TiO2光催化法降解洗涤污水
向明中学 潘文杰 （指导教师：沈伟韧）
摘要：TiO2光催化在环境保护中的应用日益受到人们的重视，本工作利用TiO2的光催化反应实现了对洗涤废水中常见表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（ABS）的有效降解。并且，在实验过程中，采用了比常规方法更为简单的分析方法对ABS含量进行监测。
关键词：光催化 TiO2 十二烷基苯磺酸钠
1．引言
水的污染有两类：一类是自然污染；另一类是人为污染。当前对水体危害较大的是人为污染。利用半导体光催化作用可有效地降解和消除有害污染物。近年来，半导体多相光催化作为一项新的污染治理技术，日益受到重视。
半导体粒子具有能带结构，一般由填满电子的低能价带（valence band, VB）和空的高能导带（conduction band, CB）构成，价带和导带之间存在禁带(band gap)。当用能量等于或大于禁带宽度(也称带隙, Eg)的光照射半导体时，价带上的电子(e-)被激发跃迁至导带，在价带上产生相应的空穴(h+)，并在电场作用下分离并迁移到粒子表面。光生空穴有很强的得电子能力，具有强氧化性，可夺取半导体颗粒表面被吸附物质或溶剂中的电子，使原本不吸收光的物质被活化氧化，电子受体通过接受表面的电子而被还原。 光催化机理可用下式说明：
h e- ＋ h+ TiO2 ＋ H2O →
h+ ＋ H2O → ·OH ＋ H+ h+ ＋ OH- → ·OH
O2 ＋ e- → ·O2- ， ·O2- ＋ H+ → HO2· 2 HO2· → O2 ＋ H2O2
H2O2 ＋ O2- → ·OH ＋ OH- ＋ O2
羟基自由基是光催化反应的一种主要活性物质，对光催化氧化起决定作用，
吸附于催化剂表面的氧及水合悬浮液中的OH-、H2O等均可产生该物质。氧化作用既可以通过表面键合羟基的间接氧化，即粒子表面捕获的空穴氧化；又可在粒子内部或颗粒表面经价带空穴直接氧化；或同时起作用，视具体情况有所不同。表面吸附分子氧的存在会影响光催化速率和量子产率。
TiO2光催化反应在废水处理中的应用是一项新的污染治理技术，它具有能
耗低、操作简便、反应条件温和、可减少二次污染等突出优点。
生活中的洗涤污水中含有大量表面活性剂，一般方法较难分解，其中最常见的是烷基苯磺酸钠（ABS），一般规定的水体排放标准不超过4 mg/L ABS，我国的生活饮用水不超过0.3 mg/L ABS，进入污水处理厂不超过10 mg/L ABS。本工作尝试用光催化法降解ABS。
研究中，对于ABS含量的测定一般是采用以亚甲蓝显色，用氯仿萃取后于652 nm处测定吸光度的方法。但用此法操作步骤多，所需时间长，不利于现场分析，因此本工作尝试简化方法。
2．实验部分 2.1 仪器与试剂
光催化反应仪、紫外可见分光光度计、离心机、TiO2（Deggusa P-25）、十二烷基苯磺酸钠（ABS） 2.2 十二烷基苯磺酸钠（ABS）含量的测定 2.2.1 测定最大吸收波长
称取0.9937 g ABS溶解于水，配成500 mL的溶液（浓度为2 g/L），在紫外可见分光光度计上于180 nm~1000 nm范围内扫描，测出吸收曲线，从而确定最大吸收波长。
2.2.2 绘制工作曲线
将0.2000 g ABS溶解于水，配成500 mL的溶液，分别移取0.00 mL、10.00 mL、15.00 mL、20.00 mL此溶液，于100 mL容量瓶中稀释至刻度，得浓度分别为0、40、60、80 mg/L的标准系列。用紫外可见分光光度计在最大吸收波长处分别测定其吸光度，以吸光度A对样品浓度作图，得到标准工作曲线。 2.2.3 测定ABS含量
取待测样品测量吸光度，在标准工作曲线上得出样品浓度。 2.3 ABS光催化降解
取水样300 mL，加入TiO2 0.3 g，在光化学反应仪中进行光催化实验，调节紫外灯与液面距离10 cm，电磁搅拌。反应过程中定时取样，时间间隔为5分钟，15分钟，30分钟，分别离心分离，取上层清液，在分光光度计上测量吸光度。
3．结果与讨论 3.1 ABS水溶液最大吸收波长
以2 g/L样品作吸收曲线（如图1），从图上发现在300 nm处有最大吸收峰，从而确定其最大吸收波长为300 nm。
A
3.2 标准工作曲线
200 400 600 800 1000 λnm
图1 ABS吸收曲线
使用分光光度计，在最大吸收波长300 nm处，测出标准系列的吸光度，作出工作曲线（如图2）。 浓度（mg/L） 0 40 60 80 400 10000 吸光度 0 0.0055 0.0327 0.183 0.984 1.678 吸光度21.510.50吸光度1000毫克|100毫升40毫克|100毫升8毫克|100毫升6毫克|100毫升4毫克|100毫升
3.3 污水溶液光催化反应
如图，T1为5分钟，T2为15分钟，T3为20分钟，T2'为 未离心的试剂，同理的T3’。
浓1000毫克40毫克8毫克|1006毫克|100度 |100毫升 |100毫升 毫升 毫升 4毫克|100毫升 吸光度 1.6776 0.984 0.183 0.0327 0.0055 样品 T2 T3 T2' T3' T1 吸光度 0.2076 0.2102 1.3314 2.0522 0.345
吸光度2.521.510.50吸光度1000毫克|100毫升8毫克|100毫升4毫克|100毫升T3'T3
4．结论
1、计算后得出以下结论：5分钟后分解60%，15、20分钟为80%，污水水
样经过实验计算后得出以下结论： 5分钟后分解75%，15、30分钟为80% 多次实验后结论惊人的相似。
2、由先前的实验可得光催化的方法对于降解洗涤污水是十分高效的。TiO2
光催化可有效地去除水溶液中的ABS。采用该项技术，可使洗涤污水获得深度净化，与其它降解方法比较，该技术设备简单，运行方便稳定，处理费用不高，不会再向水中带入任何有害物质。
3、本实验利用了当今较为先进的TiO2光催化的方法来处理洗涤污水，他有
别于其他的处理方法，TiO2光催化具有能耗低、操作简便、反应条件温和、可减少二次污染等突出优点，利用光催化试验可以有效降解洗涤污水，并不造成污染。
4、光催化技术是一种世界上公认的有毒物质净化技术。不少发达国家，已
经将此技术用在气体净化中，使气体中的有毒物质分解为无毒物质。但如何彻底解决水源里的有毒物质，成为光催化技术在环境净化领域发展的瓶颈问题。基于TiO2的这种特性该材料可广泛应用于经物理法、化学法、生化法等现有的水处理技术仍无法除去的含有苯、酚、十二烷基苯磺酸钠、等有机废水和城市水源及管网中的有机化合物的氧化降解，水质净化，使之净化达标，促进人类健康。
5、金属离子掺杂可在表面引入缺陷位置或改变结晶度，既可能成为电子或
空穴的陷阱而延长其寿命，也可能成为复合中心反而加快复合过程。现在普遍认为Fe3+是很有效的掺杂离子， 0.1~0.5%的Fe3+、Mo5+、Ru3+、Os3+、Re5+、V4+和Rh3+的掺杂能促进光催化反应，注入离子对TiO2进行铬、钒等离子的掺杂，可将激发光的波长范围扩大到可见光区(移至600 nm附近)。