流化光催化反應(yīng)器降解4BS染料的研究

流化光催化反應(yīng)器降解4BS染料的研究

摘要設(shè)計(jì)了一種二相流化床光催化氧化反應(yīng)器，并以耐火磚顆粒為載體，用浸涂法制備了負(fù)載型TiO2光催化劑。利用紫外光為光源，對(duì)有機(jī)染料直接耐酸大紅4BS在不同初始濃度、催化劑濃度、pH值、循環(huán)流量和光強(qiáng)下的光催化降解脫色的反應(yīng)速率進(jìn)行了研究，并提出了該系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模式。

關(guān)鍵詞光催化反應(yīng)器流化床4BS染料降解動(dòng)力學(xué)模式

StudyonDegradationofSolubleDye4BSRedbyFluidizedBedPhoto-catalyticReactor

Abstract：Atwo-phasefluidizedbedphoto-catalyticreactorwasdesignedandTiO2-coatedphoto-catalystwaspreparedusingfirebrickgranulesasmediainthisreactionrateofdegradationanddecolorationoforganicdye4BSredwasstudiedatdifferentinitialconcentration,catalystconcentration,pHvalue,circulatingflowandlightintensityusingultravioletlampsaslightkineticmodelofthesystemwasalsogiven.

Keywords:photo-catalyticreactor;fluidizedbed;dye4BSred;degradation;kineticmodel

1試驗(yàn)部分

試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置(自制)由配水區(qū)、反應(yīng)區(qū)、紫外光源、固液分離器等部分組成(見圖1)，反應(yīng)區(qū)的中間設(shè)有紫外燈和石英套管。含直接耐酸大紅4BS的原水通過穩(wěn)定水箱連續(xù)定量地進(jìn)入曝氣水箱中，與反應(yīng)器循環(huán)出水一起進(jìn)行曝氣，以提供光催化反應(yīng)所需的溶解氧。在進(jìn)水流速的作用下，光催化劑顆粒在反應(yīng)區(qū)得到充分流化。反應(yīng)區(qū)的容積為。

試驗(yàn)方法

負(fù)載催化劑的制備

制成一定配比的含硅酸鈉與二氧化鈦的均勻懸濁液(負(fù)載溶液)，對(duì)破碎的耐火磚顆粒(30～40目)載體進(jìn)行表面處理，然后稱取一定重量的載體浸入負(fù)載溶液中，混合均勻后烘干、高溫處理、冷卻。此過程重復(fù)數(shù)遍后，用超聲波清洗10min，烘干后待用［1］。

光催化氧化的工藝條件試驗(yàn)

向水箱中注滿自來(lái)水，再加入4BS溶液，開啟水泵及風(fēng)機(jī)，使4BS溶液混合均勻，15min后測(cè)定溶液的吸光度，此過程循環(huán)進(jìn)行，直至達(dá)到試驗(yàn)所需的濃度。然后將500g負(fù)載催化劑投入反應(yīng)器中，開啟水泵和風(fēng)機(jī)并調(diào)節(jié)循環(huán)流量，使有效反應(yīng)區(qū)內(nèi)的負(fù)載催化劑均勻流化，運(yùn)行30min，4BS溶液達(dá)到吸附平衡后取樣分析。開啟紫外光源，以后每隔一定時(shí)間取樣分析。試驗(yàn)中控制pH＝～，曝氣水箱中DO為/L，固液分離器中DO為9.0mg/L。

分析方法

4BS濃度測(cè)定采用分光光度法。測(cè)定樣品時(shí)，溶液的pH值調(diào)至～，用高速離心機(jī)(LD5—2A)分離20min后取上清液，用752紫外可見光柵分光光度計(jì)于500nm波長(zhǎng)處測(cè)定溶液的吸光度。

2結(jié)果與討論

催化劑濃度的影響

取濃度為25mg/L的4BS溶液30L，在循環(huán)流量為25L/min時(shí)，以20W的紫外燈光照200min，催化劑濃度對(duì)光催化降解脫色速率的影響見圖2。

從圖2可以看出，當(dāng)催化劑的體積分?jǐn)?shù)在%～%(V/V，催化劑堆積體積與有效應(yīng)區(qū)的總體積之比)范圍內(nèi)時(shí)，4BS的降解脫色速率常數(shù)呈線性上升；當(dāng)催化劑濃度提高到%時(shí)，該常數(shù)達(dá)到最高值；繼續(xù)增加催化劑的濃度，該常數(shù)驟減；當(dāng)催化劑的濃度為15.3%時(shí)，4BS降解脫色速率幾乎為零。這種現(xiàn)象表明，在流化床光催化反應(yīng)系統(tǒng)中適當(dāng)增加催化劑的濃度能產(chǎn)生更多的活性物質(zhì)，加快降解速率；當(dāng)催化劑濃度達(dá)到某一值時(shí)，光子的能量得到了最充分的利用；繼續(xù)增加催化劑的濃度，會(huì)使溶液中的濁度增加，透光度驟減，導(dǎo)致光催化降解速率突然下降。

4BS初始濃度的影響

取4BS溶液17L，催化劑的體積分?jǐn)?shù)為%，在節(jié)的試驗(yàn)條件下，4BS初始濃度對(duì)光催化降解脫色速率的影響見圖3。

假定4BS降解脫色反應(yīng)符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模式，根據(jù)ln(C0/C)＝kt可求出不同4BS初始濃度時(shí)的反應(yīng)速率常數(shù)k值(見表1)。

