花簇状纳米氧化锌制备及光催化降解亚甲基蓝研究
Preparation of flower cluster nano zinc oxide and photocatalytic degradation of methylene blue
收稿日期: 2021-03-19
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Received: 2021-03-19
Flower cluster nano-ZnO was prepared by low temperature water bath method, and the samples were characterized. A photocatalytic experiment was carried out with methylene blue(MB) as the target pollutant. The results show that when the water bath time is 2 h, n(OH-): n(Zn2+) is 8, and the temperature is 45℃, the photocatalytic performance of the flower cluster nano-ZnO is the strongest; The optimal reaction conditions for the photocatalytic reaction were: catalyst dosage 0.6 g/L, pH=9, reaction for 150 min, and the initial mass concentration of MB solution at 3 mg/L. When H2O2 or Na2S2O8 is added to the catalytic system, ·OH and SO4·- will be generated to promote the removal of MB. The co-existing ion CO32- in the wastewater has a stronger inhibitory effect on MB removal than HCO3-. The catalyst has good stability after cycling 4 times and the MB removal rate is still 89.3%.
Keywords:
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王丽娟, 王汉铮, 蔡俊, 路井义, 李晓宁.
Wang Lijuan.
ZnO是一种新型的多功能半导体材料,具有尺寸小、催化活性强、重复利用率高、绿色环保等优点。其微观形貌有垂直排列的纳米线阵列〔4〕、纳米带状结构〔5〕、纳米花状结构〔6〕、纳米纺锤状结构〔7〕、纳米球状结构〔8〕等。相比于其他结构,花簇状结构的纳米ZnO具有更大的尺寸、较小的摩擦阻力、易分散等特点〔9〕。笔者采用低温水浴法制备了花簇状纳米ZnO,通过XRD、SEM测试,分析水浴时间、n(OH-)∶n(Zn2+)、水浴温度对样品晶体结构和形貌的影响。以亚甲基蓝(MB)为目标污染物,探究了催化剂制备条件(水浴时间,n(OH-)∶n(Zn2+),水浴温度)、催化剂投加量、MB初始质量浓度、初始pH、其他离子(H2O2、Na2S2O8、HCO3-及CO32-)投加量等对MB去除效果的影响,以及催化剂的循环利用情况和稳定性,同时对纳米ZnO催化降解MB过程中活性物质的作用机理进行了研究。
1 实验部分
1.1 试剂及仪器
试剂:ZnCl2、NaOH、Na2S2O8、H2O2,天津大茂化学试剂厂。实验用水为电阻率18.25 MΩ·cm去离子水。
仪器:pHSJ-4A型精密pH计,天津市盛邦科学仪器技术开发有限公司;UV 5800PC型紫外可见分光光度计,上海元析仪器有限公司;AL204型电子天平,梅特勒-托利多仪器有限公司;X'Pert MPD飞利浦型X射线旋转目标衍射仪,荷兰帕纳科公司;Nova NanoSEM450型发射电子显微镜,FEI公司;SY-D204P型电热恒温水浴锅,天津市中环实验电炉有限公司;TDL-40B型离心机,上海安亭科学仪器厂;YH-3BS型远红外线恒温干燥箱,天津市中环实验电炉有限公司。
1.2 花簇状纳米ZnO的制备
