若丹明6 g的光催化处理废水使用光敏氧化锌

文摘

氧化锌的光催化活性,由沉淀煅烧,测试使用若丹明6 g有机化合物。实验计划,以便优化过程,通过调查不同参数的影响,如固体的制备方法,光催化剂,反应介质的pH值,初始浓度的染料。对获得的结果进行了比较与P-25二氧化钛,其中一个样本有类似的表演染料的降解程度,但需要更高的pH值,以防止光催化剂降解。

1。介绍

兴趣不同的耐火材料的光催化降解有机物在废水,如染料、药物、杀虫剂,来自于相对简单的过程,容易实际设置。光催化反应发生在某种程度上类似于多相催化条件,包括同时吸附的有机固体反应物种类和氧气,其次是表面的氧化。感光性的固体是一种半导体氧化物能够捕获的能量光子的反应。光催化剂必须同时吸附大量的氧,减少物种(有机分子)。预计一个高性能光催化剂提供吸附有机物的网站,这意味着高的比表面积和/或开放孔隙结构是受欢迎的。光催化的一个非常重要的特征是反应可以发生在接近环境温度的值;因此,光反应是“绿色”,因为热能是昂贵的,大多数时候,它的生产是污染物1- - - - - -4]。

最密集的物种作为光催化剂二氧化钛的死亡形式;由于其3.2 eV带隙,它甚至能够捕获的能量来自太阳能灯,普及,绿色,不花钱的。然而目前的研究致力于研究氧化锌等氧化物种的行为,我们₃、铁₂O₃,SnO₂,及其组合作为催化剂(5- - - - - -9]。

若丹明6 g (R_6G)是一种化学性质稳定的有机染料,通常用作示踪允许寻找水的运输方向和流量的课程。关注生物技术的其他应用程序(如荧光显微镜和荧光相关光谱),以及生物化学实验室(作为诊断工具在医学和植物病理学的酶联免疫吸附试验(ELISA),检测物质的存在,通常抗原,在液体样品或湿样品)。由于其高稳定性,有趣的是发现光催化系统能够分解R_6G较小的可生物降解的物种或最终采集矿物。有很多论文在文献中处理一些它们的光催化降解,尤其是罗丹明B (10- - - - - -16]。

当前工作的目的是合成保留活性氧化锌(带隙约3.3 eV (17])和测试R_6G光降解。我们调查了一些操作参数对染料降解性能的影响:最初的染料浓度、pH值、光催化剂浓度的反应介质。本研究旨在探讨氧化锌的性质在一个非常简单的方法在叛军的光催化降解测试分子,没有调查退化机制。结果将被用于比较与其他过渡金属氧化物在未来的研究。

2。实验装置

氧化锌是由氢氧化沉淀锌焙烧紧随其后。硝酸锌作为前体,由于其容易热分解在目标化合物,如果初始盐留在沉淀的痕迹。两种沉淀剂,氢氧化钠和尿素。

氢氧化钠的降水是在室温下进行,同时浇注的硝酸锌和氢氧化钠溶液连续磁搅拌在一个烧杯,而汉娜你好991003酸碱计监测,帮助保持pH值9。实现完整的降水发生程度通过加热16小时的泥浆在353 K。

降水的尿素进行使用5/1摩尔比脲/锌,通过与尿素溶液混合硝酸锌溶液,锌的浓度约为0.25摩尔L⁻¹在最后的混合解决方案。这个解决方案在363 K以下14 h搅拌回流;最后的pH值7点了。在尿素的情况下,解决基本的pH值所必需的降水是慢慢获得,由于尿素的热分解氨和二氧化碳。这个程序允许获得固体有特殊材质和表面属性(18,19),由于缓慢形成的晶体核沉淀的媒介。该方法广泛应用于层状氧化物的合成结构和提供了可能性获得粒子聚集度较低和更有序的结构,认为碱沉淀中获得的。

固体被找到在这两种情况下,在4000转离心,用超纯水清洗几次,干在353 K,然后煅烧4 h在500°C的升温速率1°分钟⁻¹,然后自然冷却。样本贴上ZnO-NaOH和ZnO-Urea。

固体的特性是由x射线衍射、红外光谱、扫描电子显微镜(SEM),押注氮吸附。日本岛津公司的XRD模式得到D6000机器,在5 - 70°的范围,使用CuKα辐射(λ= 1.5406),在步骤0.05°。ABB 3000 MB的收集红外光谱仪器。扫描电子显微镜(SEM)被用来显示合成固体的形态;一个SEMTescan织女星II激光冲徊化在这方面使用。