表1不同初始濃度的4BS降解脫色速率常數(shù)k初始濃度

(mg/L)一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)k

(min-1)相關(guān)系數(shù)γ1

假設(shè)k＝nCa0，則lgk＝lgn+algC0。經(jīng)數(shù)學(xué)回歸可得到關(guān)系式：lgk＝-，相關(guān)系數(shù)r＝。由此可認(rèn)為降解脫色速率常數(shù)k近似為溶液4BS初始濃度C0的負(fù)一級(jí)反應(yīng)，表明4BS溶液濃度越大，溶液吸收的有效光子能量越多，從而減少了負(fù)載光催化二氧化鈦對(duì)有效光子能量的利用，使反應(yīng)速率常數(shù)降低。

溶液初始pH值的影響

在節(jié)的試驗(yàn)條件下，選用HCl和NaOH溶液對(duì)4BS溶液(濃度為/L)的pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)，其對(duì)光催化降解脫色速率的影響見表2。

表2不同初始pH值對(duì)4BS的降解脫色效果初始pH值4BS去除率(%)

從表2可以看出，在pH＝時(shí)，對(duì)4BS有較大的去除率，而在堿性條件下去除率較低。

光源光強(qiáng)的影響

在節(jié)的試驗(yàn)條件下，光強(qiáng)對(duì)4BS(溶液濃度為28mg/L)光催化降解脫色速率的影響見表3。

表3不同光源光強(qiáng)的4BS降解脫色速率常數(shù)k光照強(qiáng)度(W)k(min-1)20(UV殺菌燈)79375(高壓汞燈)0

從表3可明顯看出，375W功率光照下的降解速率比20W功率光照下的快，表明光源光強(qiáng)的大小對(duì)反應(yīng)速率有明顯的影響。

循環(huán)流量的影響

在節(jié)的條件下，循環(huán)流量對(duì)4BS(溶液濃度為24mg/L)光催化降解脫色速率的影響見表4。

表4不同循環(huán)流量的4BS降解脫色速率常數(shù)k循環(huán)流量(L/min)k(min-1)4

從表4可以看出，循環(huán)流量對(duì)光催化降解脫色速率幾乎沒有影響，這表明在光催化反應(yīng)器系統(tǒng)中可忽略溶質(zhì)向催化劑表面的傳質(zhì)影響。這是因?yàn)樵诹骰补獯呋磻?yīng)器中，循環(huán)流量一般較大，以使反應(yīng)器中有效區(qū)內(nèi)的負(fù)載催化劑達(dá)到充分的流化。

應(yīng)系統(tǒng)中無(wú)效容積的影響

在節(jié)的條件下，反應(yīng)系統(tǒng)中無(wú)效容積對(duì)4BS(溶液濃度為27mg/L)降解脫色效果的影響見圖4。

從圖4可以看出，反應(yīng)系統(tǒng)的容積越大，4BS降解脫色速率越小。這一點(diǎn)可從下述反應(yīng)器理論得到解釋。

根據(jù)系統(tǒng)中各組分的形狀及其內(nèi)部水流的流態(tài)，可認(rèn)為系統(tǒng)的有效反應(yīng)區(qū)為理想推流式反應(yīng)器(PFR)，其容積為V1，屬光化學(xué)反應(yīng)有效容積；其余部分(固液分離器、曝氣水箱、水泵和管道等)可近似看作恒流攪拌反應(yīng)器(CFSTR)，無(wú)化學(xué)反應(yīng)，其容積為V2，屬無(wú)效容積。系統(tǒng)模式見圖5。CFSTR反應(yīng)器的物料平衡方程為：

V2(dC2)dt＝QC1-QC2(1)

式中C1——PFR中4BS出水濃度

C2——CFSTR中4BS的濃度

Q——循環(huán)流量

對(duì)于PFR，有：

C1＝C2exp(-Θ1k)(2)

式中k——PFR中4BS降解脫色速率常數(shù)

Θ1＝V1/Q——4BS在PFR中的停留時(shí)間

將式(2)代入式(1)得：

dC2/dt＝-(1/Θ2)［1-exp(-Θ1k)］C2＝-(1Θ2)kappC2(3)

式中Θ2＝V2/Q——4BS在CFSTR中的停留時(shí)間

令C0和C2分別代表t＝0和t＝t時(shí)4BS在CFSTR中的濃度，根據(jù)式(3)可得

在式(4)、(5)中，當(dāng)循環(huán)流量Q和反應(yīng)時(shí)間t一定時(shí)，Θ1為一常數(shù)(因V1＝L)，如V2減小，則Θ2減小，可以得出C1、C2降低，這說明4BS降解脫色速率降低，這與圖4試驗(yàn)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)相符合。因此在設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)，減小系統(tǒng)中的無(wú)效容積不僅可減少系統(tǒng)造價(jià)，而且可以提高光催化降解速率。

3結(jié)論

①負(fù)載于載體表面的TiO2粉末，既保留了光催化功能，又克服了粉末狀態(tài)易流失和難回收的弊端，催化劑可以重復(fù)使用；

②4BS溶液的初始pH值、初始濃度、光強(qiáng)等因素對(duì)其光催化降解脫色的反應(yīng)速率有較大影響；

③因?yàn)榱骰补獯呋磻?yīng)器的循環(huán)流量一般比較大，因而光催化反應(yīng)區(qū)中的傳質(zhì)作用可以忽略；

④確定最佳催化劑濃度是提高流化床光催化反應(yīng)器光催化降解速率的一個(gè)重要因素；

⑤在流化床光催化反應(yīng)系統(tǒng)中，4BS降解脫色速率隨著反應(yīng)器系統(tǒng)中無(wú)效容積的增大而減小。

參考文獻(xiàn)：

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