二氧化钛对甲基橙水溶液的光催化降解
研究论文
光催化降解
・・
二氧化钛复合纸板对甲基橙水溶液的
光催化降解
翁景峥 陈少平 陈娜洁 吴宗华
(福建师范大学化学与材料学院,福建福州,350007)
摘 要:制备了系列植物纤维2陶瓷纤维2二氧化钛复合纸板,考察了它们对甲基橙水溶液的吸附及光催化降解性能。结果表明,二氧化钛复合纸板对甲基橙具有较好的吸附和光催化降解性能,紫外光照射面积为55cm2的二氧化钛复合纸板215h后可使15mL、浓度为25mg/L的甲基橙水溶液的色
作者简介:翁景峥先生,硕士,助理研究员;主要研究方向为多功能造纸助剂、光催化降解有机废水。
度减小90%以上。二氧化钛复合纸板在该溶液中的稳定性好,10次,其对甲基橙的光催化降解性能不变,质量仅减小111%。
关键词:二氧化钛复合纸板;;中图分类号:TS79 ::02542508X(2009)0720038204
Photocattiethyl2orangeSolution
byitiumDioxideCompositeSheet
J2zheng CHENShao2ping CHENNa2jie WUZong2hua
(3E2mail:[email protected])
Abstract:Thecompositesheetsmadeoftitaniumdioxide,plantfiberandceramicfiberwereprepared,andtheirphotocatalyticdegradationperformanceonmethyl2orange(MO)inaqueoussolutionwasinvestigated.Theresultsshowedthatthesheetsexhibitedexcellentphotocata2lyticactivitytoMO.Thecolordegreeof15mLofMOsolutionwiththeconcentrationof25mg/Lwasreducedmorethan90%usingacom2positesheetof55cmirradiatedbyUVlightfor2.5h.Thesheetwasstableintheaqueoussolution.Thephotocatalyticactivityofthesheetdidnotdecrease,andthemassofthesheetwasreducedonly1.1%whenitwasusedrepeatedlyfor10times.Keywords:titaniumdioxidecompositesheets;methyl2orangesolution;photocatalyticdegradation
2
3
(CollegeofChemistryandMaterials,FujianNormalUniversity,Fuzhou,FujianProvince,350007)
染料、皮革、造纸等生产过程中产生的有机废水
由于具有成分复杂、色度高、排放量大、毒性大、可生化性差等特征,一直是工业废水处理中的难题。利用二氧化钛等金属氧化物的光催化氧化作用来完全降解这些废水中的有机物是近年环境与材料领域的研究
[123]
热点之一。但二氧化钛在废水处理中的大规模商业化应用还存在着技术难题:①二氧化钛的带隙能较宽而导致太阳能利用率较低及光催化的量子效率低;②在废水悬浮体系中,细微的光催化剂粉体易凝聚失活,且难分离回收再利用。利用沸石、玻璃、陶瓷等为载体制备二氧化钛复合催化材料已有较多的报道,但这些方法的制备成本高,二氧化钛负载量小;③对低浓度有机废水的光催化降解速度慢。本研究的前期工作中,应用改进的纸板生产工艺,研发了无机物含量达90%、无机粉体含量60%以上的二氧化钛复合
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纸板,实现了二氧化钛粉体的高效低成本负载,本实验研究了二氧化钛复合纸板对甲基橙水溶液的光催化降解效果。1 实 验
111 主要原料与仪器
[426]
桉木漂白化学浆打浆至32°SR,冷藏备用;锐矿型二氧化钛,广西藤县金茂钛白有限公司;陶瓷纤维,山东鲁阳股份有限公司;甲基橙,分析纯,用蒸馏水配成浓度为25mg/L的甲基橙水溶液;紫外灯功率和波长分别为20W和254nm;TU21800PC紫外可 收稿日期:2009203216(修改稿)
