光催化降解羅丹明B的研究

IITiO2-SiO2光催化降解羅丹明B的研究摘要文章系統(tǒng)論述了羅丹明B降解的研究現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展，同時(shí)綜合分析了TiO2-SiO2催化劑的制備及優(yōu)點(diǎn)，光催化降解在有機(jī)廢水方面的應(yīng)用，結(jié)合多方面因素來(lái)探討pH，催化劑用量，羅丹明B濃度各因素對(duì)光催化降解羅丹明B的影響，再根據(jù)響應(yīng)面法的結(jié)果分析，確定處理羅丹明B的最佳工藝條件。響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同因素對(duì)羅丹明B降解率的影響不同，從大到小依次為：pH，催化劑用量，羅丹明B初始濃度，其中pH的影響最大。處理羅丹明B的最佳工藝條件：pH為5.5，TiO2-SiO2催化劑用量為0.18g，羅丹明B初始濃度關(guān)鍵詞：羅丹明B；光催化；TiO2-SiO2催化劑；響應(yīng)面法TheResearchofRhodamineB’sPhotocatalyticDegradationbyTiO2-SiO2AbtsractTheresearchofRhodamineBanditsdevelopmentinthefuturehavebeendiscussedsystematicallyinthispaper,andthepreparationofTiO2-SiO2catalystanditsbenefithaveacomprehensiveanalysis.Photocatalyticdegradationhadbeenapplicatedwidelyinhandletheorganicwastewater.Combiningmanyfactorsfromallsides,theaffectofpH,thedosageofcatalyst,theinitialconcentrationofRhodamineBhavebeendiscussedwhenphotocatalyticdegradationofRhodamineB.Thenitdeterminestheoptimumparametersofdegradationbasedontheresponsesurfaceexperimentresultanalysis.Finally,theresultoftheexperimentindicates:Theresponsesurfaceexperimentresultshowedthatdifferentfactorshavedifferentinfluencesonthedegradationcapacity,fromlargetosmall:pH,thedosageofcatalyst,theinitialconcentrationofRhodamineB,amongwhichpHhasthemostsignificantinfluence.ThebestconditionsfordegradationofRhodamineB:pHis5.5,thedosageofTiO2-SiO2is0.18g,theinitialconcentrationofRhodamineBisKeywords:TiO2-SiO2PAGE25目錄引言 1第一章羅丹明B簡(jiǎn)介及有機(jī)廢水處理方法 21.1羅丹明B的簡(jiǎn)單介紹 21.1.1羅丹明B的危害 21.1.2羅丹明B的檢測(cè) 31.1.3羅丹明B的降解 31.2TiO2的光催化機(jī)理及制備 41.2.1TiO2的光催化機(jī)理 41.2.2TiO2光催化技術(shù)的應(yīng)用 41.3TiO2的制備方法 41.3.1物理法 41.3.2化學(xué)法 51.4響應(yīng)面實(shí)驗(yàn) 6第二章實(shí)驗(yàn)研究的目的意義及方案設(shè)計(jì) 72.1研究的目的意義 72.2研究的內(nèi)容 72.3研究目標(biāo) 72.4研究方案設(shè)計(jì) 72.4.1實(shí)驗(yàn)材料及儀器 72.4.2實(shí)驗(yàn)方法及過(guò)程 8第三章實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 123.1計(jì)算公式 123.2羅丹明B的最大吸收波長(zhǎng) 123.3標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 123.4TiO2-SiO2催化劑紅外光譜圖分析 133.5單一數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 143.5.1吸附時(shí)間對(duì)降解率的影響 143.5.2pH值對(duì)降解率的影響 153.5.3TiO2-SiO2催化劑用量對(duì)吸附率的影響 153.5.4羅丹明B的初始濃度對(duì)降解率的影響 163.6響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 163.7降解的最佳條件 223.8結(jié)論 223.9未來(lái)展望 22參考文獻(xiàn) 23致謝 25引言隨著現(xiàn)代印染工業(yè)的迅速發(fā)展，通過(guò)各種途徑進(jìn)入水體中的化合物的種類和數(shù)量急劇增多，有機(jī)廢水中含有許多難以降解有毒的污染物，其中羅丹明B具有較高的難降解性和易累積等特點(diǎn)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。