取一定量5 mol/L的ZnCl2溶液与NaOH溶液混合,将配好的澄清溶液加入到装有20 mL去离子水的四口烧瓶中〔10〕,恒温水浴加热一定时间。之后对所得溶液离心(3 000 r/min),洗涤,烘箱干燥5 h(80 ℃),收集得到最终的粉末。
1.3 样品表征
采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对不同条件制备的样品进行表征,分析晶体结构和形貌。
1.4 光催化性能实验
取50 mL配制好的MB溶液于反应容器中,通过紫外分光光度计测定MB的初始吸光度(λ=664 nm)。加入适量纳米ZnO催化剂,光照前先将反应容器置于黑暗环境中30 min,使MB与催化剂之间达到吸附-脱附平衡,然后用8 W的紫外灯(λ=265 nm)照射,每隔30 min取上层清液,经一次性滤膜(0.22 μm)过滤后测定吸光度,按Lambetr-beer定律计算MB的质量浓度。
2 结果与讨论
2.1 纳米ZnO样品的XRD表征
用X射线衍射仪对样品进行表征,分析其成分结构,结果见图 1。
图1
2.2 纳米ZnO样品的SEM分析
不同反应条件制备纳米ZnO样品的SEM见图 2。
图2
2.3 催化剂制备条件对MB去除率的影响
为获得最佳催化性能的花簇状纳米ZnO,分别用单因素试验制备30 mg纳米ZnO,加入到装有50 mL 5 mg/L MB溶液的反应容器中进行反应,分别考察水浴时间、n(OH-)∶n(Zn2+)和水浴温度等催化剂制备条件对MB去除率的影响,结果见图 3。
图3
因此本实验优选水浴2 h,n(OH-)∶n(Zn2+)=8,水浴温度为45 ℃时制备的花簇状纳米ZnO作为催化剂,后续考察MB降解效果时,使用的都是该条件下制备的催化剂。
2.4 纳米ZnO投加量对MB去除率的影响
图4
由图 4可知,空白实验显示紫外光照150 min时,MB的降解率仅为9.87%,说明MB化学性质稳定,自然条件下难降解。当纳米ZnO的投加量分别为20、30、40、50、60 mg,反应150 min时,MB的最大去除率分别为81.45%、96.44%、97.46%、91.74%、75.86%。纳米ZnO投加量为40 mg时,MB的去除效果最好,当催化剂投加量超过40 mg时,MB的去除率反而降低,因为过量催化剂产生·OH的速度过快,e-与h+发生复合反应〔17〕,降低催化性能。其次,过多催化剂会加剧入射光的散射,影响光的通量,因此光催化效果减弱〔18〕。纳米ZnO投加量为30 mg,反应150 min时MB的去除效果与40 mg时相差不大。从经济角度考虑,本实验优选催化剂投加量为30 mg,即0.6 g/L。
2.5 反应时间对MB去除率的影响
在催化剂投加量为0.6 g/L,MB初始质量浓度为5 mg/L,pH=9的条件下,考察反应时间对MB去除率的影响。结果表明,随着反应时间的增加,MB去除率逐渐增大。反应150 min时,MB的去除率为96.44%,继续反应30 min后,MB去除率增大到99.9%,MB几乎完全去除。反应150 min时MB的去除率已经很高,继续反应去除率增大不明显,且能源利用率低,因此从经济成本及能源利用率考虑,反应时间确定为150 min。
2.6 初始pH对MB去除率的影响
pH是半导体表面控制反应速率的一个重要参数,其会影响催化剂表面电荷的性质。在催化剂投加量为0.6 g/L,MB初始质量浓度为5 mg/L的条件下,考察pH对MB去除率的影响。结果表明,溶液初始pH分别为3、5、7、9、11,反应150 min时,MB的去除率分别为85.27%、88.0%、90.97%、95.42%、85.64%,pH=9时光催化降解MB的去除率最大。这是因为ZnO的等电点为9.5〔19〕,MB是阳离子染料,当溶液初始pH小于9.5时,催化剂表面带正电荷,由于同种电荷相互排斥,催化剂对MB分子的吸附受到阻碍,MB的去除率较低。当溶液pH大于9.5时,催化剂表面带负电荷,有利于对MB分子的吸附。但是在较强的碱性环境中ZnO发生溶解,光催化活性降低,反应式见式(1)。
因此,纳米ZnO作为光催化剂光催化降解MB的最佳初始pH为9。
2.7 MB初始浓度对MB去除率的影响
在催化剂投加量为0.6 g/L,pH=9的条件下,考察MB初始浓度对MB去除率的影响,结果见图 5。
图5
2.8 其他离子对光催化性能的影响
为了进一步提升光催化效率,在花簇状纳米ZnO催化体系中加入H2O2以及Na2S2O8,研究其对光催化反应的影响及作用机理。
2.8.1 H2O2投加量对MB降解效果的影响
在催化剂投加量为0.6 g/L,pH=7,MB初始质量浓度为5 mg/L的条件下,考察H2O2投加量对MB降解效果的影响,结果见图 6。
