光催化降解甲基橙

1、光催化降解染料甲基橙專業(yè)班次：應(yīng)用化學(xué)3班 學(xué)號(hào)：姓名：日期：2015年5月12日1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握確定反應(yīng)級(jí)數(shù)的原理和方法；2、測(cè)定甲基橙光催化降解反應(yīng)速率常數(shù)和半衰期；3、了解可見光分光光度計(jì)的構(gòu)造、工作原理、掌握分光光度計(jì)的使用方法。2 .實(shí)驗(yàn)原理國(guó)內(nèi)外大量研究表明，光催化法能有效地將烴類、鹵代有機(jī)物、表面活性劑、染料、農(nóng) 藥、酚類、芳烴類等有機(jī)污染物降解，最終無機(jī)化為CO2 H2O,而污染物中含有的鹵原子、 硫原子、磷原子和氮原子等則分別轉(zhuǎn)化為X-,SO42-,PO43-,PO43-,NH4+,NO3-等離子。因此， 光催化技術(shù)具有在常溫常壓下進(jìn)行，徹底消除有機(jī)污染物，無二次污染等優(yōu)

2、點(diǎn)。光催化技術(shù)的研究涉及到原子物理、凝聚態(tài)物理、膠體化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、催化材 料、光化學(xué)和環(huán)境化學(xué)等多個(gè)學(xué)科，因此多相光催化科技是集這些學(xué)科于一體的多種學(xué)科交 叉匯合而成的一門新興的科學(xué)。光催化以半導(dǎo)體如 TiO2，ZnO,CdS,Fe2O3，WO3，SnO2，ZnS,SrTiO3，CdSe,CdTe,In2O3，F(xiàn)eS2， GaAs,GaP,SiC,MoS2等作催化劑，其中TiO2具有價(jià)廉無毒、化學(xué)及物理穩(wěn)定性好、耐光腐蝕、 催化活性好等優(yōu)點(diǎn)，幫TiO2是目前廣泛研究、效果較好的光催化劑。半導(dǎo)體之所以能作為催化劑，是由其自身的光電特性所決定的。半導(dǎo)體粒子含有能帶結(jié) 構(gòu)，通常情況下是由一個(gè)

3、充滿電子的低能價(jià)帶和一個(gè)空的高能導(dǎo)帶構(gòu)成，它們之前由禁帶分 開。研究證明，當(dāng)pH=1時(shí)銳鈦礦型TiO2的禁帶寬度為3.2eV，半導(dǎo)體的光吸收閾值入g與 禁帶寬度Eg的關(guān)系為入 g（nm）=1240/Eg（eV）當(dāng)用能量等于或大于禁帶寬度的光（入388nm的近紫外光）照射半導(dǎo)體光催化劑時(shí)， 半導(dǎo)體價(jià)帶上的電子吸收光能被激發(fā)到導(dǎo)帶上，因而在導(dǎo)帶上產(chǎn)生帶負(fù)電的高活性光生電子 （e-），在價(jià)帶上產(chǎn)生帶正電的光生空穴（h+）,形成光生電子-空穴對(duì)?？昭ǖ哪芰繛?.5 eV， 具有強(qiáng)氧化性；電子則具有強(qiáng)還原性。當(dāng)光生電子和空穴到達(dá)表面時(shí)，可發(fā)生兩類反應(yīng)。第一類是簡(jiǎn)單的復(fù)合，如果光生電子 與空穴沒有被利用，

4、則會(huì)重新復(fù)合，使光能以熱能的形式散發(fā)掉e-+h+=N+energy(hv<hv or heat)第二類是發(fā)生一系列光催化氧化還原反應(yīng)，還原和氧化吸附在光催化劑表面上物質(zhì)。TiO2-e-+h+OH-+h+ OHH2O+h+ OH+H+A+h+ A另一方面，光生電子可以和溶液中溶解的氧分子反應(yīng)生成超氧自由基，它與H+離子結(jié) 合形成.OOH自由基：O2+e-+H+f O2-+H+f OOH2HOO ,-O2+H2O2h2o2+ o2-oh+oh-+o2 O2-+2H+-與02止匕外 OH, OOH和H202之間可以相互轉(zhuǎn)化H2O2+ 0H- OOH+H2O2利用高度活性的羥基自由基.OH無選擇

5、性地將氧化包括生物難以降解的各種有機(jī)物并 使之完全無機(jī)化。有機(jī)物在光催化體系中的反應(yīng)屬于自由基反應(yīng)。四基橙染料是一種常見的有機(jī)污染物，無揮發(fā)性，且具有相當(dāng)高的抗直接光分解和氧化 的能力；其濃度可采用分光光度法測(cè)定，方法簡(jiǎn)便，常被用做光催化反應(yīng)的模型反應(yīng)物。四 基橙的分子式如圖1所示：從結(jié)構(gòu)上看，它屬于偶氮染料，這類染料是染料各類中最多的一種，約占全部染料的 50%左右。根據(jù)已有實(shí)驗(yàn)分析，甲基橙是較難降解的有機(jī)物，因而以它作為研究對(duì)象有一定 的代表性。3 .儀器試劑722型分光光度計(jì)1臺(tái)；125W高壓汞燈1支；反應(yīng)器1個(gè)；充氣泵1個(gè)；恒溫水浴1套； 磁力攪拌器1臺(tái)；離心機(jī)1臺(tái)；臺(tái)秤1臺(tái)；秒表1塊