合成氧化锌样品的光催化活性的光降解研究R_6G染料(C₂₈H_31日N₂O₃Cl);图中给出的公式1。

光催化降解进行了使用圆柱形玻璃反应器(图2),容纳一个石英管中部一个欧司朗对紫外线a灯9 W (350 - 400 nm波长范围,最大在370海里)放置照射染料溶液。底部的反应堆,磁范围保证了同质化。300毫升的实验样本进行染料的水溶液用超纯水。使用硫酸的pH值是0.1米或氢氧化钠0.1米。光催化剂粉末分散染料溶液中,磁搅拌30分钟在黑暗,为了启用建立吸附/解吸平衡,然后打开一盏灯。5毫升样品悬挂在特定的时间间隔,立即过滤分离完全的催化剂粒子,测量,以确定剩下的染料浓度。零时间阅读被认为是当灯是打开的。

染料浓度测定紫外可见光谱,用日本岛津公司uv - 1700分光光度计;的紫外可见光谱R_6G显示净最大值530海里。初始校准进行了检查extinction-concentration线性和减轻浓度的计算值通过简单阅读灭绝的染料溶液暴露在紫外线和/或联系与氧化锌在黑暗。

光催化测试环境空气中进行。pH值是使用微处理器监控WTW酸碱95米。实验的方案设置显示在图2。

脱色、光催化降解效率计算使用以下: 在哪里和最初的,是时候R_6G浓度。

3所示。结果和讨论

3.1。光催化剂的表征

样品的x射线衍射模式ZnO-NaOH ZnO-urea,呈现在图3表明结晶良好的固体,展出的主要山峰由于氧化锌阶段,作为JCPDS提交:89 - 7102 (20.),没有杂质的阶段。样品的峰值是明显和更高的获得与尿素、指示更加均匀和better-crystallized固体。

XRD模式还允许使用德拜谢乐公式计算介质微晶的大小。粒子中等大小,考虑的因素,给的值为21.5 nm ZnO-NaOH样本ZnO-urea和14.4海里。这些粒子大小代表初级粒子的尺寸,这副组几个数百纳米,在扫描电镜图像(图所示4)。粒子的分组让散粉的相对统一的方面。

ZnO-urea粒子的凝聚体几乎是球形的形状,还是一个很大的自由体积分数之间,这是有利于有机扩散到固体表面吸附步骤。ZnO-NaOH样本由谷物协会与多个平面形状和有倾向结块非常严格,提供一个更小的颗粒间的自由空间。

我们样本的红外透射光谱与商业氧化锌相比,见图5。

合成样品的光谱在我们实验室非常相似,并且符合文献数据(21];只注意到小的峰值强度的差异给我们的两个样品。周围的山峰3600厘米⁻¹表明哦组的存在源于水吸附(22),而在1636厘米⁻¹H是由于特性吗₂O剪切模式。2345厘米的高峰⁻¹由于公司吗₂吸附在氧化锌的基本网站(23)和缺失在商业样品。

打赌分析允许BET比表面测定领域,发现是17.3米²g⁻¹分别为ZnO-urea和13.04米²g⁻¹ZnO-NaOH样本。缓慢沉淀导致更高的特定的表面区域,如预期。根据IUPAC的等温线类型3,表明低孔隙度固体,与一个非常狭窄的磁滞回线。没有明显的内部孔隙度上发现这些样本,见图6。

3.2。光催化实验

三个参数被认为是重要的染料降解过程,即光催化剂浓度、pH值、初始染料浓度。在参数的研究中,上述两个因素保持不变,第三是多种多样的,为了定义个人和同时影响过程。我们样品和二氧化钛P-25之间的比较,在某些情况下,通过执行选择类似的实验条件。

3.2.1之上。催化剂浓度的影响

这一系列的实验进行了以恒定pH = 10值,使用一个初始浓度R_6G 50 ppm。我们使用三个浓度的固体光催化剂:0.1,0.3,和0.5 g染料溶液的光催化剂每升。一个空白的探测器(辐照没有催化剂)给很低程度的脱色,因此我们认为是微不足道的贡献仅辐射分解R_6G,参与实验的时间;类似的行为若丹明B被粉丝沟通et al ., (24),Natarajan et al。25陈,et al。26]。取消学位时间是显示在图7。

所有测试光催化剂样品,同样的特征R_6G移除的注意。他们强烈吸附染料在平衡的前30分钟内暴露于紫外线光;超过60%的染料从解决方案中移除所有的混合物进行了测试。光催化反应是缓慢增加的斜率。全部切除程度相似的值为样本,80%以上在2小时的照射。自光催化剂上的染料的去除程度在中含有染料溶液的每公升0.3 g催化剂是非常接近的系统与0.5 g催化剂,我们承认从这一点提出了0.3 g / L作为最优浓度值。

