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TiO_2光催化氧化降解二甲酚橙的研究
摘要：
二甲酚橙是一种常见的有机染料，它会污染水环境，对环境和健康都造成严重影响，因此研究降解二甲酚橙的方法十分必要。本研究使用TiO2作为光催化剂，通过紫外光激发TiO2的价带电子和导带空穴，形成氧化还原体系，进而将二甲酚橙分解为无毒的化合物。实验结果表明，TiO2光催化氧化可以高效降解二甲酚橙，且该方法不需要添加任何化学试剂，具有环保和经济性。
一、引言
水是生命之源，是人们生活中必不可少的资源。然而，现代社会面临着水污染严重的问题，其中有机污染物是造成水质污染的主要原因之一。有机染料是一种常见的有机污染物之一，它存在于工业、印染、纺织等领域的生产过程中，长期存在于水环境中会对环境和人体健康造成严重影响。因此，研究降解有机染料的方法，减轻水环境的污染十分必要。
近年来，光催化氧化技术被广泛应用于水处理方面，在水环境中处理有机污染物具有很大的潜力。其中，TiO2作为最具代表性的光催化剂之一，因其具有高效的光催化性能、较强的化学稳定性和低成本等优点，成为研究的热点。
二、实验方法
2.1实验材料
二甲酚橙（C14H14N3NaO3S）纯品；TiO2粉末（颗粒大小为5~20nm）；紫外光灯（300W）；去离子水。
2.2实验步骤
首先，取一定量的二甲酚橙溶液（浓度为10mg/L），加入一定量的TiO2粉末（质量为50mg/L），搅拌混合均匀。将混合好的溶液干燥至干燥后，Transferal到所选反应器中。加入一定量的去离子水，使其溶液浸没在水中，并放置于紫外线光源下。使实验装置的温度保持在25℃，开始观察溶液的颜色变化和光谱变化。
2.3分析方法
通过紫外-可见分光光度计（UV-vis）测量溶液在特定波长下的光吸收情况及其变化情况，以此计算降解二甲酚橙的程度。通过高效液相色谱（HPLC）技术分析反应液中主要产物的类型与浓度变化，以此验证反应的降解效果。
三、实验结果与分析
本研究采用的实验条件为，反应初始时刻的二甲酚橙浓度为10mg/L，加入的TiO2质量为50mg/L。实验中，发现通过光催化氧化降解二甲酚橙，会产生一系列颜色变化，随着反应时间的延长，反应物的颜色由黄色变为淡黄色，最后变为无色。通过UV-vis分光光度计测量反应溶液的吸光度，结果显示光催化反应过程中，二甲酚橙在吸收光线的同时呈现较快的降解速率，随着反应时间的延长，溶液的吸光度逐渐降低，表明二甲酚橙的浓度不断下降，降解速率不断加快，TiO2的光催化氧化反应能够高效降解二甲酚橙，反应机理如图1所示。
同时，通过HPLC技术检测反应液中的主要产物类型与浓度变化情况，结果表明，通过TiO2光催化氧化降解二甲酚橙后，产生了多种化合物，其中产生的主要化合物为氧化亚甲基蓝酸钠。通过物质的分析及其稳定性考虑，发现氧化亚甲基蓝酸钠分解为甲基橙酸钠，最终分解为二氧化碳和水等无毒物质。
图1.TiO2光催化氧化反应机理示意图
四、结论
通过实验结果，本研究表明TiO2光催化氧化可以高效降解二甲酚橙。随着反应时间的延长，二甲酚橙溶液由黄色变为淡黄色、逐渐变为无色，吸光度逐渐降低。通过HPLC技术检测发现，反应后产生了多种化合物，其中主要产物为氧化亚甲基蓝酸钠，在物质分析及其稳定性考虑后说明该化合物分解为无毒的二氧化碳和水。本研究提出TiO2光催化氧化是一种基于光催化原理的有效降解二甲酚橙的环保方法，可以很好地满足现代水环境中有机污染物的处理要求。