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1、光催化氧化法的催化劑固定化技術(shù)研究摘要：探討了一種新型催化劑固定技術(shù)，即將粉末活性炭連同二氧化鈦粉末同時固定的技術(shù)，并對該復(fù)合催化劑膜進(jìn)行了水處理試驗(yàn)，結(jié)果表明效果良好，催化劑的附著性和吸附效果均優(yōu)于純TiO2膜。關(guān)鍵詞：光催化氧化固定化粉末活性炭二氧化鈦 光催化氧化法是近20年才出現(xiàn)的水處理技術(shù)，在足夠的反應(yīng)時間內(nèi)通?？梢詫⒂袡C(jī)物完全礦化為CO2和H2O等簡單無機(jī)物，避免了二次污染，簡單高效而有發(fā)展前途。由于以二氧化鈦粉末為催化劑的光催化氧化法存在催化劑分離回收的問題，影響了該技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用，因此將催化劑固定在某些載體上以避免或更容易使其分離回收的技術(shù)引起了國內(nèi)外學(xué)者
2、的廣泛興趣?！ ?催化劑固定化技術(shù)的研究現(xiàn)狀 目前，國內(nèi)外對催化劑固定方式的研究主要有兩種。第一種是非填充式固定床型的固定技術(shù)，它以燒結(jié)或沉積方法直接將催化劑沉積在光催化反應(yīng)器內(nèi)壁，進(jìn)行污水處理時以泵為動力，使污水在污水槽與光催化反應(yīng)器之間循環(huán)回流，光催化反應(yīng)在反應(yīng)器里進(jìn)行。譬如，張彭義等人研究了苯甲酸類物質(zhì)的光催化降解，其TiO2的固定方法如下［1］：用兩個120W高壓汞燈輻射鋁板，同時含有TiO2粉末的酸性懸浮液不斷循環(huán)流過被輻射的鋁板，懸浮液中的TiO2在紫外光和酸性條件的作用下沉積在鋁板上而形成固定膜。第二種是填充式固定床型的固定技術(shù)［2］，即將TiO2燒結(jié)在載體(
3、如砂、硅膠顆粒、玻璃珠、玻璃纖維等)表面，然后將上述顆粒填充到反應(yīng)器里。此類固定技術(shù)雖可增大光催化劑與液相的接觸面積(反應(yīng)速率比懸浮型光反應(yīng)器還要高)，但載體顆粒較小，還需進(jìn)行繁瑣的分離、回收過程［3］?！ ?催化劑固定化技術(shù)研究 2.1機(jī)理探討 有研究表明［4］，一種類似于非填充式固定床型的催化劑固定技術(shù)，即布置于反應(yīng)器底部、載有TiO2膜的玻璃纖維經(jīng)過表面修飾(在TiO2表面擔(dān)載某些重金屬或金屬氧化物，如Ag、Au、Pt、Pd、Nb、RuO2和Pt-RuO2等)能提高TiO2光催化活性?？紤]到采取此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行飲用水深度凈化時，金屬含量低則不起作用，含量高則使水中重金屬
4、含量超過飲用水標(biāo)準(zhǔn)，故筆者試圖從另一角度，即提高TiO2吸附能力方面來研究催化劑的固定化問題。 活性炭因其比表面積大、吸附能力強(qiáng)及疏水性能好等優(yōu)點(diǎn)，一直被廣泛應(yīng)用在水處理方面。筆者借助于活性炭這一優(yōu)點(diǎn)來提高固定催化劑的光催化降解性能，即將TiO2粉末連同粉末3活性炭一起被固定在反應(yīng)容器內(nèi)壁，然后對自來水進(jìn)行深度處理試驗(yàn)。作為對比，同時對純TiO2進(jìn)行了試驗(yàn)?！ 楸阌诒容^，進(jìn)行了不同工藝條件下的試驗(yàn)。一種是以牛皮紙代替反應(yīng)器內(nèi)壁，將催化劑固定在牛皮紙一側(cè)，按所需催化劑用量將相應(yīng)大小的牛皮紙襯在反應(yīng)器內(nèi)壁進(jìn)行試驗(yàn)。另一種直接以TiO2粉末為催化劑進(jìn)行試驗(yàn)，處理后的水用0.45
5、μm濾膜進(jìn)行抽濾。試驗(yàn)裝置如圖1所示，反應(yīng)器由玻璃制做，尺寸為6×56cm，容積為1582cm3，實(shí)際容積(除去紫外燈)為1287cm3；石英紫外線殺菌燈的功率為20W，主波長為253.7nm，在本試驗(yàn)條件下光強(qiáng)E為3.90×103μW/cm2；氣泵的作用除進(jìn)行曝氣以促使TiO2在溶液中呈懸浮態(tài)以外，還提供空氣，實(shí)際是利用空氣中的O2為氧化劑作為電子接受體，防止電子和空穴的復(fù)合。 2.2催化劑膜的制備 試驗(yàn)所需物品如下：TiO2(分析純)；粉末活性炭(用140目細(xì)篩進(jìn)行分選，使其與TiO2粉末粒度基本一致)；市售牛皮紙；玻璃膠；膠槍；刮膠板?！ ∈紫仍谂Ｆぜ埖囊粋?cè)均勻涂上
6、一薄層玻璃膠(目的是防水)，室溫下放置一夜，待其干燥后在另一側(cè)亦涂一薄層玻璃膠，同時在其未干之前將一定量TiO2粉末或摻有粉末活性炭的復(fù)合催化劑盡可能多地均勻?yàn)⒃谄渖?，按壓使其粘牢，在室溫下放置一晝夜，待其干燥后稱量剩余的粉末，從而計(jì)算出1cm2牛皮紙所具有的催化劑用量?！ ?試驗(yàn)結(jié)果及分析 為便于比較，制備了三種催化劑膜，一種是復(fù)合催化劑膜(TiO2/C)，其中TiO2與粉末活性炭的質(zhì)量比為3∶7，試驗(yàn)時TiO2用量相當(dāng)于0.6g/L；另一種是純催化劑膜，試驗(yàn)時TiO2用量相當(dāng)于1.2g/L；第三種是純炭粉膜。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示?！ 腢VA(紫外吸光度)去除率來看，反應(yīng)
7、的前90min，TiO2/C膜優(yōu)于TiO2膜高于單純紫外照射，然而120min時TiO2膜去除效果不及單純紫外照射。為分析原因，又做了兩組試驗(yàn)，第一組是懸浮態(tài)光催化氧化法去除自來水中有機(jī)物的UVA去除率隨TiO2濃度的變化情況。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，當(dāng)TiO2投量為2g/L時去除效果最好。第二組試驗(yàn)為TiO2/C膜與1.2g/LTiO2懸浮液及2g/LTiO2懸浮液作對比，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。 從圖4可以看出，TiO2濃度僅為0.6g/L的復(fù)合催化劑膜的去除效果相當(dāng)于TiO2濃度為1.2g/L懸浮