羅丹明B（RB）俗稱花粉紅，是一種具有鮮桃紅色的人工合成的染料，氧雜蒽染料中的重要代表物，廣泛存在印染廢水中，羅丹明B還涉及食品安全事件，2011年2月15日，“重慶千驕調(diào)味品有限公司”廠區(qū)內(nèi)部分殘留豆瓣醬和紅油中查出羅丹明B，經(jīng)老鼠試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，羅丹明B會(huì)引致皮下組織生肉瘤，被懷疑是致癌物質(zhì)。由于其難生物降解，大量使用會(huì)對(duì)水環(huán)境造成很大危害，因此對(duì)含有RB廢水的降解處理便顯得十分重要。除了苯環(huán)類類物質(zhì)，有機(jī)廢水中還有可能存在其他的有毒物質(zhì)，會(huì)在水體、土壤等自然環(huán)境中不斷積累、儲(chǔ)存，最后進(jìn)入人體到目前為止，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期努力已經(jīng)建成很多降解方法，常用的方法有物理法，化學(xué)法，生物法等，最常用是化學(xué)法，其中，已經(jīng)建成很多降解方法，常用的方法有物理法，化學(xué)法，生物法等，最常用是化學(xué)法，光催化氧化法具有（1）無(wú)毒（2）安全（3）穩(wěn)定性好（4）催化活性高（5）見(jiàn)效快（6）能耗低（7）可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。光催化法可以為環(huán)境保護(hù)事業(yè)和企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。由于TiO2具有優(yōu)良的光催化效應(yīng)，且對(duì)人體無(wú)毒無(wú)害，因此它是一種優(yōu)良的催化劑。另外，響應(yīng)面法具有試驗(yàn)次數(shù)少、預(yù)測(cè)性能好、精密度高等優(yōu)點(diǎn)，本課題利用此方法來(lái)討論pH、羅丹明B初始濃度、催化劑用量等因素對(duì)降解羅丹明B的影響，為治理印染廢水提供依據(jù)。第一章羅丹明B簡(jiǎn)介及有機(jī)廢水處理方法1.1羅丹明B的簡(jiǎn)單介紹羅丹明B（RB）俗稱花粉紅，又名玫瑰紅，是一種具有鮮桃紅色的人工合成的染料,氧雜蒽染料中的重要代表物，分子式為C28H31ClN2O3，分子量為479.0175，其分子結(jié)構(gòu)如圖1，常溫下為紅紫色粉末或綠色結(jié)晶，幾乎沒(méi)有異味，易溶于水和乙醇，水溶液為藍(lán)紅色，稀釋后有強(qiáng)烈熒光具有良好的穩(wěn)定性和染色能力，主要用于紡織、制漆、造紙、皮革等的工業(yè)染色，同時(shí)它亦是一種常見(jiàn)的分析試劑，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、礦業(yè)、環(huán)保、鋼鐵等領(lǐng)域，也可作實(shí)驗(yàn)室中細(xì)胞熒光染色劑[1]。圖1.1羅丹明B的分子結(jié)構(gòu)羅丹明B的危害印染工業(yè)中由于不完善的清洗和處理技術(shù)，大約有15%左右的染料從生產(chǎn)廢液中排出去，成分復(fù)雜、色度高、可生化是這種廢水的特點(diǎn)，特別是高色度這一特點(diǎn)嚴(yán)重影響水體質(zhì)量，抑制了太陽(yáng)光進(jìn)入水體于是降低了水中生物的光合作用，許多染料是有毒的，有的具有致癌和致突變性，難降解，例如羅丹明B。不僅對(duì)動(dòng)物和植物造成傷害，同時(shí)嚴(yán)重影響人類的身體健康，染料廢水中羅丹明B的濃度一般高于100mg/L。羅丹明B曾用作食品添加劑，經(jīng)老鼠試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，羅丹明B會(huì)引致皮下組織生肉瘤，被懷疑是致癌物質(zhì)，現(xiàn)已不允許用作食品添加劑及食品染色。但由于羅丹明B具有顏色紅艷、價(jià)格低廉、穩(wěn)定性良好，常被不法商家用作替代食品添加劑的著色劑，給人們的飲食安全帶來(lái)極大隱患。2011年2月15日，“重慶千驕調(diào)味品有限公司”廠區(qū)內(nèi)部分殘留豆瓣醬和紅油中查出羅丹明B。2011年4月底，重慶警方又查獲上萬(wàn)斤用羅丹明B染色的毒花椒，這些毒花椒被制成火鍋底料。羅丹明B之所以不能作為食品添加劑的主要原因不僅僅是因?yàn)樗鼘儆谌斯ず铣扇玖?，還因?yàn)閿z取、吸入以及皮膚接觸到它會(huì)造成慢性和急性的中毒傷害。1999年，陳建軍等報(bào)道人體食入、吸入以及皮膚接觸羅丹明B能引起不同程度急性中毒癥狀，它主要作用在皮膚、氣管、肺、胃腸等器官，且對(duì)心臟、腎、脾、肝、及血液系統(tǒng)有一定的損害作用。