水体控制反应温度在25℃左右。每隔20 min取样,测其在462.0nm处的吸光度并计算甲基橙降解率。甲基橙降解率(%)=(A0-At)/A0×100%,其中A0、At分别为t=0和t=t时甲基橙溶液在462.0 nm处的吸光度值。
2 结果与讨论
2.1 I R光谱实验结果与分析
以KBr压片,在4000～400cm-1范围内分别测定了纳米TiO2、壳聚糖、纳米TiO2/壳聚糖复合材料的红外吸收光谱,结果如图1所示。
(a)纳米TiO2;(b)壳聚糖;(c)纳米TiO2/壳聚糖
比较壳聚糖样品和纳米TiO2/壳聚糖样品的光谱图可以看出,壳聚糖的特征峰在两图中皆存在,在复合材料的谱图(图1c)中,3431cm-1峰是O-H的伸缩振动峰,2931、2897cm-1峰是C-H伸缩振动的吸收峰,1638cm-1峰是酰胺I谱带,1406cm-1峰是CH2弯曲振动和-CH3变形振动峰,1384cm-1峰是C-H弯曲振动峰和-CH3变形振动峰,1311cm-1峰是酰胺III谱带,1154cm-1和898cm-1的峰为β-糖苷键特征吸收峰,壳聚糖的特征峰在复合材料中全部得以体现,说明在复合结构中含有壳聚糖的基本结构,也就是说壳聚糖没有分解或生成其它新的结构。但壳聚糖中羟基和氨基的吸收峰均发生了不同程度的位移,如1601cm-1处的δ(N-H)吸收峰移至1638cm-1,说明纳米TiO2和壳聚糖可能通过(N-H)与OH成键;而壳聚糖位于1096 cm-1处的C3上的一级羟基吸收峰则向低波数方向移动至1068 cm-1处;这些都表明纳米TiO2和壳聚糖分子之间有较强的氢键作用,有利于纳米TiO2在壳聚糖膜中的分散。图1a中纳米TiO2的羟基峰可能是由于TiO2与水接触反应的结果[13],大量表面羟基的存在使得二氧化钛能够与壳聚糖分子产生较强的氢键,因此二者具有良好的相容性。
2.2 X-射线分析
用日本Rigaku理光D/max-rA型12kW转靶X光衍射仪分别对壳聚糖、纳米TiO2、纳米TiO2/壳聚糖样品进行测试,结果如图2所示。壳聚糖样品在2θ为10.4°和19.8°处出现衍射峰,为壳聚糖两种结晶形式的混合[14];而复合材料的衍射峰由TiO2和壳聚糖的衍射峰混合而成,二氧化钛在2θ为25.3°、38.1°、48.0°等处的衍射峰均得以保留,而壳聚糖的两种结晶峰的相对强度则发生明显变化:2θ为10.4°的衍射峰已经消失,2θ为19.8°的衍射峰强度也明显降低,这说明纳米TiO2的加入使壳聚糖分子原来的结晶形式受到干扰,壳聚糖分子链原有的排列方式发生改变,纳米TiO2与壳聚糖在晶区有一定的相互作用,结合红外光谱分析的结果,这种相互作用可能是氢键相互作用。
2.3 纳米TiO2/壳聚糖超声催化性能的测定
取甲基橙溶液(100mL 25mg/L)二份,各加入1.0g/L 纳米TiO2/壳聚糖,一份置于振荡器中室温振荡进行吸附反应,另一份置于超声清洗器中进行室温超声催化反应,反应60min后取样测定紫外-可见光谱,结果如图3所示。实验结果表明,只进行室温振荡时,纳米TiO2/壳聚糖对甲基橙有一定的吸附作用,60min时对甲基橙的脱色率为 43.3%(图3b);而在超声作用下,纳米TiO2/壳聚糖对甲基橙溶液的降解具有明显的催化作用,60min时对甲基橙的脱色率为 91.3%(图3c),远高于单独吸附作用时的脱色率。这说明纳米TiO2/壳聚糖对甲基橙既有吸附作用,又有超声催化降解作用。单纯TiO2超声降解率并不高,而与壳聚糖复合后,吸附作用增强,吸附到催化剂表面的甲基橙又能通过超声催化作用降解掉,因此超声辐射与催化剂之间存在协同效应,从而大大增加了甲基橙降解的速率。
(a)空白;(b)吸附反应;(c)超声降解反应
2.4 溶液酸度对纳米TiO2/壳聚糖催化超声降解甲基橙的影响
用40kHz和50W的超声波照射不同pH值初始浓度为25mg/L的甲基橙溶液,温度25℃,按1.0g/L加入纳米TiO2/壳聚糖催化剂,每隔20min取样测量吸光度计算甲基橙降解率,结果如图4所示。