图6
但H2O2的投加量超过15 mmol时,过量的H2O2会与·OH发生反应,溶液中·OH的量减少,MB去除率降低〔21〕,反应过程见式(5)~(6)。
因此,H2O2的投加量为15 mmol时,MB的去除率最佳。
2.8.2 Na2S2O8投加量对MB降解效果的影响
在催化剂投加量为0.6 g/L,pH=7,MB初始质量浓度为5 mg/L的条件下,考察Na2S2O8投加量对MB降解效果的影响,结果见图 7。
图7
当Na2S2O8投加量超过15 mg时,MB的去除率反而降低。这是因为过多的Na2S2O8产生过多的SO42-吸附在催化剂表面,催化剂活性位点减少,MB的去除率减低。此外,吸附的SO42-也会与h+、·OH反应,虽然会产生SO4·-,但是SO4·-的氧化性弱于·OH,催化活性降低,SO42-与h+、·OH的反应式见式(10)~(11)。
2.9 共存离子对光催化性能的影响
印染废水成分复杂,其中除了染料有机物,还存在大量离子,如CO32-、HCO3-、Cl-等〔23〕。笔者选择常见的阴离子CO32-、HCO3-为研究对象,探究其对光催化性能的影响。
2.9.1 HCO3-投加量对MB降解效果的影响
在催化剂投加量为0.6 g/L,pH=7,MB初始质量浓度为5 mg/L的条件下,考察HCO3-投加量对MB降解效果的影响,结果见图 8。
图8
由图 8可知,MB溶液中只有纳米ZnO催化剂,反应150 min时,MB的最大去除率为92%。当MB溶液中HCO3-的质量浓度分别为500、1 000、1 500、2 000 mg/L时,MB的最大去除率分别为86.56%、77.53%、70.87%、61.23%。可见HCO3-对MB溶液的降解有抑制作用。这种抑制是因为HCO3-是·OH的清除剂,反应见式(12)。
HCO3-的浓度越大,消耗的·OH越多,溶液中参与降解反应的·OH越少。其次这些离子会覆盖催化剂表面的活性位点,降低催化活性。虽然生成的CO3·-被证明具有氧化性,但其氧化电位小于·OH,氧化性较弱。故如果印染废水中HCO3-浓度较高时,需进行前处理降低其浓度〔26〕。
2.9.2 CO32-投加量对MB降解效果的影响
在催化剂投加量为0.6 g/L,pH=7,MB初始质量浓度为5 mg/L条件下,考察CO32-投加量对MB降解效果的影响,结果见图 9。
图9
相比HCO3-,CO32-对MB溶液降解的抑制作用更强。可能是因为CO32-是弱酸根离子,会发生水解反应,生成的OH-与空穴反应使·OH浓度增加,促进反应(13)的发生,故CO32-的抑制作用更强。反应过程见式(14)~(15)。
2.10 稳定性和循环利用实验
将光催化反应后的溶液固液分离,回收溶液中的催化剂。在相同实验条件下(50 mL 5 mg/L MB溶液,pH=9,催化剂投加量为30 mg,紫外光照150 min)进行催化剂稳定性实验。结果表明,4次循环利用实验MB的去除率分别为93.38%、91.62%、91.03%、89.26%。经4次循环利用,催化剂的催化效果稍有下降,这是因为催化剂在回收时会有损失,催化剂的量减少,催化性能降低。其次,催化剂在溶液中发生团聚,催化剂与MB分子的接触面积减小,催化效率降低。但纳米ZnO在经过4次循环利用后对MB的去除率仍达到89%,可见该催化剂在稳定性和循环利用方面具有很好的应用前景。
3 结论
(1)采用低温水浴法制备了结晶良好的花簇状纳米ZnO粉末,水浴时间、n(OH-)∶n(Zn2+)、水浴温度对ZnO的形貌影响显著。随水浴时间的增加,ZnO的形貌由杂乱的片状向簇状再向片状转变;随OH-量的增加,ZnO的形貌由花状向簇状转变;随着水浴温度的增加,得到的ZnO的形貌由花状向棒状转变。当水浴2 h,n(OH-)∶n(Zn2+)=8,水浴温度为45 ℃时,制备的纳米ZnO光催化性能最强。
(2)当MB溶液的初始质量浓度为5 mg/L,pH=9,催化剂投加量为0.6 g/L时,在紫外光照射150 min后,MB的最大去除率为97.46%,并且催化剂循环利用4次后,MB的去除率仍能达到89%,具有较好的稳定性。
(3)在花簇状纳米ZnO光催化反应中加入H2O2,对MB的去除有促进作用,且加入15 mmol时,促进效果最佳;加入Na2S2O8时,对MB的去除亦有促进作用,加入15 mg时促进作用最强。印染废水中的CO32-和HCO3-对MB的去除均有抑制作用,且随着投加量的增加,抑制作用增强,MB的去除效果变差,CO32-比HCO3-的抑制作用更强。
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