此外，2002年，黃良平等報(bào)道羅丹明B可以被腸道吸收，然后隨血液分布到各器官，使皮膚、臟器、粘膜染紅，鏡下觀察到腦間血管輕度淤血，部分心肌纖維斷裂，最終致人死亡。在2008年羅丹明B已經(jīng)被國(guó)家列入第一批《食品中可能違法添加的非食用物質(zhì)和易濫用的食品添加劑名單》，美國(guó)、歐盟等國(guó)家也都不允許在食品中使用。1.1.2羅丹明B的檢測(cè)我國(guó)目前尚沒(méi)有檢測(cè)食品中羅丹明B的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，也無(wú)快速檢測(cè)和鑒定方法。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道可采用高效液相色譜-熒光檢測(cè)器法[2]，高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜檢測(cè)方法[3]。1.1.3羅丹明B的降解由于羅丹明B難生物降解，大量使用會(huì)對(duì)水環(huán)境造成很大危害，因此對(duì)含有RB廢水的降解處理便顯得十分重要。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期努力已經(jīng)建成很多處理方法，常用的方法有物理法，化學(xué)法，生物法等，如化學(xué)氧化法[4]、吸附法[5]、混凝沉淀法[6]、膜分離法[7]、離子交換法[8]及微生物降解法[9]。最常用是化學(xué)法，現(xiàn)階段有很多關(guān)于光催化降解羅丹明B的研究，李愛(ài)昌[10]等用（Ni-Mo）-TiO2納米薄膜提高羅丹明B的降解率，王建強(qiáng)[11]用硅膠為載體。采用溶膠-凝膠法制備了Fe3+-TiO2/SiO2光催化劑，探討了光催化反應(yīng)中溶液pH值和起始濃度對(duì)催化反應(yīng)的影響。張麗[12]等討論了以CuO2作為光催化劑，在太陽(yáng)光下，加入H2O2，可溶性染料羅丹明B的降解率達(dá)到100%。還有在此基礎(chǔ)上發(fā)展的超聲光催化，光電催化。其他還有力空化強(qiáng)化臭氧降解水中羅丹明B[13]，芬頓氧化法（加雙氧水、Fe2+）降解羅丹明B[14]這兩種方法都是利用強(qiáng)氧化性物質(zhì)降解羅丹明B，但是光催化氧化法具有無(wú)毒、安全、穩(wěn)定性好、催化活性高、見(jiàn)效快、能耗低、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。本文探討了羅丹明B光催化降解的研究。1.2TiO2的光催化機(jī)理及制備自從在1972年Fuiishima和Honda發(fā)現(xiàn)具有光分解水功能的TiO2單晶電極以后，半導(dǎo)體多相光催化反應(yīng)引起人們的濃厚興趣。由于半導(dǎo)體光催化具有操作簡(jiǎn)單、能耗低、反應(yīng)條件溫和與無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，成為了近年來(lái)日益受重視的環(huán)境污染治理新技術(shù)，并廣泛研究[15]。1.2.1TiO2的光催化機(jī)理TiO2的晶型中銳鈦礦型的光催化活性最高[16]。TiO2光催化是以能帶理論為基礎(chǔ)，將N型半導(dǎo)體作為敏化劑的一種光敏氧化法。TiO2之所以能作為光催化劑，原因在于其作為N型半導(dǎo)體的能帶是不連續(xù)的，在能量較低的價(jià)帶VB和能量較高的導(dǎo)帶CB之間存在一個(gè)禁帶。當(dāng)用能量大于等于禁帶寬度ES的光照射TiO2時(shí)，其價(jià)帶上的電子就會(huì)激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶上，同時(shí)在價(jià)帶上產(chǎn)生相應(yīng)的空穴。電子-空穴的壽命很短，一般只有幾皮秒。但是足夠吸附在半導(dǎo)體表面的物質(zhì)（待降解物）俘獲電子或者空穴，實(shí)現(xiàn)氧化還原降解。價(jià)帶的空穴具有很強(qiáng)的得電子能力，即強(qiáng)氧化性，可奪去吸附在半導(dǎo)體顆粒表面有機(jī)物和溶劑中的電子，使之徹底氧化為CO2、H2O和其它無(wú)機(jī)物。導(dǎo)帶的電子具有強(qiáng)還原性，能還原大多數(shù)金屬離子以及還原溶解的氧氣生成超氧自由基(·O2-)和雙氧水(H2O2)。1.2.2TiO2光催化技術(shù)的應(yīng)用光催化是一種效應(yīng)，其實(shí)許多物質(zhì)都具有這種效應(yīng)，如氧化鋅、氧化硅、氧化鈦等，但二氧化鈦對(duì)人體無(wú)毒無(wú)害。而從光催化劑應(yīng)用的前景來(lái)看，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：一是二氧化鈦涂層的自潔凈功能，將二氧化鈦涂覆在建筑材料、交通工具、室內(nèi)裝修材料的表面，即能分解這些表層的污染物，再通過(guò)雨水的清洗即可實(shí)現(xiàn)自潔效果；二是超親水性能用于制備防霧設(shè)備，三是空氣和水資源的凈化，自從發(fā)現(xiàn)TiO2的光催化活性以來(lái)，利用TiO2的光催化性質(zhì)處理污水中的有機(jī)污染物就成為應(yīng)用TiO2的一種最直接的方面，如對(duì)上下水源的處理，工廠排水、農(nóng)業(yè)排水的處理等。