3.2.2。反应pH值的影响

为了研究反应介质的pH值的影响作用在R_6G脱色,这一系列的实验进行了使用0.3 g / L催化剂,在pH值为6.6,8.5,和10。这些实验的初始浓度R_6G 30 ppm。染料去除这些条件呈现在图8。

在染料的去除程度的差异所提到的pH值是有趣的置评。高的pH值是有利的对染料降解ZnO-urea样品在辐照时间提到的,30 - 90分钟。ZnO-NaOH样本,反应运行的最佳值为8.5时可以定义在考虑时间值。染料的去除程度达到98% ZnO-Urea 90年在pH = 10分钟。

这某种意想不到的行为决定我们探讨染料去除通过测量剩余的浓度在中间时间值到120分钟之间的光催化反应,图9。

染料的发展及时去除是一个特殊的动态。强大的去除程度由吸附注意到在辐照前的平衡阶段,其次是染料浓度的增加光催化步骤的开始。在某些情况下,这种行为重复几次,看到ZnO-NaOH的曲线在pH = 8.5。将下一段所示,观察到的现象是不如果初始R_6G浓度很低(5 ppm)。解释这种行为可能会大量吸附染料的氧化锌。R_6G分子吸附在氧化锌的官能团(最有可能,哦组,能与氨基酸和铵组从R_6G)的结构,它们允许随后传入R_6G分子的吸附,最有可能通过形成“多层”,因为价值比表面积的固体吸附步骤后不会改变明显(17米²g⁻¹ZnO-Urea样品吸附后,相比17.3米²g⁻¹最初的样品)。光降解开始时,光催化剂表面吸附分子的第一层是被几个分子的光降解。其他分子堆积在他们动员解决方案和染料的浓度增加。他们随后readsorbed最后photodegraded。这是进一步证实了TOC值(入口图9),表明矿化程度达到2小时的光催化过程中只有20%。发色团组被完全摧毁在此期间;观察到的行为类似于陈et al。27]。

3.2.3。染料浓度的影响

为了研究染料浓度对降解过程的影响,pH值保持在8.5和催化剂浓度为0.3 g / L,而染料浓度测试5个,30岁和50 ppm,见图10。

几乎不断增加R-6G切除程度发生在低价值5 ppm样本ZnO-Urea染料。在这种情况下,经过2个小时的照射去除有机几乎是总数。另一种固体也有类似的性能行为更少。更高浓度的值,删除出现在2个小时的度约80%的初始值30 ppm和70 - 75%的解决方案包含R_6G 50 ppm。这组实验证明了一个更好的网络行为的ZnO-urea样本与ZnO-NaOH相比。

3.2.4。与TiO₂德固赛P-25

其他催化剂的使用是有趣的特别是在广泛使用和非常多才多艺P-25二氧化钛不能使用。二氧化钛是稳定和活跃在微酸性条件,但是在碱性pH值发生重要的结构性退化,而氧化锌是唯一稳定的中性碱性介质。

为了比较性能的氧化锌的光反应与获得的结果在二氧化钛样品,我们进行了两个实验对氧化锌样品在pH = 10和P-25在7和10 pH值,使用一个初始解30 ppm R_6G光催化剂浓度为0.3 g / L,人物11。

TiO的染料去除₂表明其不同的吸附行为在pH值的函数。有明显的吸附在pH = 7程度高于在pH = 10,但光催化反应除带来非常相似度的pH值,对这两种情况下超过80%。

的性能ZnO-urea P-25密切相似。自稳定高pH值对氧化锌比对TiO要好₂,我们的光催化剂可以替代知名P-25,光催化反应进行的反抗化合物分解的基本解决方案。

在表1提出了一些选择结果比较氧化锌样品的光催化活性和TiO吗₂,在pH值确保样品的稳定性。

ZnO-urea样本的值表明,该活动在TiO的碱性pH值接近₂在低pH值约3单位。

4所示。结论

的氧化锌制备硝酸锌沉淀在尿素培养基,其次是煅烧在500°C,获得了氧化锌样品R_6G删除从稍微基本能力高的水媒体。参数影响脱色过程的研究使我们能够找到实现染料去除率最高的操作条件:pH值超过8.5,10;催化剂浓度0.3 g / L;染料初始浓度高于30 ppm。强大的初始吸附注意氧化锌样品,紧随其后的是缓慢的氧化锌光催化反应。全球性能染料的去除是比得上获得P-25二氧化钛,被称为最典型的光催化剂,得到了广泛的应用。

确认

作者感谢这项工作的部分支持两国科研补助金Romania-Greece没有。576/2012的罗马尼亚经费由小区/ UEFISCDI和希腊的GSRT希腊教育部,终生学习和宗教事务。

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