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光催化还原的研究-干燥箱的使用!

返回列表 来源:未知 发布日期:2019-09-25 11:11【

铬作为一种常见的重金属, 在水体环境中一般 以 Cr(Ⅵ)与 Cr(Ⅲ)的形式存在并且 Cr(Ⅵ)的毒性 为 Cr(Ⅲ)的 100 倍〔1〕 ,对人体和动植物具有很大的危害。 目前 Cr(Ⅵ)的去除方法主要有化学还原法、 吸附法、离子交换法、光催化法等。 光催化法由于具 有工艺简单、能耗低、可直接利用太阳光等优点成为去除水中 Cr(Ⅵ)的有效方法。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 化学药品

五水硝酸铋、偏钒酸铵、无水柠檬酸、硫酸、硝 酸、磷酸、氢氧化钠、重铬酸钾、二苯基卡巴肼,成都 市科隆化学品有限公司,以上试剂均为分析纯,活性 炭为实验室自制,实验用水为超纯水。

1.1.2 实验设备及仪器

CEL-HXF300/CEL-HXUV300 型氙灯光源,北 京中教金源科技有限公司;KQ-100E 型超声波清洗 器,上海精密仪器仪表有限公司;CJJ78-1 型磁力加 热搅拌器,北京精诚华泰仪表有限公司;UV-2600 型 紫外光可见分光光度计,尤尼柯(上海)仪器有限公 司;DZF-6050 型真空干燥箱,上海一恒科学仪器有 限公司;BSA224S 型电子分析天平, 德国塞多利斯、 PHS-3E 型 pH 计,上海仪电科学仪器股份有限公司; ASIQM 0001-5 型全自动比表面积及孔分布分析仪, 美国康塔;D2 PHASER 衍射仪,德国布鲁克。

1.2 BiVO4 与活性炭掺杂

BiVO4 的合成 采用水热法制备 BiVO4:将 6.0 mmol Bi(NO3)3 · 5H2O 溶解在 10.0 mL 1 mol/L 的 HNO3 溶液中,同时将 6.0 mmol NH4VO3 溶解在 10.0 mL 1 mol/L NaOH 溶 液中,剧烈搅拌,使溶液充分混合,随后用 2 mol/L NaOH 调节 pH=3,继续搅拌 30 min 后将前驱液倒入 100 mL 反应釜中,180 ℃下陈化 24 h,冷却后用去 离子水和无水乙醇反复洗涤 3 次, 最后放入烘箱中于 80 ℃干燥 6 h,用玛瑙研钵研磨可得。 活性炭掺杂 BiVO4 的制备:在 Bi(NO3)3 ·5H2O 与 NH4VO3 混合溶液中加入 BiVO4 质量 1%(0.036 g) 的活性炭粉末,其余过程同纯 BiVO4 的制备,最终可 得活性炭掺杂 BiVO4 复合材料,记为 C/BiVO4。

1.3 光催化性能测试实验

取一定量浓度的 Cr(Ⅵ)溶液 200 mL,加入一定 量的柠檬酸,用稀 H2SO4 与 NaOH 调节 pH。 加入一定 量的纯 BiVO4 或 C/BiVO4, 超声 5 min 使催化剂均匀 地分散在溶液中。打开磁力搅拌器避光反应 30 min 后 开启氙灯光源进行照射,每隔 10~20 min 取 4 mL 上层 清液并加入 2 mL 显色剂,在 540 nm 处测定 Cr(Ⅵ)的 吸光度〔5〕 ,通过吸光度与浓度的比例确定 Cr(Ⅵ)的浓 度。 暗反应后的 Cr(Ⅵ)浓度记为 C0,每一次取样测 试的浓度记为 Ct,以 Ct/C0 反映 Cr(Ⅵ)的降解率。

1.4 材料的表征

(1)XRD:利用 D2 PHASER 衍射仪对样品的晶 相进行分析。 以 Cu Kα 为光源,加速电压为 30 kV,加 速电流为 10 mA,扫描范围为 5°~85°。
(2)BET: 利用 ASIQM 0001-5 型全自动比表面 积及孔分布分析仪, 采用氮气吸附法对催化剂的比 表面积大小进行分析。
(3)UV-vis: 利用 UV-2600 型紫外光分光光度 计来分析样品吸光性能。 以标准 BaSO4 粉末作为参 比物,扫描范围为 220~700 nm。

2 结果与讨论

BiVO4 与 C/BiVO4 的 XRD 结果表明,2 种光催 化 剂 在 18.8° 、28.80° 、30.44° 、34.42° 、35.13° 、39.98° 、 42.42°、47.25°、47.68°、53.20°出现的特征峰,与单斜晶 相的 BiVO4 标准衍射卡(JCPDS No.14—0688)对比一 致,并且 BiVO4 的各个衍射峰均高于 C/BiVO4,说明 活性炭掺杂对 BiVO4 的结晶度有一定影响。 C/BiVO4 在 2θ 为 20°~30°的范围内存在碳微晶的弥散峰,说 明活性炭成功掺杂到 BiVO4 中。 不过这些弥散峰比 较难观察,原因可能是活性炭的量太少。 以 Scherrer 公式计 算 催化 剂 112 晶 面 的 晶 粒 度 ,结 果 表 明 , BiVO4 晶粒度为 29.5 nm,C/BiVO4 晶粒度为 26.5 nm, C 掺杂 BiVO4 的晶粒度比 BiVO4 略有缩小, 说明活 性炭的掺杂抑制 BiVO4 晶粒的生长。采用氮气吸附法测定 BiVO4、C/BiVO4 的比表面积分别为 12.220、15.291 m2 /g,C/BiVO4 的比表面积 明显高于纯 BiVO4。 在光催化实验中,催化剂比表面 积的大小对于光催化反应非常重要。比表面积越大, 吸附能力越强且能提供的活性位点越多〔6〕 ,有利于 提高光生电子的转移,提高光催化反应速率。BiVO4、C/BiVO4 的 UV-vis 结果表明,2 种催化 剂在紫外-可见光段均有明显的吸收,并且 C/BiVO4 吸收带相比于纯 BiVO4 稍有红移(BiVO4 为 485 nm, C/BiVO4 为 494 nm)。 BiVO4、C/BiVO4 的禁带宽度分 别为 2.56、2.51 eV, 表明掺杂活性炭后 BiVO4 的禁带 宽度变窄,与纯 BiVO4 相比,C/BiVO4 可能具有更好 的可见光响应效果。

3 结论

(1)活性炭掺杂改变了 BiVO4 的结晶度、比表面 积和禁带宽度,增强了 BiVO4 吸附能力,促进了光生 电子传递,从而提高了 BiVO4 的光催化还原活性。
(2)体系中柠檬酸的加入一方面可作为空穴捕 获剂减小光催化过程中电子-空穴复合率; 另一方 面空穴被柠檬酸捕获产生的 CO2 ·-自由基对 Cr(Ⅵ) 也具有还原作用。
(3)结合实验数据与实际工程状况考虑,体系 pH 适宜范围为 2 至 3,C/BiVO4 催化剂投加量适宜范围 为 0.15 ~0.5 g/L, 柠 檬 酸 投 加 量 适 宜 范 围 为 2.60 mmol/L 左右,Cr(Ⅵ)适宜初始质量浓度为≤20 mg/L。