罗丹明B的ZnO膜光催化降解
随着工业化的发展和城镇化进程的加快推进,排放的污水越来越多,严重危害着人类的身体健康[1],也制约着经济的可持续发展,污水处理成为每一个地方必须解决的问题。传统处理污水的方法主要有:物理法、生物降解法及化学法,但降解效果不理想。近些年发展的半导体光催化技术是一种先进的氧化技术[2,3],它是将半导体催化剂与某些光源结合共同作用于废水进行催化降解,相对于传统废水处理技术具有高效节能,且能彻底降解废水中绝大部分有机物等优点[4],所以受到环境及材料研究者们的广泛重视。据文献[5,6]报道ZnO相对于传统半导体材料TiO2有着更高的光催化活性,其应用研究受到普遍关注。
ZnO光催化机理为光照射时其价带上的电子被激发到导带,从而形成电子-空穴对,空穴是强氧化剂,它能将吸附在其表面上的OH-氧化成OH·自由基,该自由基是强氧化剂,可以氧化相邻的有机物且可以扩散到液相中氧化有机物,最终将有机物氧化成CO2完成降解过程[7]。电子-空穴对在ZnO表面容易发生简单复合从而降低了ZnO的光催化性能,由于氧化剂是有效的电子俘获剂,且能提高光催化氧化的速率和效率。鉴于此,采用纳米ZnO膜为催化剂外加H2O2对罗丹明B进行光催化降解试验。研究了溶液pH、罗丹明B初始浓度、H2O2、膜的层数及光照时间对罗丹明B降解效果的影响,确定ZnO膜光催化降解罗丹明B的最佳参数。
1材料与方法
1.1材料
醋酸锌,南昌华通化工试剂有限公司,分析纯;乙醇和盐酸,郑州中天实验仪器有限公司,分析纯;罗丹明B,深圳市高山化工有限公司,分析纯;去离子水,自制。721型紫外-可见分光光度计。
1.2ZnO膜的制备
采用文献[8,9]的方法制备ZnO溶胶。将ZnO胶体浇铸到预先洗净的载玻片上,通过自然延流形成一层膜,在烘箱中于90℃烘10min后可制备出不同层数的ZnO膜。将ZnO膜在300℃焙烧2h待用。
2.1罗丹明B初始浓度对其降解率的影响
在相同条件下,对不同浓度的罗丹明B进行光催化降解,结果如图1所示。由图1可知,罗丹明B初始浓度为5mg/L时的降解率高于初始浓度为12.5mg/L时的降解率。这是因为催化剂的吸附能力有限,当催化剂对罗丹明B的吸附达到饱和时,过量的罗丹明B分子游离于溶液中,无法与催化剂接触,同时由于罗丹明B是有色溶液,过高的浓度阻挡了入射光的透过,从而减小催化剂对紫外光的吸收,进而影响光生电子-空穴对的数量,这两种因素共同导致高浓度时的降解率低于低浓度时的降解率。
2.2ZnO膜层数对罗丹明B降解率的影响
采用在相同条件下处理的ZnO单层膜与三层膜对初始浓度为5mg/L的罗丹明B进行光降解,研究催化剂用量对罗丹明B降解率的影响,结果如图2所示。由图2可见,三层膜时的降解率大于单层膜时的降解率。这可能是因为单层膜在焙烧的过程中变成了类似蜂窝状的膜,孔洞的位置没有ZnO,致使实际膜的面积减小,因此,催化剂与罗丹明B的接触面积也随之减小,进而影响了催化剂对罗丹明B分子的吸附;而三层膜在焙烧膜变的不均匀的情况下,但仍覆盖了整个玻璃基底,因此三层膜对罗丹明B的吸附能力大于单层膜,故三层膜对罗丹明B的降解率高于单层膜对其的降解率。
2.3pH对罗丹明B降解率的影响
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