本课题为福建省科技厅重点资助项目(2005I007)、福建省教育厅
资助项目(B类,编号JB08036)。
ChinaPulp&Paper Vol128,No17,2009
研究论文
见分光光度计,北京普析通用仪器有限责任公司;XL301ESEM型扫描电子显微镜,Philips公司。二氧化钛复合纸板根据文献[426]的方法制备,搅拌下依次将阳离子型助留剂、二氧化钛及陶瓷纤维和APAM添加到桉木浆悬浮液中,在ZQJ12B型纸样抄取器上抄取不同定量的纸板。112 二氧化钛复合纸板对甲基橙溶液的吸附和光催化降解
光催化降解过程中甲基橙溶液的吸光度变化如图1所示,最大吸收波长为464nm
。
吸附作用。这是因为在该pH值范围二氧化钛粉体和
[7]
甲基橙均以阴离子形式存在。如图2和图3所示,二氧化钛复合纸板对甲基橙水溶液有一定吸附作用,纸板的纤维组成及定量都影响其吸附性能。固定纸板中二氧化钛粉体和无机胶黏剂的质量比分别为60%和5%、吸附时间2h,此时二氧化钛复合纸板对甲基橙的吸附能力随其植物纤维的质量比增大而增大,植物纤维的质量比为35%时,甲基橙水溶液的脱色率为1319%;植物纤维质量比为0,即含35%陶瓷纤维时,甲基橙溶液的脱色率为915%。由图4可见,植物纤维质量比为35%的二氧化钛复合纸板对甲基橙的吸附能力随其定量的增大而增大
。
图1 将15mL到直径为90mm,取面积为55cm的二氧化钛复合纸板置于溶液的表面,用保鲜膜将表面皿密封,置于暗室一定时间后取上清液,在464nm处测其吸光度,并根据式(1)计算甲基橙水溶液的脱色率,用于表征二氧化钛复合纸板的吸附性能。
脱色率=
A0-AtA0
2
×100%(1)
式中,A0为起始t0时溶液的吸光度,At为吸附时间t时溶液的吸光度。
调节紫外灯光源距表面皿的液面高度为18cm,开启紫外灯后根据设计的时间取上清液,用上述方法测定甲基橙水溶液的脱色率。每次光催化降解实验结束后用蒸馏水冲洗复合纸板表面,加入新的甲基橙水溶液,用上述方法进行光催化降解实验。反复10次后将二氧化钛复合纸板于105℃下烘干30min,称其
质量,计算复合纸板的质量减小率。2 结果与讨论
211 二氧化钛复合纸板对甲基橙的吸附
制备的二氧化钛复合纸板扫描电镜(SEM)照片如图2所示,二氧化钛粉体无规则地吸着在纤维表面或纤维间。将二氧化钛粉体置于甲基橙水溶液中吸附2h后溶液的色度不变,表明在本研究的pH值范围内(613～710),二氧化钛粉体对甲基橙没有
《中国造纸》2009年第28卷第7期
・39・
研究论文
212 二氧化钛复合纸板对甲基橙水溶液的光催化
降解
如图5所示,二氧化钛粉体的质量比为60%、植物纤维与陶瓷纤维的质量比不同的3种二氧化钛复合纸板都对甲基橙水溶液有较大的光催化降解作用,光照215h后,不含植物纤维的复合纸板对甲基橙水溶液的光催化降解脱色率为7616%。比较图5和图2的结果可知,二氧化钛复合纸板对甲基橙
搅拌含二氧化钛粉体的甲基橙水溶液,二氧化钛粉体沉淀在表面皿的底部,光照过程中甲基橙溶液的颜色几乎不变化,即紫外光线无法到达二氧化钛粉体,不产生光催化作用。比较不同定量二氧化钛复合纸板的光催化降解效果(见图7)可发现,光催化降解效果相差不太,说明表面积相同的不同定量植物纤维2二氧化钛复合纸板在光降解过程中,有效接受紫外光的二氧化钛粒子数相当,光催化反应主要在复合纸板的表面进行
。
的光催化降解能力随其植物纤维的质量比的增大而减小,植物纤维的质量比为35%时,甲基橙水溶液的脱色率为6313%,较不含植物纤维的复合纸板的低1313个百分点。这是因为植物纤维的比表面积较陶瓷纤维的大,对入射光的遮蔽作用也大,使得光透射到二氧化钛粒子表面的机率降低,导致了纸板的光催化性能降低
。
图7 复合纸板的定量对其光催化性能的影响
213 二氧化钛复合纸板在水溶液中的稳定性
将二氧化钛复合纸板用于甲基橙水溶液的光催化降解时,其在水溶液中的稳定性是一关键性的技术指标,为此测定了不同组成的二氧化钛复合纸板经10
图5
复合纸板中植物纤维质量比对其光催化性能的影响
次重复使用后其质量的减少率,结果如表1所示。在固定二氧化钛和无机胶黏剂的质量比分别为60%和5%的条件下,复合纸板的质量损失率随纸板中植物