四是實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將二氧化鈦涂覆在盛水的容器上，光照后發(fā)現(xiàn)能產(chǎn)生殺菌效果，起到很好的凈化效果。光催化的抗菌效果比傳統(tǒng)滅菌方法更有優(yōu)勢(shì)。1.3TiO2的制備方法1.3.1物理法1.氣相冷凝法:把樣品預(yù)先處理為氣相然后在液氮的氣氛下冷凝成核制得納米TiO2粉體，但該方法不適用于制備沸點(diǎn)較高的半導(dǎo)體氧化物。2.高效能球磨法：工藝較簡(jiǎn)單，但制得的粉體形狀不規(guī)則，顆粒尺寸大，均勻性差。1.3.2化學(xué)法1.溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法制備TiO2是當(dāng)今研究最多和最具有工業(yè)化前景的方法[17,18]。通常以Ti的金屬醇鹽作為前驅(qū)體，將其加入到水和乙醇的混合溶液中，然后再調(diào)節(jié)溶液的pH值，并加入酸等抑制劑來(lái)抑制Ti金屬醇鹽的強(qiáng)烈水解，再通過(guò)羥基縮合，進(jìn)一步交聯(lián)，最后得到透明的溶膠。其反應(yīng)過(guò)程如下：水解反應(yīng)：Ti(OR)4+4H2O→Ti(OH)4+4ROH失醇縮聚：Ti(OH)4+Ti(OR)4→2TiO2+4ROH失水縮聚：Ti(OH)4+Ti(OH)4→2TiO2+4H2O溶膠-凝膠法還可以Ti無(wú)機(jī)鹽作為前驅(qū)體，直接將其加入到去離子水中調(diào)節(jié)批pH值，水解后去除Cl－離子即可制得溶膠。經(jīng)干燥、煅燒，即可得到TiO2粉體[19]。此法最突出的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)物分子在分子水平上均勻混合，并且制得粒子的粒徑分布窄、工藝較簡(jiǎn)單、容易進(jìn)行摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)改性提高催化活性。2.浸漬法 浸漬法將載體放進(jìn)含有活性物質(zhì)的液體或氣體中浸漬，活性物質(zhì)逐漸吸附于載體的表面，當(dāng)浸漬平衡后，去除剩余液體，再進(jìn)行干燥、焙燒、活化等制得催化劑。浸漬法適用于制備稀有貴金屬催化劑。3.離子交換法利用離子交換的手段把活性組分以陽(yáng)離子形式交換吸附在載體上，適用于低含量、高利用率的貴金屬催化劑。4.沉淀法將沉淀劑加入金屬鹽類溶液，得到沉淀后再洗滌，干燥，焙燒，研磨，活化，制得催化劑。本文利用溶膠-凝膠法制備TiO2-SiO2催化劑。1.4響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)響應(yīng)面優(yōu)化法，即響應(yīng)曲面法(ResponseSurfaceMethodology，RSM)，同正交試驗(yàn)一樣也是一種最優(yōu)化方法，適宜于解決非線性數(shù)據(jù)處理的相關(guān)問(wèn)題，考慮了試驗(yàn)隨機(jī)誤差。它是將體系的響應(yīng)（如萃取化學(xué)中的萃取率）作為一個(gè)或多個(gè)因素（如萃取劑濃度、酸度等）的函數(shù)，運(yùn)用圖形技術(shù)將這種函數(shù)關(guān)系顯示出來(lái)，以供我們憑借直覺(jué)的觀察來(lái)選擇試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的最優(yōu)化條件。由于響應(yīng)面法具有實(shí)驗(yàn)次數(shù)少、精密度高、預(yù)測(cè)性能好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到應(yīng)用。羅勇勝等[20]運(yùn)用響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究光合細(xì)菌與芽孢桿菌協(xié)同作用時(shí)的用量和最佳配比。王拯等[21]通過(guò)建立響應(yīng)曲面模型得到光催化劑TiO2/Al2O3/Fe2O3降解染料的最佳的初始pH值、光強(qiáng)和光催化劑濃度。借鑒以上研究成果，TiO2-SiO2催化劑光催化降解羅丹明B利用響應(yīng)面法尋找降解的最優(yōu)條件。 第二章實(shí)驗(yàn)研究的目的意義及方案設(shè)計(jì)2.1研究的目的意義印染工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生大量的有機(jī)廢水，如不及時(shí)處理會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大的污染，危害人們的生活。