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片狀ZnO光催化處理造紙廢水

文檔作者：趙敏1 辛芄伯2 文檔來源： 1內(nèi)蒙古扎蘭屯市環(huán)境保護(hù)局 2內(nèi)蒙古扎蘭屯市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年07月31日
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片狀ZnO光催他處理造紙廢水
趙敏1辛芄伯2
(1內(nèi)蒙古扎蘭屯市環(huán)境保護(hù)局2內(nèi)蒙古扎蘭屯市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局內(nèi)蒙古扎蘭屯162650)
摘要采用氧化鋅作為光催化劑處理造紙廢水。首先用水熱法合成片狀氧化鋅粉體。并用X射線衍射儀和掃描電鏡對制
備的氧化鋅進(jìn)行結(jié)構(gòu)和形貌表征。然后從反應(yīng)的pH值，氧化鋅添加量．過氧化氫添加量，光照時間幾個方面系統(tǒng)研究片狀氧
化鋅和商品氧化鋅對廢水COD去除率的影響。結(jié)果表明：片狀結(jié)構(gòu)氧化鋅在pH為9．00的條件下，氧化鋅和過氧化氫添加量
分別為0．8扎和49／L，經(jīng)汞燈照射7h后，廢水的COD總?cè)コ士蛇_(dá)85％以上。
關(guān)鍵詞氧化鋅光催化氧化廢水處理
中圖分類號：X793．03 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672—9064(2010)05—0059—02
近20年來．工業(yè)迅速發(fā)展，大量含有有機(jī)污染物的工業(yè)
廢水．未經(jīng)處理或處理不完全而排入水體，使水源水質(zhì)惡化．
導(dǎo)致淡水資源日益短缺，供需矛盾越來越尖銳。目前常用的
處理方法是物理化學(xué)法、化學(xué)法和生物法。這些方法耗資大．
運行費用高，受適用條件限制，且處理效果不理想El-2]。
光催化氧化消除環(huán)境污染是近年來發(fā)展起來的一項新
技術(shù)。氧化鋅光催化劑具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、成本低、光催化活
性高、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點，日益受到人們的重視[¨]。本文
首先利用簡單的水熱法合成具有片狀結(jié)構(gòu)的氧化鋅粉體，并
采用UV／Zno／H213，體系處理造紙廢水，取得了較為理想的結(jié)
果。為該類廢水的處理提供了一種新方法。
1 實驗部分
1．1試劑與儀器
試劑：硫酸鋅。六次甲基四胺，十六烷基三甲基溴化銨，
氫氧化鈉．硫酸，雙氧水皆為分析純。
儀器：X射線粉末衍射儀(德國D8ADvANCEBRUK．
ER)；掃描電鏡(日本電子公司JEOL-JSM一6390LV)。
1．2廢水性質(zhì)及其預(yù)處理
廢水取自新鄉(xiāng)市某造紙廠的廢水調(diào)節(jié)池．為深褐色懸濁
液。廢水的COD為1869mg／L，pH為8．0。取1000mL廢水，用
NaOH調(diào)節(jié)pH為ll一12，攪拌并稍微加熱后即產(chǎn)生絮狀沉
淀，過濾得濾液，備用。經(jīng)測定，濾液的pH為12，COD為
823mg／L。
1．3實驗方法
氧化鋅的制備：將0．39CTAB溶于300mL二次水中，加
熱攪拌數(shù)分鐘后，將0．459ZnSO。和o．29c6H，：N。加入其中，攪
拌形成無色透明溶液，然后轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中．保持100。C反
應(yīng)6h。最后在60℃千燥6h，即得到產(chǎn)品白色ZnO粉末。
準(zhǔn)確稱取一定量的光催化劑ZnO置于石英反應(yīng)管中．
再加10mL預(yù)處理后的廢水(事先用濃度為lm01／L的HrSO。
調(diào)pH至一定值)和一定量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的H20：，將石英反應(yīng)
作者簡介：趙敏(1982一)，女，碩士研究生。主要從事工業(yè)廢水處理研究。
2010．No．5，
管置于光化學(xué)反應(yīng)儀中．通人適量空氣進(jìn)行攪拌．使催化劑
ZnO處于懸浮狀態(tài)．并用低壓汞燈照射一定時間。反應(yīng)結(jié)束
后．離心分離出催化劑ZnO，取清液測其COD，計算COD的
去除率(E)。
2結(jié)果與討論
2．1 片狀ZnO的結(jié)構(gòu)和形貌表征
圖l為樣品的XRD圖。其衍射數(shù)據(jù)與JCPDS卡36—
2TbH-“Ielrl!ls)
圈1 ZnO的XRD圈
1451相符．由此可見，樣品為六方結(jié)構(gòu)的ZnO。
如圖2a所示，樣品全部為片狀結(jié)構(gòu)，呈六邊形，直徑約
圖2(a)片狀ZnO的SEN圈
(b)放大的片狀ZnO的SEM圈
為101上m，尺寸均勻，產(chǎn)率較高。由圖2b可知，樣品非常薄，呈
透明狀．厚度約為100nm，部分ZnO片相互疊加在一起。
2．2廢水pH對COD去除率的影響
在其他實驗條件不變的條件下．用濃度為Im01]L硫酸
萬方數(shù)據(jù) 。
調(diào)節(jié)廢水的pH，考察廢水pH對COD去除率的影響。
由圖3可見，在任何一種條件下．片狀ZnO的COD去除
率都比商品ZnO的高。這是由于片狀結(jié)構(gòu)的ZnO具有較大
的比表面積，可以吸附更多的有機(jī)污染物。同時這種片狀
ZnO可以將其最具有催化活性的正極面(o001)和負(fù)極面
(ooo—1)暴露在外．從而有利于有機(jī)物與ZnO表面的電荷交
