光催化降解甲基橙試驗報告

1、光催化降解染料甲基橙一、目的要求1、掌握確定反應(yīng)級數(shù)的原理和方法；2、測定甲基橙光催化降解反應(yīng)速率常數(shù)和半衰期；3、了解可見光分光光度計的構(gòu)造、工作原理、掌握分光光度計的使用方法。二、實驗原理光催化始于1972年，F(xiàn)ujishima和Honda發(fā)現(xiàn)光照的TiO2單晶電極能分解水，引起人們對光誘導(dǎo)氧化還原反應(yīng)的興趣，由此推動了有機物和無機物光氧化還原反應(yīng)的研究。1976年，Cary等報道，在近紫外光照射下，曝氣懸浮液，濃度為50科g/L的多氯聯(lián)苯經(jīng)半小時的光反應(yīng)，多氯聯(lián)苯脫氯，這個特性引起了環(huán)境研究工作者的極大興趣，光催化消除污染物的亞牛日趨活躍。國內(nèi)外大量研究表明，光催化法能有效地將煌類、鹵代

2、有機物、表面活性劑、染料、農(nóng)藥、酚類、芳燒類等有機污染物降解，最終無機化為CO2H2O,而污染物中含有的鹵原子、硫原子、磷原子和氮原子等則分別轉(zhuǎn)化為X-,SO42-,PO43-,PO43-,NH4+,NO3-等離子。因此，光催化技術(shù)具有在常溫常壓下進(jìn)行，徹底消除有機污染物，無二次污染等優(yōu)點。光催化技術(shù)的研究涉及到原子物理、凝聚態(tài)物理、膠體化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、催化材料、光化學(xué)和環(huán)境化學(xué)等多個學(xué)科，因此多相光催化科技是集這些學(xué)科于一體的多種學(xué)科交叉匯合而成的一門新興的科學(xué)。光催化以半導(dǎo)體如TiO2,ZnO,CdS,Fe2O3,WO3,SnO2,ZnS,SrTiO3,CdSe,CdTe,由2。3,

3、Fe&,GaAs,GaP,SiC,MoS2等作催化劑，其中TiO2具有價廉無毒、化學(xué)及物理穩(wěn)定性好、耐光腐蝕、催化活性好等優(yōu)點，幫TiO2是目前廣泛研究、效果較好的光催化劑。半導(dǎo)體之所以能作為催化劑，是由其自身的光電特性所決定的。半導(dǎo)體粒子含有能帶結(jié)構(gòu)，通常情況下是由一個充滿電子的低能價帶和一個空的高能導(dǎo)帶構(gòu)成，它們之前由禁帶分開。研究證明，當(dāng)pH=1時銳鈦礦型TiO2的禁帶寬度為3.2eV,半導(dǎo)體的光吸收閾值入g與禁帶寬度Eg的關(guān)系為入g（nm）=1240/Eg（eV）當(dāng)用能量等于或大于禁帶寬度的光（入388nm的近紫外光）照射半導(dǎo)體光催化劑時，半導(dǎo)體價帶上的電子吸收光能被激發(fā)到導(dǎo)帶

4、上，因而在導(dǎo)帶上產(chǎn)生帶負(fù)電的高活性光生電子（e-）,在價帶上產(chǎn)生帶正電的光生空穴（h+）,形成光生電子-空穴對?？昭ǖ哪芰浚═iO2）為7.5eV,具有強氧化性；電子則具有強還原性。當(dāng)光生電子和空穴到達(dá)表面時，可發(fā)生兩類反應(yīng)。第一類是簡單的復(fù)合，如果光生電子與空穴沒有被利用，則會重新復(fù)合，使光能以熱能的形式散發(fā)掉e-+h+N+energy(hv'<hvorheat)第二類是發(fā)生一系列光催化氧化還原反應(yīng)，還原和氧化吸附在光催化劑表面上物質(zhì)。TiO2-e-+h+OH-+h+一OHH2O+h+-OH+H+H+離子結(jié)合形A+h+一-A另一方面，光生電子可以和溶液中溶解的氧分子反應(yīng)生成超氧

5、自由基，它與成.OOH自由基：O2+e+H+fO2+HOOH2HOO一O2+H2O2H2O2+02fOH+OH-+O2,。2+2H-H2O2此外OH,OOH和H2O2之間可以相互轉(zhuǎn)化H2O2+OHfOOH+H2O2利用高度活性的羥基自由基.OH無選擇性地將氧化包括生物難以降解的各種有機物并使之完全無機化。有機物在光催化體系中的反應(yīng)屬于自由基反應(yīng)。四基橙染料是一種常見的有機污染物，無揮發(fā)性，且具有相當(dāng)高的抗直接光分解和氧化的能力；其濃度可采用分光光度法測定，方法簡便，常被用做光催化反應(yīng)的模型反應(yīng)物。四基橙的分子式如圖1所示：從結(jié)構(gòu)上看，它屬于偶氮染料，這類染料是染料各類中最多的一種，約占全部染料

6、的50%左右。根據(jù)已有實驗分析，甲基橙是較難降解的有機物，因而以它作為研究對象有一定的代表性。三、儀器試劑722型分光光度計1臺；125W高壓汞燈1支；反應(yīng)器1個；充氣泵1個；恒溫水浴1套；磁力攪拌器1臺；離心機1臺；臺秤1臺；秒表1塊；10mL移液管1支；20mL移液管1支；500mL量筒1支；吸耳球；離心管7支。甲基橙貯備液（1000mg/L）;納米TiO2（P25）。四、實驗步驟1、了解可見光分光光度計的原理與使用方法，參閱有關(guān)教材及文獻(xiàn)資料。2、調(diào)整分光光度計零點打開722型分光光度計電源開關(guān)，預(yù)熱至穩(wěn)定。調(diào)節(jié)分光光度計的波長旋鈕至462nm。打開比色槽蓋，即在光路斷開時，調(diào)節(jié)“0”旋