由图4可以看出,溶液酸度对甲基橙降解率的影响相当大,pH=1.0时甲基橙降解率很低,60min降解率仅为17.9%;当反应体系的pH值从1.0升到5.0时,甲基橙的降解率不断增大,至pH=7.0时降解率达最高值;此后再增大溶液pH值,则甲基橙的降解率开始降低。分析认为,由于TiO2的等电点为6.8,在低pH时,TiO2表面呈正电性,与带负电的甲基橙相互吸引,提高了吸附量,因而提高了催化效率;但pH值并非越低越好,因为pH值较低时,溶液中存在大量的H+与·OH反应将消耗掉一部分自由基,不利于染料的降解。而在较高pH时,TiO2表面呈负电性,对甲基橙的吸附减少,而且由于·OH自由基的氧化电位随pH值的升高而降低,降解率随之下降[15]。因此pH过高或过低均会导致甲基橙降解率的下降,在本研究中当pH=5～7时,甲基橙的降解效果最好。
3 结 论
(1) 利用壳聚糖与纳米TiO2的共混溶液制备了纳米TiO2/壳聚糖复合材料, IR、XRD表征显示复合材料中TiO2与壳聚糖之间存在分子间相互作用,二者具有较好的相容性。
(2)纳米TiO2/壳聚糖催化剂具有较高的声催化活性,超声波和催化剂之间存在协同效应,具有能耗低、效率高和速度快的特点,具有较好的应用前景。
超声降解 篇6
本工作在溶胶-凝胶法制备纳米TiO2和N掺杂TiO2的过程中引入超声,旨在促进TiO2的晶化,改进N掺杂的效果,拓宽TiO2光谱响应范围。通过对制备的催化剂进行表征,考察其物理化学和光学特性,同时考察了改性TiO2纳米材料对甲基橙的光催化降解性能。
1 实验部分
1.1 试剂和仪器
实验用试剂均为分析纯。
KQ3200VDE型超声仪:昆山市超声仪器有限公司;SGY-1型多功能光化学反应仪:南京斯东柯电气设备有限公司;高压汞灯:功率300 W,主波长为365 nm,上海亚明灯泡厂;氙灯:功率250W,上海亚明灯泡厂;D/Max-Ⅲ型XRD仪:日本理学公司;TECNAI10型透射电子显微镜(TEM):荷兰飞利浦公司;UV-3150型紫外-可见分光光度计:日本岛津公司。
1.2 纳米TiO2和N掺杂TiO2的制备
在强力机械搅拌的条件下,将一定量钛酸丁酯与无水乙醇的混合液逐滴加入由冰醋酸、蒸馏水和无水乙醇组成的混合液中,滴加的同时对混合溶液进行超声处理,超声频率为28 kHz。最终混合液形成均匀透明的溶胶。自然陈化4 d后,于80℃下干燥10 h,在500℃下煅烧2 h,研磨得纳米TiO2粉末,记作U-O-TiO2。未开启超声条件下制得的纳米TiO2粉末记作O-TiO2。
以三乙胺为氮源,在超声条件下制得的N掺杂TiO2粉末记作U-N-TiO2,在未开启超声条件下制得的N掺杂TiO2记作N-TiO2,
1.3 光催化降解实验
以甲基橙作为底物评价所制备的试样的光催化活性。光催化降解实验在多功能光化学反应仪中进行,分别采用高压汞灯和氙灯模拟紫外光和可见光光源。在250 mL质量浓度为20 mg/L的甲基橙溶液中加入一定量光催化剂(紫外光条件下加入0.20g,可见光条件下加入0.25 g),超声分散15 min,开启电磁搅拌器,以200 mL/min的流量通入O2,并在避光条件下继续搅拌15 min,使甲基橙在TiO2微粒表面的吸附与脱附达到平衡。开启光源,待灯源稳定后开始计时,间隔一定时间取样,测定甲基橙溶液的吸光度。
1.4 分析方法
采用XRD仪对TiO2的晶相结构进行分析;采用TEM观察试样的晶体形貌和粒径大小;采用紫外-可见分光光度计对试样的紫外-可见漫反射光谱性能进行测试,扫描范围200～700 nm。
2 结果与讨论
2.1 超声对O-TiO2制备的影响
O-TiO2(a)和U-O-TiO2(b)的XRD谱图见图1。由图1可见,U-O-TiO2的衍射峰峰形较O-TiO2更加尖锐,表明U-O-TiO2的锐钛型结构更为规整,结晶度更高。由Scherrer公式计算得U-O-TiO2平均粒径为15 mm左右,O-TiO2的平均粒径为20nm左右。
O-TiO2 (a)和U-O-TiO2 (b)的TEM照片见图2。