羅丹明B具有較高的難降解性和易累積等特點(diǎn)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類身體健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此水中羅丹明B的危害引起了世界范圍的廣泛關(guān)注。TiO2光催化處理廢水則是近年來(lái)新興發(fā)展的一種方法。本課題使用響應(yīng)面法尋找最優(yōu)條件。同時(shí)了解光催化作用的原理和方法、催化劑的制備。2.2研究的內(nèi)容（1）溶膠凝膠法制備TiO2-SiO2催化劑。（2）響應(yīng)面法求得光催化降解羅丹明B的最佳條件。2.3研究目標(biāo)本論文主要研究目標(biāo)是找到光催化降解羅丹明B的最佳工藝條件，為光催化降解用于處理有機(jī)廢水提供理論實(shí)驗(yàn)依據(jù)。2.4研究方案設(shè)計(jì)2.4.1實(shí)驗(yàn)材料及儀器表2.1本實(shí)驗(yàn)采用的化學(xué)試劑品名規(guī)格生產(chǎn)公司無(wú)水乙醇分析純天津天利化學(xué)試劑有限公司硅酸乙酯分析純天津光復(fù)精細(xì)化工研究所鈦酸丁酯化學(xué)純天津光復(fù)精細(xì)化工研究所聚乙二醇400化學(xué)純天津市福晨化學(xué)試劑廠羅丹明B分析純天津縱橫興工貿(mào)有限公司化工試劑公司鹽酸分析純?nèi)R陽(yáng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)精細(xì)化工廠氫氧化鈉分析純上?？品A工科技有限公司表2.2本實(shí)驗(yàn)采用的儀器名稱型號(hào)生產(chǎn)公司電動(dòng)攪拌器100WJJ-1型深圳天南海北實(shí)業(yè)有限公司光化學(xué)反應(yīng)儀XPA-7系列南京胥江機(jī)電廠紫外分光光度計(jì)Agilent8453濟(jì)南勝利儀器公司馬弗爐MFL-8000型上海勝利儀器公司數(shù)顯磁力攪拌加熱器SHE-1000型江蘇金壇市金祥龍電子有限公司低轉(zhuǎn)速臺(tái)式大容量離心機(jī)TDL-40C型瑞獎(jiǎng)牌系列離心機(jī)分析天平FA1204B型島津國(guó)際貿(mào)易（上海）有限公司生產(chǎn)pH計(jì)PHS-25型上海精密科學(xué)儀器有限公司2.4.2實(shí)驗(yàn)方法及過(guò)程一、TiO2-SiO2催化劑的制備（一）TiO2-SiO2溶膠的制備A溶液：取10ml正硅酸乙酯溶于10ml乙醇中，再加入3.6%（w）的HCl水溶液攪拌30min。B溶液：取20ml鈦酸四丁酯溶于20ml乙醇中。在快速攪拌A液下，將B液緩慢加入，同時(shí)滴加7.5gPEG(聚乙二醇)所加PEG與溶膠中(SiO2+TiO2)的質(zhì)量一樣然后劇烈攪拌1h得到溶膠。（二）TiO2-SiO2粉體的制備把制得溶膠放入80℃下的恒溫干燥箱中干燥5h，研磨得到粉末，然后再放入馬弗爐中從室溫以1.5℃/min的速度加熱至450℃，保溫2h，制得TiO2-Si二、TiO2-SiO2催化降解羅丹明B實(shí)驗(yàn)將羅丹明B溶液模擬污水加入光催化反應(yīng)裝置中，加入制得TiO2-SiO2催化劑，在磁力攪拌器的攪拌下進(jìn)行光催化降解實(shí)驗(yàn)，隔一段時(shí)間取樣，然后在紫外分光光度計(jì)上測(cè)吸光度，并計(jì)算降解率。圖2.1光催化裝置外部圖圖2.2光催化裝置1.吸附試驗(yàn)通過(guò)RB在催化劑表面上的吸附行為，確定吸附在RB的光催化降解過(guò)程中的作用，為了避免光催化降解，吸附實(shí)驗(yàn)在暗室內(nèi)進(jìn)行。具體操作：稱取0.1000g的TiO2-SiO2光催化劑，量取50ml濃度分別為10.00mg/L的RB溶液于石英試管放入光反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，每隔10min取水樣，2.羅丹明B溶液的pH值對(duì)羅丹明B的降解率的影響用分析天平秤取0.0103g的羅丹明B于1000mL的容量瓶中，得到10.3mg/L的溶液，用NaOH溶液或HCl溶液調(diào)節(jié)溶液的pH值（pH分別為2，3，4，5，7，8，9），測(cè)其吸光度。分別取50ml不同pH值的羅丹明B于石英試管中并放入轉(zhuǎn)子，加入相同質(zhì)量0.010g的催化劑，混合后在25℃下放入光催化反應(yīng)儀，打開(kāi)磁力攪拌器45min（100轉(zhuǎn)/min），讓羅丹明B充分吸附在催化劑上，然后開(kāi)250W紫外燈，光照1.5h，取樣3.TiO2-SiO2催化劑用量對(duì)降解率的影響用分析天平秤取0.0103g的羅丹明B于1000mL的容量瓶中，調(diào)節(jié)溶液pH=6，取50ml的羅丹明B溶液于石英試管中并放入轉(zhuǎn)子，稱量0.05g，0.1g，0.2g，0.3g，0.4g催化劑加入試管，混合后在25℃下放入光催化反應(yīng)儀，打開(kāi)磁力攪拌器45min4.