紫外光降解苯酚废水实验-07.doc

专业综合性实验

实验名称紫外光降解苯酚废水实验
一、实验目的
了解光催化氧化降解有机废水的机理；
了解紫外光催化装置，熟悉光催化处理废水的工艺流程；
了解光催化动力学参数测定的意义，并探讨不同实验条件下光催化降解的效果。
二、实验原理
光催化氧化法氧化能力强，要求的反应条件温和，是目前处理含低浓度难降解有机物废水的一种高级氧化法。
光催化氧化法，是以N型半导体的能带理论为基础。当能量大于带阵能量Eg（TiO2的Eg为3.2eV）的光照射半导体催化剂时，价带（Valencyband）上电子被激发，跃过禁带进入导带(Conductionband)，形成高活性电子（e－），并在价带上产生带正电荷的空穴（h＋），从而引发反应。以TiO2为例说明：
TiO2＋hν=h＋+e－
水溶液中的光催化氧化反应，在半导体表面失去的电子主要是水分子，水分子经一系列变化后产生氧化能力极强的羟氧自由基（·OH），可以氧化各种有机物，并使之矿化为CO2。
TiO2是常用的光催化剂，主要有锐钛型和金红石型两种晶型。二氧化钛的化学性质和光化学性质十分稳定，无毒价廉，货源充足。TiO2是一种半导体氧化物，它有充满电子的价带和缺电子的导带，在光照下价电子上留下的空穴有氧化性，导带上的电子具有还原性，降解物在TiO2表面发生氧化还原后，价带又得到电子，光再次照射时，价带上电子又同样发生跃迁，故将使用过的TiO2通过过滤收集起来，在阴暗处自然晾干，重复使用，不影响其催化活性。
影响二氧化钛光催化氧化过程的因素有很多，主要有：光催化剂的性质和结构、光催化剂的投加量、废水的pH值和浓度等。
研究表明，TiO2为催化剂的光催化氧化反应速率ro可用Langmuir-Hinshelwood描述：
（1）
（2）
式中：C－反应物浓度，mmol/L;
K－表观吸附平衡常数，L/mmol；
k－表面反应速率常数，mol/h。
取不同浓度的废水进行光催化降解实验，由此得到不同的初始反应速率ro，并绘制出～关系图，图中直线的斜率为值，截距为值。就可以得到K值和k值。
三、实验仪器、设备与药品
KL-1型紫外光催化实验装置（武汉科林环保技术有限公司）、分光光度计
模拟有机废水（苯酚废水）、苯酚浓度用COD表征。
四、实验步骤
将浓度为100mg/L的有机废水放入水箱至一定体积，废水量必须大于照射反应器的有效容积；
容器废水中定量加入光催化剂（TiO2），投加量为3.0g/L，并搅拌均匀，使催化剂悬浮在容器中；
打开循环泵开关，让循环水进入照射反应器并从上端排入原水容器中形成水循环，调整流量计至适度流量，运行3～5min，使其中的催化剂均匀地分布于水中；
打开紫外灯开关，并打开定时器开始计时；
每隔20min测量一次容器中苯酚的浓度，测量时将水中的催化剂过滤；实验运行时间1.5hr
改变原水浓度，分别为50mg/L、75mg/L、125mg/L、150mg/L，重复以上实验，并记录表1。

表1不同初始浓度的紫外光催化氧化实验记录
初始浓度
mg/L反应时间
min出水浓度
mg/L
在原水苯酚浓度为100mg/L的条件下，改变光催化剂二氧化钛的投加量，分别为1.0g/L、2.0g/L、4.0g/L、4.5g/L。重复（1）～（5）实验，并记录表2。
表2不同投加量的紫外光催化氧化实验记录
投加量
g/L反应时间
min出水浓度
mg/L
在原水苯酚浓度为100mg/L、TiO2投加量为3.0g/L的条件下，调节原水的pH值，分别为4、6、10、12，重复（1）～（5）的实验，并记录表3；
表3不同pH值的紫外光催化氧化实验记录
原水pH值
反应时间
min出水浓度
mg/L实验全部结束后，在原水容器中加入清水，打开循环泵让清水进入照射反应器中进行彻底清洗。

五、数据处理与分析
根据表1的实验记录，作图计算出该实验系统的动力学参数K、k值；
根据表2的实验记录，讨论催化剂的最佳投加量；
根据表3的实验记录，讨论反应的最佳初始pH值。