由图2可见:O-TiO2颗粒间存在较为严重的聚集团聚现象;U-O-TiO2的颗粒粒径分布范围窄,颗粒轮廓较清晰,分散性优于O-TiO2,但仍有少数晶体颗粒聚集的现象。在溶胶-凝胶法制备纳米TiO2过程中,由于胶体粒子具有巨大的比表面能,在热力学上是不稳定的,会发生自动团聚,而超声空化作用可在固体颗粒表面产生大量微小气泡,大大降低了微小晶粒的比表面自由能,抑制了晶粒的聚集和长大[10];同时,超声空化作用产生的高压冲击波和微射流也起到了一定的粉碎作用,从而促进钛有机酯盐的水解和TiO2分散得更好。
2.2 紫外-可见漫反射光谱分析
对O-TiO2、N-TiO2和U-N-TiO2的紫外-可见漫反射光谱谱图见图3。由图3可见,N掺杂明显影响了TiO2的光吸收特征,O-TiO2在大约400 nm后出现一个反射平台,而N-TiO2和U-N-TiO2均有明显的拖尾现象,光吸收边向长波方向移动,即发生“红移”。这是因为在N-TiO2催化剂中N部分取代O后,N的2p能带取代部分O的2p能带,导致能带间隙变窄[4,11],使响应波长拓宽至可见光区;而U-N-TiO2比N-TiO2又有进一步的“红移”,且U-N-TiO2对可见光的吸收强度比N-TiO2有所提高,这可能是因为超声能够使溶胶更好地与三乙胺反应,从而使更多的N元素进入TiO2。这进一步证明了在N掺杂的基础上引入超声对提高TiO2在可见光下的光催化活性是有效的。
a O-TiO2;b N-TiO2;c U-N-TiO2
2.3 光催化活性评价
紫外光照条件下O-TiO2和U-O-TiO2光催化降解甲基橙的动力学曲线见图4。由图4可见,超声条件下制备的TiO2光催化降解速率明显提高。O-TiO2和U-O-TiO2对甲基橙的光催化降解均符合表观一级动力学反应,O-TiO2和U-O-TiO2的一级反应动力学常数分别0.114 2 min-1和0.131 0 min-1。光催化降解一级反应动力学常数越大,则催化剂光催化活性越强。超声使TiO2在紫外光下的光催化降解速率提高了15%。光催化反应25 min后U-O-TiO2对甲基橙的表观降解率高达96.4%。半导体光催化剂的活性很大程度上受微晶尺寸、比表面积及表面形态等的影响,电子或空穴到达表面的时间与粒子半径的平方成正比[12]。TiO2粒子越小,载流子到达表面的时间越短,体内电子-空穴复合几率越小,到达表面被吸附反应物所俘获的几率越大,催化活性也就越高。
●O-TiO2;■U-O-TiO2
可见光照射条件下O-TiO2、N-TiO2和U-N-TiO2光催化降解甲基橙的动力学曲线见图5。
●O-TiO2;■N-TiO2;▲U-N-TiO2
由图5可见:O-TiO2、N-TiO2和U-N-TiO2对甲基橙的光催化降解均符合表观一级动力学反应;U-N-TiO2的光催化降解速率常数最高,分别较O-TiO2和N-TiO2提高了70%和23%。光催化反应进行60 min后U-N-TiO2对甲基橙的表观降解率高达95.0%。说明超声对N的掺杂产生了促进作用,使TiO2在可见光下的催化活性有了一定程度的提高。这与试样的紫外-可见漫反射光谱分析结果一致。
3 结语
将超声作用引入TiO2光催化剂的制备中,制备出了锐钛型结构更为规整、结晶度更高、粒径更小的U-O-TiO2纳米颗粒,且超声对N的掺杂产生了促进作用。与O-TiO2和N-TiO2相比,超声可使U-O-TiO2在紫外光下的光催化降解速率提高1 5%,在可见光下使U-N-TiO2的光催化降解速率提高23%。
摘要：在超声条件下采用溶胶-凝胶法制备了N掺杂纳米TiO2光催化剂,以甲基橙的光催化降解评价其光催化活性。运用XRD、透射电子显微镜、紫外-可见漫反射光谱等技术对试样的粒径、晶体结构及光学性能进行了表征。实验结果表明:超声能明显减小TiO2颗粒的粒径,提高颗粒分散度,提高TiO2在紫外光下的光催化剂活性;超声对N的掺杂产生了促进作用,使N掺杂纳米TiO2对可见光的吸收能力显著增强,在可见光下的光催化降解速率提高23%。
关键词：超声,二氧化钛,氮掺杂,光催化,甲基橙,降解,废水处理
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