羅丹明B的初始濃度對(duì)降解率的影響用分析天平分別稱取0.0040g，0.0060g，0.0080g，0.0100g的羅丹明B于1000mL的容量瓶中，調(diào)節(jié)溶液pH=6，取50ml的羅丹明B于石英試管中并放入轉(zhuǎn)子，混合后在25℃下放入光催化反應(yīng)儀，打開(kāi)磁力攪拌器45min（100轉(zhuǎn)/min），三、響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)考察因素及水平：根據(jù)以往實(shí)驗(yàn)，羅丹明B溶液的pH值、催化劑的加入量、羅丹明B初始濃度均對(duì)光催化降解羅丹明B產(chǎn)生一定的影響，因此，本試驗(yàn)將羅丹明B溶液的pH值、催化劑的加入量、羅丹明B初始濃度作為可變因素進(jìn)行考察。表2.3響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素和水平列表stdRunFactor1A:催化劑用量gFactor2B:RB初始濃度mg/LFactor3C:pH110.107.06.00620.308.05.00530.108.05.001740.208.06.00950.207.05.001160.207.07.001670.208.06.00480.309.06.00290.307.06.0013100.208.06.00續(xù)表2.3stdRunFactor1A:催化劑用量gFactor2B:RB初始濃度mg/LFactor3C:pH15110.208.06.0014120.208.06.008130.308.07.003140.109.06.0012150.209.07.007160.108.07.0010170.209.05.00第三章實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論3.1計(jì)算公式 降解率公式：公式1-（1）式中：η–羅丹明B降解率；A–為降解后的吸光度；A0–為羅丹明B降解前的吸光度。3.2羅丹明B的最大吸收波長(zhǎng)將配制好的羅丹明B(RB)通過(guò)紫外－可見(jiàn)分光光度計(jì)的波譜掃描，確定了RB的最大吸收波長(zhǎng)（如圖3所示）圖3.1羅丹明B的最大吸收波長(zhǎng)3.3標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制一、標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制用分析天平分別稱量0.0010g，0.0040g，0.0080g，0.0040g，0.0100g羅丹明B二、標(biāo)準(zhǔn)溶液的測(cè)量將配置好的五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)系列溶液在紫外分光光度計(jì)下測(cè)量吸光度，然后根據(jù)所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度和相應(yīng)的吸光度值見(jiàn)表3.1，標(biāo)準(zhǔn)曲線見(jiàn)圖3.2，線性方程和相關(guān)性系數(shù)見(jiàn)表3.2。表3.1羅丹明B標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度和吸光度序號(hào)濃度（mg/L）吸光度110.20622240.71730361.21680481.6231015102.00630圖3.2羅丹明B溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線表3.2線性方程和相關(guān)性系數(shù)元素線性方程線性相關(guān)系數(shù)苯酚y=0.21041x-0.007150.99473.4TiO2-SiO2催化劑紅外光譜圖分析圖3.3TiO2-SiO2催化劑紅外光譜圖圖3.3是制備的TiO2-SiO2催化劑紅外光譜圖，圖中400-1250cm-1為O-Ti-O骨架的特征吸收峰，3400cm-1左右的峰為TiO2在表面吸附水的O-H的伸縮振動(dòng)。在1100cm-1左右為Si-O-Si鍵反對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，在800cm-1處對(duì)應(yīng)于Si-O-Si鍵對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰。由此可知，采用混合溶膠法制備了TiO2-SiO2催化劑。3.5單一數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析3.5.1確定吸附時(shí)間圖3.4吸附曲線圖3.4反應(yīng)的是在RB在催化劑表面上的吸附時(shí)間。t=60min后溶液濃度均不再變化，故認(rèn)為無(wú)光照下TiO2催化劑對(duì)RB的吸附在60min內(nèi)就達(dá)到吸附平衡。本實(shí)驗(yàn)把吸附時(shí)間定為45min，催化劑的吸附效果對(duì)降解RB過(guò)程有很大影響[22]。3.5.2pH值對(duì)降解率的影響圖3.5pH值對(duì)降解率的影響pH值是影響光催化降解羅丹明B的一個(gè)重要的條件，在圖3.5中所表示的就是，不同的pH值下，羅丹明B的降解率隨pH值的變化情況，如圖，pH值從2.0升到6.0時(shí)，降解率依次增大，在pH=6.0時(shí)達(dá)到最大值，此后隨著溶液的pH值的增大降解率開(kāi)始下降，這是因?yàn)閜H值較高時(shí)，TiO2的表面羥基中的H會(huì)被Na+取代，生成-ONa，致表面羥基數(shù)量減少，而一般認(rèn)為表面羥基多少是決定催化反應(yīng)的主要因素之一。