6、；移液管（10mL） 2支；500 mL量筒 1支；吸耳球；離心管7支。甲基橙貯備液（1000mg/L）；納米TiO2 （P25）。4 .實(shí)驗(yàn)步驟1、了解可見光分光光度計(jì)的原理與使用方法，參閱有關(guān)教材及文獻(xiàn)資料。2、調(diào)整分光光度計(jì)零點(diǎn)打開722型分光光度計(jì)電源開關(guān)，預(yù)熱至穩(wěn)定。調(diào)節(jié)分光光度計(jì)的波長(zhǎng)旋鈕至462nm。打開 比色槽蓋，即在光路斷開時(shí)，調(diào)節(jié)“0”旋鈕，使透光率值為0.取一只1cm比色皿，加入?yún)?比溶液蒸餾水，擦干外表面（光學(xué)玻璃面應(yīng)用擦鏡紙擦拭），放入比色槽中，確保放蒸餾水 的比色皿在光路上，將比色槽蓋合上，即光路通時(shí)，調(diào)節(jié)“100”旋鈕使透光率值為100%。 3、四基橙光催化降解進(jìn)

7、行光催化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先向反應(yīng)器內(nèi)加入10mL的1000 mg/L的甲基橙貯備液，并加 480mL水稀釋，配成500mL的20 mg/L的甲基橙溶液，然后加入0.2g納米TiO2催化劑， 磁力攪拌使之懸浮。避光充空氣攪拌30min，使甲基橙在催化劑的表面達(dá)到吸附/脫附平衡， 移取10mL溶液于離心管內(nèi)。然后開通冷卻水，并開啟淘汰進(jìn)行光催化反應(yīng)25min，每隔5min 移取10mL反應(yīng)液，經(jīng)離心分離后，取上清液進(jìn)行可見分光光度法分析。采用722型可見分 光光度計(jì)，通過反應(yīng)液的吸光度A測(cè)定來監(jiān)測(cè)甲基橙的光催化脫色和分解效果。在020 mg/L范圍內(nèi)，甲基橙溶液濃度與其462nm處的吸收什呈極顯著的

8、正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)達(dá)0.999 以上）。5 .數(shù)據(jù)處理1、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表，記錄溫度。A0,A等數(shù)據(jù)；甲基橙降解率。表1反應(yīng)時(shí)間/min051015202530吸光度回團(tuán)團(tuán)回回回回回1 .3460.8060.1760.1140.0660.0660.066甲基橙濃度/mg/L20.0011.982.621.690.980.980.98降解率/n040.12%85.44%91.53%95.10%95.10%95.10%ln(a-x)3.02.480.960.530002、采用積分法中的作圖法由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定反應(yīng)級(jí)數(shù)。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的原理部分知道，該反應(yīng)是一個(gè)表面催化反應(yīng)，而一般表面催化反應(yīng)更多的是零級(jí)反應(yīng)；

9、不妨設(shè)納米Ti02光催化降解甲基橙的反應(yīng)是一級(jí)反應(yīng)：即r=k1(a-x)；顯然，以濃度ln(a-x)對(duì)時(shí)間t作圖：據(jù)圖一一1可知，在020min中時(shí)ln(a-x)t關(guān)系成一直線，因此符合假設(shè)，即納米Ti02光 催化降解甲基橙的反應(yīng)是一級(jí)反應(yīng)。3、由所得直線的斜率求出反應(yīng)的速率常數(shù)k1根據(jù)圖一一2可知：反應(yīng)的速率常數(shù)k=0.12minT。4、計(jì)算甲基橙光催化降解的半衰期t1/2。甲基橙光催化降解的半衰期t1/2=ln2/k1=5.78min5、甲基橙降解率計(jì)算：n =(c0-c) /c0,其中c0為光照前降解液濃度，c為降解后的濃度。 由于甲基橙溶液濃度和它的吸光度呈線性關(guān)系，所以降解脫色率又可

10、以由吸光度計(jì)算，即n = (Ao-A) /A0,其中A0為光照前降解液吸光度，A為降解后吸光度。甲基橙的降解率，如表1所示，nt的線性關(guān)系如圖一2所示。如圖26 .實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論1、通過計(jì)算和模擬，得知納米Ti02光催化降解甲基橙的反應(yīng)是一級(jí)反應(yīng)。2、500mL20 mg/L的甲基橙溶液，0.2克納米TiO2為催化劑，在高壓汞燈光照條件下，30min 中內(nèi)可以最大降解率約95.10%。3、該實(shí)驗(yàn)中采用積分法中的作圖法由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定反應(yīng)級(jí)數(shù)時(shí)，ln(a-x)t的線性相關(guān)度為 94%，存在較大偏差；其中原因可能是在實(shí)驗(yàn)過程中將試液離心時(shí)，未能完全沉淀下來，測(cè) 量時(shí)仍然有些渾濁，但實(shí)驗(yàn)中重復(fù)離心，結(jié)果仍然不明顯改變，因此認(rèn)為是某些小顆粒在該 實(shí)驗(yàn)條件下無法沉淀，故存在一定的誤差。7 .思考題1、實(shí)驗(yàn)中，為什么用蒸餾水作參比溶液來調(diào)節(jié)分光光度計(jì)的透光率值為100%？ 一般選擇 參比溶液的原則是什么？用蒸餾水作參比溶液來調(diào)節(jié)分光光度計(jì)的透光率值為100%，以消除溶液中的水對(duì)光的吸收 反射或散射造成的誤差。一般選擇參比溶液的原則:當(dāng)試樣溶液、顯色劑及所用的其它試劑在測(cè)定波長(zhǎng)處均無吸收時(shí)， 可選用蒸餾水作參比液；若有顯色劑或其它試劑對(duì)入射光有吸收，應(yīng)選用試劑空白為參比;若試樣中其它組分有吸收，而顯色劑無吸收且不與其它組分作用，應(yīng)