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1、双极液膜法可见光光催化降解染料废水摘要：本节内容为双极液膜法可见光光催化降解染料废水。采用溶胶-凝胶法制备了Bi2O3-TiO2/Ti膜电极,X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射(DRS)和光电性能测试进行了表征,结果表明,Bi元素掺杂进入了TiO2催化剂,拓展了催化剂的光响应波长,使其在可见光下有较明显的光电响应.将Bi2O3-TiO2/Ti光阳极与Cu阴极组装成双极液膜反应器,在可见光下光催化处理活性艳红X-3B,得出当初始pH值为2.52,废水流量为80mL/min时
2、,处理20mg/L活性艳红X-3B150min,脱色率可达88%.双极液膜法可见光光催化的初步机理考察表明,光生电子自发由Bi2O3-TiO2表面转移到Cu电极表面,并在Cu电极表面直接还原染料,或与其表面液膜中的溶解氧反应生成H2O2,进而参与染料的氧化,由此可实现Bi2O3-TiO2/Ti的直接氧化和Cu阴极的直接还原和间接氧化的双极双效效果。 TiO2光催化剂因其兼具易得、无毒、活性高、稳定性好等优点,在有机废水处理方面得到了广泛的研究[1-3].为解决粉体TiO2催化剂分离难、易团聚失活、
3、光生电子和空穴易复合等问题,负载型TiO2催化剂和外加电场的光电催化研究成为目前该领域研究的热点[4-6]. 由于纯TiO2催化剂只能受波长小于387.5nm的紫外光激发,研究者采用掺杂非金属元素[7-9]、复合半导体[10-11]等方法拓展其响应波长,提高其对可见光的利用率.本文利用带隙能介于2.58~2.85eV的Bi2O3[12-13]与TiO2(带隙能3.0~3.2eV)进行半导体复合,制备膜电极,以期达到扩展光响应波长的目的. 此外,将高效光催化剂的制备和高效光催化反应器的设计结合
4、才能降低成本,将该技术推向实际应用.笔者在前期液膜光催化反应器[14-16]研究的基础上,提出了斜置双极液膜光催化反应器,利用斜置光阳极液膜提高激发光的利用率,利用光照射下阳极和阴极形成的肖特基势垒自发转移光生电子提高光生电子和空穴的分离效率,利用斜置阴极液膜提高光生电子的利用率,从而提高光催化效率.以本文制备的Bi2O3-TiO2/Ti复合半导体膜电极为光阳极,Cu为阴极,以活性艳红X-3B(RBR)为目标污染物,在可见光激发下进行光催化处理,探讨了复合半导体电极光催化性能的影响因素,考察了不同反应条
5、件对脱色率的影响. 1材料与方法 1.1仪器与试剂 紫外-可见分光光度计(UV6100,上海元析仪器有限公司);电化学分析仪(CHI650E,北京华科普天科技有限责任公司);场发射扫描电子显微镜(JSM-7500F,日本电子株式会社JEOL);X-射线光电子能谱仪(ESCALAB250,Thermo);X-射线衍射仪(XRD-7000S,SHIMADZU);辐照计(ST-513,台湾先驰光电股份有限公司);可调氙灯(XQ500W,上海蓝晟电子有限公司);蠕动泵(BT-300EA,重庆杰
6、恒蠕动泵有限公司);万用表(VC890D,VICTOR). Ti片(纯度>99.6%,上海宏钛金属制品有限公司);活性艳红X-3B(商品级,上海佳英化工有限公司,分子结构参见图1);钛酸四丁酯、硝酸铋、硫酸、硫酸钠和氢氧化钠、无水乙醇均为分析纯. 1.2试验装置 试验采用自制斜置双极液膜光催化反应器(图2).相同尺寸的Bi2O3-TiO2/Ti阳极(长10cm,宽7.5cm)和Cu阴极均以约60度角斜置与反应池中,并通过导线相连接.500W可调氙灯为光源,采用滤光片滤除波长小于420n
7、m的紫外光作为可见光光源,其光强度为2.85mW/cm2.反应池为耐热玻璃,长13cm,宽8cm,高3.5cm,储液池上沿在储液池支架约13cm高度处. 1.3Bi2O3-TiO2/Ti膜电极的制备 Bi2O3-TiO2/Ti膜电极采用溶胶-凝胶法制备:TiO2溶胶-凝胶和TiO2/Ti电极的制备参照笔者前期工作[14];Bi2O3溶胶-凝胶是在磁力搅拌下将一定量Bi(NO3)3·5H2O加入到无水乙醇中,滴加少量浓硝酸,搅拌至澄清后即得;将TiO2溶胶-凝胶和Bi2O3溶胶-凝胶在磁力搅拌
8、下以一定比例混合即得Bi2O3-TiO2溶胶-凝胶.以Ti为基底,浸渍-提拉法涂膜,自然晾干,100℃干燥10min,重复涂膜4次,最后在设定温度下煅烧2h,即得Bi2O3-TiO2/Ti膜电极. 1.4光催化实验 以RBR为目标污染物,溶液体积为250mL,通过调节蠕动泵转速控制废水循环流量,使染料废水从反应池泵入储液池,溢出流经电极表面形成液膜,布水均匀后打开光源开始计时,设定时间取样,用UV-Vis分光光度计扫描谱图或测定