图6比较了不含植物纤维的二氧化钛复合纸板与同量的二氧化钛粉体对甲基橙水溶液的光催化降解效果。除光照前的吸附作用外,复合纸板对甲基橙水溶液的脱色率均比二氧化钛粉体的小,纤维对紫外光线的屏蔽是主要原因。本实验条件下,若不
纤维的质量比增大而减少,只用植物纤维时,二氧化钛复合纸板的质量减少率仅为111%。这是因为植物纤维所构成的网络结构比纯陶瓷纤维网络结构密实,且助留剂对植物纤维的亲和力也比陶瓷纤维的大。不用无机胶黏剂时,植物纤维2二氧化钛复合纸板的质量损失率增大至519%,说明无机胶黏剂对二氧化钛复合纸板的稳定性起重要的作用。植物纤维2二氧化钛复合纸板重复用于甲基橙水溶液的光催化降解的结果如图8所示。重复使用后复合纸板的光催化降解性能增加,第4次后趋于稳定,溶液的脱色率均大于87%。这些结果表明,本实验制备的二氧化钛复合纸
板可重复使用,且回收操作简便。由使用前后二氧化钛复合纸板的XRD谱图(见图9)可知,抄纸前后以及使用10次后二氧化钛的晶相基本不变。在本实
图6 二氧化钛复合纸板与二氧化钛粉体
的光催化性能比较
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验条件下反复使用10次的二氧化钛复合纸板对甲基橙的光催化降解性能不变,质量减少率仅为111%,
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二氧化钛的晶相基本不变,抄造的二氧化钛复合纸板具有较高的稳定性。
表1 二氧化钛复合纸板的组成对其
在溶液中稳定性的影响
植物纤维
/%0102035350
3 结 论
陶瓷纤维
/%3520100035
无机胶黏剂
/%555500
纸板质量减少率
/%[***********]
1
实验制备了系列植物纤维2陶瓷纤维2二氧化钛复
合纸板,考察了它们对甲基橙水溶液的吸附及光催化降解性能。311 植物纤维与陶瓷纤维的质量比对二氧化钛复合纸板的甲基橙吸附性能影响很大,植物纤维的吸附能力优于陶瓷纤维。二氧化钛复合纸板对甲基橙的吸附能力随其定量增大而增大。312 二氧化钛复合纸板对甲基橙具有优良的光催化降解性能。复合纸板对甲基橙的光催化降解效果随纸板中植物纤维的质量比的增大而降低。复合纸板的定量对其光催化降解性能影响小。313 。
参 考 文 献
1]IciuraH,KitaokaT,WuZH,etal.PreparationofcompositeTiO22
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[2] FukahoriS,IchiuraH,KitaokaT,etal.PhotocatalyticDecomposi2
tionofBisphenolAinWaterUsingCompositeTiO22ZeoliteSheetsPreparedbyaPapermakingTechnique[J].Environ.Sci.Technol.,2003,37,1048.
[3] 陆 诚,杨 平,杜玉扣,等.载体对负载型TiO2催化剂光催化
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[7] 李添宝,盛文兵,谢阳芬.TiO2光催化降解甲基橙速率的影响因
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(责任编辑:马 忻)
・消息・
芬兰温德公司“创捷技术”
荣获2009中国工业节能减排科技创新“最具投资价值”奖
颁奖仪式上,温德公司董事长PekkaKotila先生向大会介绍了创捷系统为造纸工业节能减排作出的积极贡献:目前在中国12个造纸企业的17台纸机上,
81个创捷混合站、101套创捷混合器在工作,使用
2009年5月20日,中国国际工业节能减排科技创新大会在北京国际会议中心隆重开幕。国家工业和信息化部、国家环境保护部、国家发改委的有关领导作了重要讲话,并表彰了一批节能减排科技创新的企业、个人,芬兰温德造纸湿部技术公司的“创捷技术”造纸化学品混合专利技术荣获节能减排科技创新“最具投资价值”项目奖。《中国造纸》2009年第28卷第7期
创捷系统的造纸设备产量达到400万t/a(约占全国总产量的5%),节水600万m3/a,CO2气体减排
7万t/a。
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