超聲波-光催化降解處理含酚廢水的實驗

超聲波-光催化降解處理含酚廢水的實驗研究摘要：選用TiO2作光催化劑，通過超聲波-光催化氧化法處理苯酚溶液的實驗研究，證實了超聲波氧化法和光催化氧化法聯(lián)合使用時存在協(xié)同作用，能比單獨使用更有效地處理含酚廢水，并確定了處理的最佳條件。關(guān)鍵字：超聲波氧化法光催化氧化法含酚廢水TiO2含酚廢水的的處理是目前前大家關(guān)注的的課題之一。近近十幾年發(fā)展展起來的半導(dǎo)導(dǎo)體光催化氧氧化處理技術(shù)術(shù)，為解決這這一難題提供供了一種有效效的方法。其其中TiO2光催化活性性高、水中穩(wěn)穩(wěn)定性好、無無毒，在廢水水處理中具有有較好的應(yīng)用用前景。超聲聲波氧化法是是聲學(xué)與化學(xué)學(xué)逐步交叉滲滲透，形成的的一門嶄新的的水處理方法法，已經(jīng)逐步步被引進(jìn)環(huán)保保領(lǐng)域用于治治理含酚廢水水的污染，并并顯示出優(yōu)越越性，被越來來越多的學(xué)者者所關(guān)注。但但是光催化氧氧化法和超聲聲波氧化法能能有效處理低低濃度含酚廢廢水，而處理理中高濃度的的含酚廢水時時處理效果并并不良好。因因此，采用單單一的處理方方法，對含酚酚廢水這樣的的難降解有機(jī)機(jī)廢水，出水水很難達(dá)到理理想的處理效效率。本實驗驗針對苯酚溶溶液作為模擬擬含酚廢水，聯(lián)聯(lián)合光催化氧氧化法和超聲聲波氧化法處處理方法考察察兩項技術(shù)之之間的協(xié)同作作用，尋求超超聲波-光催化降解解含酚廢水的的適宜條件。1

實驗驗部分1.1試試劑和儀器苯酚溶液（自自制）；TiO2（重慶川東東化工有限公公司）；80-2B型離心沉淀淀器（鹽城市市科學(xué)儀器廠廠）；721型分光光度度計（上海第第三分析儀器器廠）；馬弗弗爐（滬南實實驗儀器廠）；；探頭式超聲聲波發(fā)生器（中中國科學(xué)院聲聲學(xué)研究所）；500W高壓汞燈（上海歐威照明電器有限公司）。1.2實實驗方法將一定濃度度的苯酚溶液液400mmL和一定質(zhì)量量的TiO2粉末加入到500mmL燒杯中，打打開曝氣頭的的電源，向反反應(yīng)器通入空空氣1h進(jìn)行攪拌和和預(yù)曝氣，使使TiO2在溶液中均均勻1.超聲波波發(fā)生器；2.換能器；3.探頭；4.燒杯；5.高壓汞燈；6.分析儀器；7.曝氣裝置圖1實驗驗裝置圖分散并提供供反應(yīng)所需的的氧氣，制成成TiO2-苯酚溶液懸懸濁液。實驗驗裝置如圖1所示。調(diào)節(jié)節(jié)超聲發(fā)生器器的頻率為18KHHz，聲強(qiáng)為11.944W/cmm2（對應(yīng)電功功率135W，聲功率54W）。實驗過過程中不調(diào)節(jié)節(jié)反應(yīng)液的溫溫度，不控制制離子強(qiáng)度。在在超聲波輻照照過程中向反反應(yīng)液中進(jìn)行行空氣連續(xù)曝曝氣，保持反反應(yīng)液處于氧氧氣飽和狀態(tài)態(tài)。打開高壓壓汞燈電源，紫紫外線照射反反應(yīng)液，并將將高壓汞燈預(yù)預(yù)熱5min后記錄實驗驗起始時間。光光照一定時間間后取樣進(jìn)行行高速離心分分離。取上層層清液分析測測定苯酚溶液液在超聲波-光催化反應(yīng)應(yīng)前后的濃度度變化。2