pH值較低時(shí)顆粒所帶正電荷增加而羅丹明B為陽(yáng)離子型染料，在TiO2表面的吸附量將大為減少，不利于光催化降解反應(yīng)。因此，在羅丹明B的光催化降解反應(yīng)中pH溶液存在最佳的pH值條件3.5.3TiO2-SiO2催化劑用量對(duì)吸附率的影響圖3.6催化劑用量對(duì)降解率的影響據(jù)圖顯示，當(dāng)催化劑的用量為0.3000g時(shí)，羅丹明B降解率最高。在0.05g~0.3g之間，隨著催化劑用量的上升，降解率迅速上升，當(dāng)高于0.3g時(shí)，隨著催化劑用量的上升，羅丹明B降解率增加的不明顯，這是可能是因?yàn)?.5.4羅丹明B的初始濃度對(duì)降解率的影響圖3.7羅丹明B的初始濃度對(duì)降解率的影響圖3.7表示的是在羅丹明B初始濃度不同時(shí)對(duì)其降解率的影響。如圖中顯示，在羅丹明B初始濃度不同，RB的降解率也不同，RB的初始濃度為8mg/L時(shí)其降解率最大，當(dāng)RB濃度比較低時(shí)，降解效率很低，這是因?yàn)榉磻?yīng)速率與反應(yīng)濃度呈正比，濃度越低，反應(yīng)速率越低，相同時(shí)間內(nèi)的降解率越低，當(dāng)RB的初始濃度繼續(xù)增大時(shí)，相同催化劑用量，同時(shí)溶液顏色加深，吸收光子能力下降，所以降解率下降。3.6響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析表3.3響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析stdRunFactor1A:催化劑用量gFactor2B:RB初始濃度mg/LFactor3C:pHRespond1%110.107.06.0079.00620.308.05.0079.42530.108.05.0080.691740.208.06.0081.98950.207.05.0080.06851160.207.07.0072.311670.208.06.0085.96480.309.06.0076.54290.307.06.0077.8913100.208.06.0081.3315110.208.06.0081.5514120.208.06.0080.828130.308.07.0080.643140.109.06.0069.7512150.209.07.0073.177160.108.07.0069.410170.209.05.0078.47表3.3反映的是，通過(guò)三因素（pH、TiO2-SiO2催化劑用量、RB的初始濃度）設(shè)計(jì)的十七組響應(yīng)面試驗(yàn)，在不同的條件下，分別來(lái)進(jìn)行光催化降解羅丹明B過(guò)程，然后用紫外分光光度計(jì)來(lái)測(cè)量降解后溶液的吸光度，根據(jù)降解率公式算出降解率。最后根據(jù)響應(yīng)面試驗(yàn)所得到的結(jié)果來(lái)做極差分析，確定最佳的條件。極差分析見(jiàn)下表3.4：響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)極差分析表3.4響應(yīng)面試驗(yàn)的極差分析SourceSumof、quaresDfMeanSquareFValuep-valueProb>Fmodel297.64837.218.680.0031SignificantA30.62130.627.150.0282B16.07116.073.750.0888C66.87166.8715.610.0042A226.3216.140.0382B268.48115.990.0040C222.0915.160.0528AB15.6013.640.0928AC39.1319.130.0165Residual34.2784.28Lackoffit17.0844.270.990.5023NotsignificantPureerror17.1944.30CORtotal3331.9116極差分析結(jié)果解釋如下：根據(jù)表3.4中的方差分析結(jié)果，可見(jiàn)A，C，B2，AC，這四項(xiàng)是顯著項(xiàng)；Lackoffit的值為0.99，表明使用該方程進(jìn)行的擬合效果很好。擬合方程：R1=82.33+1.96*A-1.42*B-2.89*C-2.50*A2-4.03*B2-2.29C2+1.97*A*B+3.13*A*C所選的三個(gè)因素影響大小的順序依次為pH，催化劑用量，羅丹明B的初始濃度，其中pH響應(yīng)面分析結(jié)果：表3.5響應(yīng)面優(yōu)化ConstrainsLowerUpperLowerUpperNameGoalLimitLimitWeightWeightImportanceAisinrange0.10.3113Bisinrange7.09.0113Cisinrange57113R1maximize69.485.96113SolutionsNumber催化劑用量RB初始濃度pH值R1Desirability10.187.85.2683.39270.845Selected依據(jù)該模型，做出響應(yīng)曲面圖及等高線圖（如圖3.8～3.11），響應(yīng)曲面圖及等高線圖可以反映出各因素及因素間交互作用對(duì)響應(yīng)的影響。