光催化降解甲基橙实验

光催化降解甲基橙实验一、实验目的1、了解TiO2光催化的基本原理；2、了解TiO2光催化降解甲基橙的影响因素如pH、甲基橙初始浓度等对甲 基橙脱色率的影响；3、学会利用分光光度法测定甲基橙的浓度。二、实验原理（一）甲基橙性质甲基橙（Methyl Orange: M0）别名金莲橙D,又名对二甲基氨基偶氮苯横 酸钠。甲基橙为红色鳞状晶体或粉末，微溶于水，不溶于乙醇。甲基橙的变色范 围：pH 4.4时变黄，3.14.4时呈橙色。甲基橙属于阳离子型 染料，是常用的纺织染料的一种，主要用于对腈绝纤维的染色。由于甲基橙分子 结构中含有偶氮基（一N=N），不易被传统的氧化法彻底降解，容易造成环境 污染。（二） TiO2光催化原理半导体材料 TiO2 作为光催化剂具有化学稳定性高、耐酸碱性好、对生物无 毒、不产生二次污染、廉价等优点，故以 TiO2 为催化剂的非均相纳米光催化氧 化是一种具有广阔应用前景的水处理新技术，倍受人们青睐。TiO2半导体光催化反应机理图如图1-1所示。半导体粒子具有能带结构，一 般由填满电子的低能价带（VB）和空的高能导带（CB）构成，价带中最高能级 与导带中的最低能级之间的能量差叫禁带宽度（简写为Eg）。半导体的光吸收闽 值与带隙能Eg有关，其关系式为：Xg=1240/Eg （eV）。锐钛矿型的TiO2带隙能 g2为3.2 eV，光催化所需入射光最大波长为387.5 nm。当波长小于或等于387.5 nm 的光照射时，TiO2价带上的电子（e-）被激发跃迁至导带，在价带上留下相应的 空穴（h+）,且在电场的作用下分离并迁移到表面：TiO2 + hv f h+ + e-（1-1）光生空穴（h+ ）是一种强氧化剂（Evb=3.1V），可将吸附在TiO2颗粒表面的 OH-和H2O分子氧化成0H自由基，0H能够氧化相邻的有机物，亦可扩散到 液相中氧化有机物：H2O + h+ f OH + H+（1-2）OH- + h+ f OH（1-3）导带电子（e-）是一种强还原剂（Ecb=-0.12V）,它能与表面吸附的氧分子 发生反应，产生02-超氧离子自由基以及00H自由基。上述反应过程中产生的活性氧化物种如：OH、02-、H00、H2O2 等，可O2 + e-f O2-( 1-4 )H2O + O2-f OOH + OH-( 1-5 )200H f O2+ H2O2( 1-6 )H2O2 + e- f-OH + OH-( 1-7 )H2O2 + O2-f OH + OH-( 1-8 )以氧化包括难生物降解化合物在内的众多有机物，使之完全矿化成 H2O、 CO2等无机小分子。hvO2-H2OOH图 1-1 TiO2 光催化反应机理图三）光催化降解甲基橙的影响因素1)溶液初始浓度光催化氧化的反应速率可用 Langmuir-Hinshelwood 动力学方程式来描述：r = k K C / ( 1 + K C )(1-9)式中 r 反应速率；C 反应物浓度；K 表观吸附平衡常数；k 发生于光催化活性位置的表面反应速率常数。低浓度时，KCvvl，则上式可以简化为：r = k K C=KC(1-10)即在一定范围内，反应速率与溶质浓度成正比，初始浓度越高，降解速率越大； 但是当初始浓度超过一定范围时，反应速率有可能随着浓度的升高而降低。因此， 溶液的初始浓度应控制在一定的范围内。(2)催化剂用量在一定强度紫外光照射下 TiO2 粒子被激发，继而在光催化体系中产生羟基 自由基等系列活性氧化物种，因此较多量的 TiO2 必然能产生较多的活性物种来 加快反应进程，从而提高降解效率，可是当催化剂超过一定量时反应速率不再增 加。这是因为过多的 TiO2 粉末会造成光的透射率降低及发生光散射现象，所以 进行光催化降解反应时有必要选择一个最佳的催化剂加入量。三、实验试剂、材料1、甲基橙2、TiO2(P25)3、1L容量瓶3个4、1L烧杯3个5、石英反应器2 个6、50ml 移液管2支7、10ml 移液管2支8、玻璃比色皿1个9、搅拌子2颗10,10 ml比色管5支11、10 ml 一次性注射器若干12、10mL 离心管 10 支四、实验步骤1、1 g/L 甲基橙储备液的配制：称取0.5 g甲基橙溶于水中，转移到500 mL容量瓶中，定容、摇匀，得到1 g/L的甲基橙溶液。2、20 mg/L甲基橙反应液的配制：取1 g/L甲基橙储备液20 mL于1 L容量瓶中定容，得到20 mg/L的甲基橙 溶液，用HC1和NaOH调节甲基橙的pH至3左右。3、光催化反应实验：（1）直接光解和TiO2光催化降解甲基橙的对比：取两个反应器，编号为 A、 B。A的条件：用量筒量取20 mg/L的甲基橙150 mL，倒入A反应器中，不加 TiO2，放入一颗搅拌子；B的条件：用量筒量取20 mg/L的甲基橙150 mL,倒入B反应器中，加入 0.2 g TiO2。（2）将两反应器放入光反应装置中，接通冷凝水，打开紫外灯进行光催化 实验。(3)分别于 0 min、10 min、20 min、30 min、40min 和 50min 取样，用一次性注射器（或移液管）取样10 mL于离心管中，测定甲基橙吸光度。4、甲基橙浓度的测定采用722分光光度计在波长为466 nm下测定甲基橙的吸光度。（1）甲基橙标准曲线的绘制取5支10 ml比色管，用10 mL移液管分别移取20 mg/L甲基橙溶液0、2.5、 5、7.5、10 ml于比色管中，制得浓度为0、5、10、15、20 mg/L的甲基橙标准 曲线，绘制吸光度对浓度的标准曲线。（2）样品浓度的测定取出的样品在8000 r/min转速下离心5 min，在466 nm波长处测定样品的吸 光度，根据标准曲线计算甲基橙的浓度值，按下式计算甲基橙的去除率。式中：C0甲基橙溶液的初始浓度；C甲基橙溶液t时刻的浓度五、数据记录及分析1、甲基橙溶液标准曲线数据填入表1中，样品吸光度值数据填入表2。表1甲基橙标准曲线数据记录表浓度（mg/L）05101520吸光度0.0000.3710.6921.0291.350表 2 甲基橙吸光度测定记录表编号0 min10 min20min30 min40 min50minA1.3471.2951.2931.2191.2001.173B1.7591.5901.1870.9990.9890.924甲基橙浓度记录表编号0min10min20min30min40min50minA19.7919.0218.9917.8917.6117.21B25.9323.4117.4114.6214.4713.502、绘制A、B实验条件下甲基橙浓度随时间的变化关系图，并加以分析。答：A,B溶液随着时间的增加，甲基橙浓度都逐渐降低，但是B中加了二氧化钛 之后的溶液，甲基橙浓度下降速度较快，而且最后的甲基橙浓度低于 A 中的， 故此说明二氧化钛作为光催化剂，在紫外光照射下，能够能产生较强的氧化能力， 来氧化难生物降解化合物。3、冷凝水连接需要注意什么？答：应该注意水由反应器A（或 B）下端流进，再将反应器A（或 B）的上端出水口 接到反应器B（或A）的下端，最后由反应器B （或A）的上端流出。而且冷凝水的 流速不宜过快。