結(jié)果果與討論2.1超超聲波氧化法法和光催化氧氧化法聯(lián)合的的有效性各取0.66gTiiO2粉末投加入400mmL濃度為100mmg/L的苯酚溶液液中。通入空空氣攪拌1h，分別進(jìn)行行光催化氧化化、超聲波氧氧化和超聲波波-光催化氧化化對模擬含酚酚廢水5h進(jìn)行處理。比比較此三種方方法在處理前前后的苯酚廢廢水的濃度變變化，可得圖圖2。圖2處理理方法類型對對光解率的影影響A代表光催催化氧化法；；B代表超聲波波氧化法；C代表超聲波-光催化氧化化法從圖2可看看出，僅使用用高壓汞燈在在5h后只有17.2％的酚得到到光催化降解解，并不能完完全處理含酚酚廢水。超聲聲波氧化處理理含酚廢水的的處理效率也也僅僅為28.1％，雖高于于光催化降解解的處理效率率，但也不能能完全處理含含酚廢水。因因此超聲波氧氧化法和光催催化氧化法對對處理中高濃濃度的苯酚溶溶液都有一定定局限性。然然而，將超聲聲波氧化處理理與光催化氧氧化處理相結(jié)結(jié)合，實驗結(jié)結(jié)果表明，降降解率將大大大提高，可達(dá)達(dá)到83.9%，分別高于于光催化降解解的處理效率率和超聲波氧氧化降解的效效率。因此，超超聲波-光催化氧化化處理含酚廢廢水時存在協(xié)協(xié)同作用。這這是因為超聲聲波能攪拌成成塊顆粒，形形成過氧化氫氫基和羥基，這這將有助于光光催化降解的的進(jìn)行。更重重要的是光催催化劑（TiO2粉末）的顆顆粒破碎化可可增加固定顆顆粒的表面積積，這樣將在在光催化劑濃濃度低的情況況下改善光子子的吸收，提提供更多更有有效的活性以以增加羥基和和其他氧化基基團(tuán)。然而，從圖圖2同時可以看看出，超聲波波-光催化降解解含酚廢水的的提高程度并并不是超聲波波降解含酚廢廢水和光催化化降解含酚廢廢水的簡單相相加。這說明明在高壓汞燈燈和超聲波協(xié)協(xié)同作用中，顆顆粒破碎雖是是主要原因，但但不是唯一的的原因。另外外的主要原因因是能使超聲聲波去除催化化劑表面中吸吸收物質(zhì)以防防止催化劑失失活。表面清清洗（即利用用超聲波的微微流和微泡的的爆裂作用去去除在光催化化降解反應(yīng)中中催化劑所吸吸收的有毒物物質(zhì)）對再激激活催化劑表表面的活性區(qū)區(qū)是相當(dāng)必要要。因為微流流和微泡爆裂裂僅在使用超超聲波的瞬間間出現(xiàn)，所以以表面清洗僅僅在超聲波的的作用下能連連續(xù)清徐。因因此，對于高高壓汞燈和超超聲波的協(xié)同同作用來說，表表面清洗（催催化劑顆粒消消毒）是另一一個主要控制制因素。因此此，由超聲波波產(chǎn)生的過氧氧化氫基可提提高光催化降降解反應(yīng)。另另一方面，羥羥基是光催化化降解的主要要原因，而超超聲波在水中中可誘導(dǎo)這些些基團(tuán)的生成成。因此，超聲聲波-光催化氧化化處理含酚廢廢水時，能通通過兩者之間間的協(xié)同作用用比單獨使用用光催化氧化化處理或單獨獨使用超聲波波氧化處理更更有效。2.2初初始濃度對含含酚廢水的處處理效果的影影響各取0.66gTiiO2粉末投入到到濃度分別為為40、50、75、100、150mmg/L的苯酚溶液液中。通入空空氣攪拌1h，進(jìn)行超聲聲波-光催化氧化化處理已配好好的苯酚溶液液。5h后比較在處處理前后的模模擬苯酚廢水水的濃度變化化，得圖3。從圖3可以以看出，溶液液初始濃度對對超聲波-光催化氧化化效率有著明明顯的影響。可可看出超聲波波-光催化氧化化處理含酚廢廢水不僅比光光催化氧化的的處理效率要要高的多，而而且提高了處處理的范圍，不不僅在處理低低濃度含酚廢廢水保持較高高的處理效果果，而且在處處理中高濃度度的含酚廢水水中也保持了了較好的處理理效果。這樣樣可以提高光光催化氧化處處理含酚廢水水的應(yīng)用前景景。但是在應(yīng)應(yīng)用時，應(yīng)選選擇適當(dāng)?shù)娜苋芤撼跏紳舛榷?，?yīng)主要從從處理工藝的的降解角度綜綜合考慮。因因為適當(dāng)?shù)娜苋芤撼跏紳舛榷冗^低，盡管管溶液去除率率快，但是污污染物去除總總量低，不能能充分發(fā)揮超超聲波-光催化反應(yīng)應(yīng)體系的降解解能力，初始始濃度過高，反反應(yīng)時間又太太長。另一方方面，為了考考察研究超聲聲波氧化法和和光催化氧化化法的協(xié)同作作用，本圖3初始始溶液濃度對對去除效率的的影響論文應(yīng)選擇擇了濃度為100mmg/L的苯酚溶液液作為以后談?wù)務(wù)摰奶幚硪阂海@是因為為當(dāng)濃度小于于100mmg/L時，處理效效果雖然很高高，但是超聲聲波氧化處理理效率和光催催化氧化處理理效率的簡單單相加要大于于超聲波-光催化氧化化處理效率，說說明超聲波-光催化氧化化處理的協(xié)同同作用不是很很明顯；另外外當(dāng)濃度大于于100mmg/L時，超聲波-光催化氧化化處理的協(xié)同同作用雖很明明顯，但處理理效果已經(jīng)發(fā)發(fā)生銳減。