換，提高其催化活性。當(dāng)廢水的pH為9．oo時，片狀ZnO具
有最高的COD去除率。這是因為在紫外光照射下．在導(dǎo)帶產(chǎn)
生的電子可以直接參與光降解過程．而在禁帶產(chǎn)生的空穴則
需與水介質(zhì)中的OH一作用從而促發(fā)光降解過程。當(dāng)廢水的
pH較低時，OH一濃度低，生成的·OH較少，不利于降解反應(yīng)。
隨著pH的升高，ZnO粒子表面的OH一濃度增大，有利于·OH
的生成，從而加速了光催化氧化反應(yīng)的進(jìn)行。但是當(dāng)pH過
pn
田3 pH對廢水COD去除率的影響
高時．有機(jī)物解離產(chǎn)
生的離子會取代一部
分催化劑表面的·OH．
不利于降解反應(yīng)的發(fā)
生。經(jīng)實驗證明，本反
應(yīng)體系的最佳pH為
9．00。
2．3 ZnO添加量對
COD去除率的影響
由圖4可知．隨
著ZnO添加量的增
加．COD去除率逐漸
上升。在片狀ZnO加
入量為0．8璣時，COD
去除率達(dá)到最大值。
02 04 06 0加8入1麓0{92／L)1+4卜6。8 Znq加入量超過0．89／ZnO 0 08 加入麓(g／L) 刀Ⅱ人量稚遼
m4 zn0添加-對廢水coD去除搴的影響L后．COD去除率又
逐漸下降。這是由于ZnO加入量較少時．產(chǎn)生的空穴h+較
少，不利于·OH的形成。但ZnO加入量過多時。其顆粒會產(chǎn)
生對光的散射作用．影響溶液的透光率．導(dǎo)致反應(yīng)速率降低。
與片狀ZnO相比，商品ZnO在同樣的條件下加入量為1．29，
L時，COD去除率才達(dá)到最大值。
2．4過氧化氫添加量對COD去除率的影響
在反應(yīng)體系中加入少量的過氧化氫．可以加速光催化氧
化反應(yīng)的進(jìn)行。過氧化氫的加入量為49／L時，COD去除率達(dá)
到最大值。過氧化氫的加入量繼續(xù)增加．COD去除率則下
降。這是因為過氧化氫是強氧化劑．它可以俘獲電子并有效
降低光催化劑表面電子一空穴對的重新復(fù)合．同時它在紫外
光照射下也可形成．OH。但過氧化氫濃度過高時，大量的過
氧化氫被吸附在催化劑的表面．可能會阻礙水中有機(jī)物的吸
附．過量的過氧化氫也可能成為·OH的消除劑。與片狀ZnO
相比。商品ZnO在同樣的條件下，過氧化氫加入量為69／L
時。COD去除率才達(dá)到最大值。
2．5光照時間對COD去除率的影響
片狀結(jié)構(gòu)的ZnO．光照lh時．COD去除率為10％。當(dāng)光
照3h時．COD去除率達(dá)到50％。這是因為廢水中的主要污
染物為有機(jī)物．它們的結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定．反應(yīng)初期需較大的能
量，故降解速度比較慢。一旦這些結(jié)構(gòu)被破壞，反應(yīng)速度加
快。因此。通過實驗證明．最佳的照射時間為7h。而商品
ZnO，在光照7h時．COD的去除率僅為50％。
2．6原理分析
ZnO具有較寬的禁帶寬度．約為3．7eV。在入射紫外線強
度高于其禁帶寬度時．價帶的電子會吸收紫外線并躍遷至導(dǎo)
帶．形成高活性的自由電子。同時也會在價帶形成對應(yīng)的空
穴。所合成的片狀ZnO晶體，厚度僅100nto，故此光致產(chǎn)生
的電子和空穴可以較快的轉(zhuǎn)移到ZnO晶體的表面．從而有
效地減少了電子空穴對在晶體內(nèi)部的復(fù)合．提高了其催化活
性。而在另外的兩維(長度和寬度)上為Ixm級。有效地避免
的顆粒問的團(tuán)聚，增加了與溶液問的接觸比表面積。同時根
據(jù)X射線分析可知．由于CrAB的引入。ZnO晶體(0001)晶
面的生長被抑制，從而形成片狀的結(jié)構(gòu)。故此最終形成的
ZnO片狀晶體暴露面積最大的為(0001)和(000—1)。根據(jù)
ZnO晶體堆垛形成的原理．(0001)面為鋅原子形成的正極面
而(ooo-i)為氧原子形成的負(fù)極面。這樣2個極性的表面可
以引起有機(jī)污染物分子的瞬時偶極．并增強了其與晶體表面
的吸附．從而達(dá)到更好的催化效果。
3結(jié)論
本文采用UV／ZnO／H202體系處理造紙廢水。該方法工
藝簡單，廢水處理效果好．廢水COD去除率可達(dá)85％以上。
工業(yè)化應(yīng)用的設(shè)想：將生化法與光催化法聯(lián)合使用．集生化
法處理成本低和光催化法處理效果好的優(yōu)點于一身．
參考文獻(xiàn)
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發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)要有國家規(guī)劃
我國提出走低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展之路后．各地以發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)
為主題上馬了大量項目，這在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，也造成
了一定的資源浪費。國務(wù)院發(fā)展研究中心研究員、著名經(jīng)濟(jì)
2010．No．5．
學(xué)家吳敬璉提出，為趨利避害。國家應(yīng)刳定發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的
總體規(guī)劃和頂層設(shè)計，并加強統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，避免出現(xiàn)各地盲目
發(fā)展的現(xiàn)象。

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