等高線的形狀反映了因素間交互作用對(duì)響應(yīng)影響的大小程度。響應(yīng)等高線越圓，則交互作用越弱，響應(yīng)曲面彎曲弧度越大，則曲面上的等高線相應(yīng)也會(huì)偏離圓，則交互作用越強(qiáng)。圖3.8RB初始濃度和催化劑用量交互影響的等高線 圖3.9RB初始濃度和催化劑用量交互影響的響應(yīng)面 圖3.10催化劑用量和pH交互影響的等高線圖3.11催化劑用量和pH交互影響的響應(yīng)面在接下來(lái)的實(shí)際操作中，將去除降解羅丹明B實(shí)驗(yàn)的工藝條件適當(dāng)調(diào)整為羅丹明B初始濃度為8.0mg/L，催化劑用量0.18g，pH值5.5以驗(yàn)證，測(cè)得在此實(shí)驗(yàn)條件下羅丹明B的平均降解率為85.254%，實(shí)驗(yàn)見(jiàn)表3.6。相對(duì)誤差為0.892%，因此回歸方程預(yù)測(cè)值與響應(yīng)面的實(shí)驗(yàn)值吻合良好。表3.6驗(yàn)證試驗(yàn)驗(yàn)證次數(shù)降解率%185.78285.56385.77485.34586.03685.29785.81885.453.7降解的最佳條件通過(guò)一系列的試驗(yàn)，確定光催化降解羅丹明B的最佳工藝條件：催化劑的用量為0.18g，pH為5.5，羅丹明B的初始濃度為8.03.8結(jié)論本文通過(guò)羅丹明B的光催化降解來(lái)研究有機(jī)廢水光催化降解的研究，并通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)得到的最佳降解條件為：催化劑用量為0.18g，pH為5.5，羅丹明B的初始濃度為8.0mg/3.9未來(lái)展望本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以很好的用于工業(yè)處理羅丹明B有機(jī)廢水，有待進(jìn)一步研究使降解率達(dá)到更高，降解率可能與羅丹明B的降解機(jī)理機(jī)理和催化劑的性能有關(guān)有關(guān)。TiO2催化劑的性能提高亦是近年來(lái)的研究重點(diǎn)，通過(guò)摻雜金屬離子、非金屬離子、有機(jī)染料敏化等來(lái)達(dá)到理想的效果。參考文獻(xiàn)[1]陳艷美,于淼.羅丹明B染色食品對(duì)人體的危害及檢測(cè)[J].科學(xué)之友,2011,9(09):153-154.[2]王傳現(xiàn),韓麗,方曉明.食品中羅丹明B的高效液相色譜熒光檢測(cè)[J].分析儀器,2002,(1):27-30.[3]程慧,李兵,占春瑞.臘腸中羅丹明B的高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜檢測(cè)方法[J].食品科學(xué),2010,31(04):223-225.[4]El-DesokyHS,GhoneimMM,El-SheikhR,etal.OxidationofLevafixCAreactiveazo-dyeinindustrialwastewateroftextiledyeingbyelectro-generatedFenton’sreagent[J].JournalofHazardousMaterials,2010,175(1/3):858-[5]施超,馮景偉,彭書(shū)傳,胡真虎.活性炭纖維對(duì)水中羅丹明B的吸附性能[J].環(huán)境化學(xué),2013,32(3):394-401.[6]MoghaddamSS,MoghaddamMRA,AramiM.Coagulation/flocculationprocessfordyeremovalusingsludgefromwatertreatmentplant:Optimizationthroughresponsesurfacemethodology[J].JournalofHazardousMaterial,2010,175(1/3):651-657.[7]SachdevaS,KumarA.PreparationofnanoporouscompositecarbonmembraneforseparationofRhodamineBdye[J].JournalofMembraneScience,2009,329(1/2):2-10.[8]LabandaJ,SabateJ,LlorensJ.Modelingofthedynamicadsorptionofananionicdyethroughion-exchangemembraneadsorber[J].JournalofMembraneScience,2009,340(1/2):234-240.[9]LiZJ,ZhangXW,LinJ,etal.Azodyetreatmentwithsimultaneouselectricityproductioninanaerobic-aerobi