2.3催催化劑投加量量對含酚廢水水處理效果的的影響分別取銳鈦鈦型TiO2粉末0.4、0.6、0.8和1.0g，各投加到到濃度為100mmg/L的苯酚溶液液中。通入空空氣攪拌1h后，進(jìn)行超超聲波-光催化氧化化處理含酚廢廢水。5h后比較在處處理前后的模模擬含酚廢水水的濃度變化化?？傻脠D4。由圖4可知知，隨著催化化劑投加量的的增加，由于于光催化作用用苯酚的降解解速率增大。另另一方面隨著著催化劑投加加量的增加，使使溶液變得更更加高度不均均質(zhì)，超聲波波空化作用也也隨之增強(qiáng)，產(chǎn)產(chǎn)生的氧化劑劑濃度增加，反反應(yīng)平衡向有有利于苯酚降降解的方向移移動，同時隨隨著增加催化化劑，降解反反應(yīng)速度加快快，導(dǎo)致苯酚酚的降解效率率增加。但是是當(dāng)催化劑增增加到一定量量以后，進(jìn)入入懸浮液中可可被吸收的光光子已經(jīng)全部部吸收，超聲聲波空化作用用對光催化降降解的協(xié)同作作用也隨之減減少，致使催催化劑表面產(chǎn)產(chǎn)生的?OH基本保持穩(wěn)穩(wěn)定，因而光光解率不會增增加，甚至?xí)驗闈舛冗^過高，降解速速率出現(xiàn)減小小的趨勢。因因此，合適的的催化劑投加加量的一個至至關(guān)重要的因因素。在這組組實驗中，苯苯酚溶液的催催化劑投加量量以0.6～0.8g為最佳范圍圍。在本實驗驗條件下，TiO2投加量0.6g已經(jīng)足夠適適合，大于0.6g之后降解率率有所降低，從從經(jīng)濟(jì)和成本本上考慮，投投加量為0.6g對苯酚溶液液比較合適。2.4初初始pH對含酚廢水水處理效果的的影響用一定濃度度的NaOH和H2SO4溶液分別將將濃度為100mmg/L的苯酚溶液液調(diào)節(jié)至2.6，4.0，5.0，7.0，10.0，11.0，在相同的的條件下加入入0.6ggTiO2超聲波-光催化降解解苯酚溶液5h，比較反應(yīng)應(yīng)后苯酚溶液液的去除效果果。實驗結(jié)果果可見圖5。圖4催化化劑投加量對對苯酚去除效效率的影響圖5初始始溶液pH對去除效率率的影響由圖5苯酚酚去除率在pH＝2.5時較小，隨隨著pH的增大，苯苯酚去除率提提高，pH為5.5～7.0時苯酚去除除率較高。以以后隨著pH增大，苯酚酚去除率下降降。因此，超超聲波-光催化降解解含酚廢水對對pH的要求比較較高，一般需需要在偏中性性時，效果比比較好。如超超出此范圍太太多，降解效效率將發(fā)生很很大的變化。2.5時時間對含酚廢廢水處理效果果的影響各取0.66g銳鈦型TiO2粉末投入到到濃度為100mmg/L的苯酚溶液液中。通入空空氣攪拌1h，分別進(jìn)行1、2、3、4和5h超聲波-光催化氧化化處理已配好好的苯酚溶液液。反應(yīng)后比比較在處理前前后的模擬苯苯酚廢水的濃濃度變化，可可得圖6和圖7。本實驗懸浮浮態(tài)TiO2粉末超聲波-光催化作用用下的苯酚溶溶液降解反應(yīng)應(yīng)表現(xiàn)為一級級反應(yīng)，滿足足一級反應(yīng)動動力學(xué)方程。由由于多相超聲聲波-光催化反應(yīng)應(yīng)體系本身比比較復(fù)雜，其其中包括了氣氣-固、液-固多相間的的接觸以及界界面上的反應(yīng)應(yīng)，還可能存存在有機(jī)物的的光化學(xué)直接接降解行為，另另外超聲波的的空化作用以以及和光催化化作用時發(fā)生生的協(xié)同作用用，因而影響響苯酚超聲波波-光催化降解解反應(yīng)動力學(xué)學(xué)的因素很多多，這其中許許多因素對超超聲波-光催化降解解速率的影響響較為復(fù)雜。因因此，本實驗驗僅研究了初初始濃度為100mmg/L的苯酚溶液液的超聲波-光催化降解解動力學(xué)，反反應(yīng)的最佳時時間為5h。圖6反應(yīng)應(yīng)時間對光解解率的影響圖7lnn(C0/Ct)與光照時間間的關(guān)系3

結(jié)論超聲波-光光催化氧化法法能更有效的的處理含酚廢廢水，而且大大于超聲波氧氧化法和光催催化氧化法處處理含酚廢水水的處理效果果的簡單相加加，因此聯(lián)合合超聲波氧化化法和光催化化氧化法處理理含酚廢水時時，能產(chǎn)生協(xié)協(xié)同作用，提提高處理效果果。催化劑投投加量為0.6g，初始濃度度為100mmg/L，pH為5.5，處理時間間為5h，處理效果果最佳。參考文獻(xiàn)1

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