7、鈕，使透光率值為0.取一只1cm比色皿，加入?yún)⒈热芤赫魞λ?，擦干外表面（光學(xué)玻璃面應(yīng)用擦鏡紙擦拭），放入比色槽中，確保放蒸儲水的比色皿在光路上，將比色槽蓋合上，即光路通時，調(diào)節(jié)“100”旋鈕使透光率值為100%。3、四基橙光催化降解進(jìn)行光催化反應(yīng)實驗時，首先向反應(yīng)器內(nèi)加入10mL的1000mg/L的甲基橙貯備液，并加480mL水稀釋，配成500mL的20mg/L的甲基橙溶液，然后加入0.2g納米TiO2催化劑，磁力攪拌使之懸浮。避光充空氣攪拌30min,使甲基橙在催化劑的表面達(dá)到吸附/脫附平衡，移取10mL溶液于離心管內(nèi)。然后開通冷卻水，并開啟淘汰進(jìn)行光催化反應(yīng)25min,每隔5min移取10

8、mL反應(yīng)液，經(jīng)離心分離后，取上清液進(jìn)行可見分光光度法分析。采用722型可見分光光度計，通過反應(yīng)液的吸光度A測定來監(jiān)測甲基橙的光催化脫色和分解效果。在020mg/L范圍內(nèi)，甲基橙溶液濃度與其462nm處的吸收什呈極顯著的正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)達(dá)0.999以上）。五、數(shù)據(jù)處理1、設(shè)計實驗數(shù)據(jù)表，記錄溫度。A。，A等數(shù)據(jù)；實驗溫度：29.2Ct/minAA0A刀1/AIn(1/A)02.3970.0000.00000.4172-0.874251.6020.7950.33170.6242-0.4713101.0261.3710.57200.9747-0.0257150.5171.8800.78431.934

9、20.6597200.3052.0920.87283.27871.1874250.1752.2220.92705.71431.7430300.0442.3530.981622.72733.1236表1實驗數(shù)據(jù)表2、采用積分法中的作圖法由實驗數(shù)據(jù)確定反應(yīng)級數(shù)。根據(jù)本實驗的原理部分知道，該反應(yīng)是一個表面催化反應(yīng)，而一般表面催化反應(yīng)更多的是零級反應(yīng);不妨設(shè)納米Ti02光催化降解甲基橙的反應(yīng)是一級反應(yīng)：即ln(1/A)=kit+常數(shù)顯然，以濃度ln(1/A)對時間t作圖29r1'1!Ir0510152025圖2M刪/A)t圖據(jù)圖2可知，在025min中時ln(1/A)t關(guān)系成一直線，因此符合假

10、設(shè)，即納米Ti02光催化降解甲基橙的反應(yīng)是一級反應(yīng)。3、由所得直線的斜率求出反應(yīng)的速率常數(shù)ki根據(jù)圖2可知：反應(yīng)的速率常數(shù)ki=0,i071min1°4、計算甲基橙光催化降解的半衰期t1/2。甲基橙光催化降解的半衰期t"2=ln2/k1=6.47min5、甲基橙降解率計算：y=(c0-c)/co,其中C0為光照前降解液濃度，c為降解后的濃度。由于甲基橙溶液濃度和它的吸光度呈線性關(guān)系，所以降解脫色率又可以由吸光度計算，即y=(A0-A)/A。,其中A0為光照前降解液吸光度，A為降解后吸光度。甲基橙的降解率，如表1所示，刀4的關(guān)系如圖3所示。六、討論與分析1、600mL40mg

11、/L的甲基橙溶液，0.2克納米TiO2為催化劑，在高壓汞燈光照條件下，30min中內(nèi)可以最大降解率約98.16%。2、該實驗中采用積分法中的作圖法由實驗數(shù)據(jù)確定反應(yīng)級數(shù)時，舍去了30min的數(shù)據(jù)，是因為數(shù)據(jù)偏差較大，可能是因為離心后依然有部分TiO2懸浮在溶液中，而最后一組的吸光度應(yīng)該很低，所以微量TiO2也會影響測定的準(zhǔn)確性。最后得到ln(1/A)t的線性相關(guān)度為99.29%,線性相關(guān)度好；說明納米Ti02在前30分鐘攪拌充分，甲基橙在催化劑達(dá)到吸附/脫附平衡，且光照反應(yīng)、取樣、離心等操作到位，數(shù)據(jù)相關(guān)性較好。3、由刀t圖可知30min中內(nèi)可以最大降解率約98.16%,且降解數(shù)度在約10分鐘前降解率和時間幾乎呈現(xiàn)線性關(guān)系，在之后的反應(yīng)中降解率的變化變慢，降解速率下降，漸漸趨向平緩，越接近100%速率越低。七、思考題1、實驗中，為什么用蒸儲水作參比溶液來調(diào)節(jié)分光光度計的透光率值為100%?一般選擇參比溶液的原則是什么？答：用蒸儲水作參比溶液來調(diào)節(jié)分光光度計的透光率值為100%,以消除溶液中的水對光的吸收反射或散射造成的誤差。一般選擇參比溶液的原則：當(dāng)試樣溶液、顯色劑及所用的其它試劑在測定波長處均無吸收時，可選用蒸儲水作參比液；若有顯色劑或其它試劑對入射光有吸收，應(yīng)選用試劑空白為參比；若試樣中其它組分有吸收，而