纳米二氧化钛吸附去除对苯醌的实验研究.pdf

第36卷第1期
华北水利水电大学学报(自然科学版
Vol 36 No
2015 2 A Journal of North China University of Water Resources and Electric Power(Natural Science Edition) Feb. 2015
DOI:10.3969/j.iss.1002-5634.2015.01.018
纳米二氧化钛吸附去除对苯醌的实验研究
李国亭,冯艳敏,范金周2,柴晓珙,何小爽',梅静
(1.华北水利水电大学环境与市政工程学院,河南郑州450045;2.河南省建筑科学研究院有限公司,河南郑州450053)
摘要:Ti02光催化氧化芳香类有机污染物的过程中会产生一系列的中间氧化产物,如对苯醌和邻苯二酚等,考虑
到这些中间产物的高毒性,很有必要研究在光催化过程中TiO2对这些中间产物的吸附性能.本研究中,使
用纳米Ti02吸附去除对苯醌,研究了吸附剂用量和溶液pH值等条件对吸附效果的影响,并着重对吸附过
程进行热力学分析.研究结果表明,中性条件有利于对苯醌的吸附去除. Langmuir和 Redlich- Peterson模型
能更好地模拟吸附过程,对苯醍的最大吸附量达到342.7mg/g热力学分析表明:吸附反应的焓变为
1.096kJ/mol,吉布斯自由能变从288K下的-20.338kJ/ml增至308K下的-18.196kJ/mol,说明该
吸附过程是放热、自发过程
关键词:吸附;对苯醌;Ti02;吸附等温线;热力学
中图分类号:X703.1
文獻标识码:A
文章编号:1002-5634(2015)01-0086-04
目前高级氧化技术被广泛应用于水和废水中有去除能力,但通过延长反应时间将产生的中间产物
机物的去除,并因此越来越受到世界各国的关注.高全部氧化为CO2和H2,0是不现实的?.所以有必要
级氧化技术的特征:在水溶液中产生最活泼的羟基在高级氧化处理设施后采用后续处理技术以去除高
自由基HO?(2.72V/NHE)及H202等强氧化剂.毒性中间氧化产物
例如,在以TiO2为催化剂的光催化氧化过程中产生
光催化剂TiO2是一种稳定、无腐蚀性、环保、广
大量的氧化性物质如H202,HOO?和·O2等,这些泛存在且价格合适的材料,被广泛应用于各种有机
氧化性物质在整个氧化过程中一直存在2,因此,污染物的光催化氧化过程中,但氧化过程中产生的
高级氧化过程中产生的氧化性物质能有效去除病原中间体会吸附在TiO2的表面并导致其光催化活性
微生物(“和大量的有机污染物.在反应时间充分降低.如果光催化氧化过程中使用的TiO,没有被回
的情况下,有机污染物可被矿化为CO2,H10和无机收或再生,其表面吸附的氧化中间体将缓慢释放到
盐'6-?.但由于高级氧化技术的成本较高,目前仅被
水体中,对环境产生持续的不利影响.但目前氧化中
间体在TO2颗粒上的吸附和转移鲜有报道,被吸附
用于部分氧化而不是完全矿化
的氧化中间体向环境转移的程度到目前并不清楚
使用高级氧化技术氧化芳香类污染物的过程中所以,很有必要探素氧化中间产物在TiO2上的吸附
会产生一系列的中间氧化产物,如邻苯二酚、对苯醌行为,本研究以高级氧化过程中常凡的中间体对苯
和有机酸等-2. Santos等研究了湿式氧化苯酚的醌为目标污染物,经纳米TiO2吸附去除,研究对苯
过程中产生的中间体的毒性,苯酚、邻苯二酚、对苯醌的吸附热力学和动力学过程,以及吸附剂用量和
二酚和对苯醌的ECo值分别为(16.7ま4.2),溶液酸碱性对吸附的影响
(8.32±2.7),0.041,0.1mg/L],表明对苯二酚和
对苯醌的毒性分别达到它们母体苯酚的2到3个数1实验部分
量级,因此,尽管高级氧化法对有机污染物有较强的
对苯醌,化学纯,北京化学试剂有限公司.纳米
收稿日期:2014-11-21
基金项目:国家自然科学基金(51378205);河南省高等学校青年骨干教师资助计划刘(2013GGJS-088);华北水利水电大学大学
生创新实验计划项目(HSCX2014054)
作者简介:李国亭(1977ー),男,河南叶县人,副教授,博士,主要从事水处理物化处理技术及应用方面的研究
第36卷第1期
李国亭,等:纳米二氧化钛吸附去除对苯職的实验研究
TiO2(商业用Ti02,P-25),徳国 Degussa公司.其他室验中,溶液的pH值控制在2.0~11.0,结果如图2
试剂均为分析纯,实验用水为去离子水
所示
称取一定量的对苯醌溶于去离子水中并超声
5min,配制质量浓度为1000mg/L的对苯醌溶液
作为母液,室温下保存于棕色瓶中,使用时用去离子
水稀释母液获得所需浓度的渀液
对苯醌的吸附去除是在锥形瓶中以分批实验的
形式进行.动力学实验中,将200mg纳米TiO2加人
到1000mL质量浓度为5mg/L的对苯醌溶液中
在pH值影响实验和热力学实验中,将10mg纳米
Ti02加入到50mL质量浓度为5mg/L的对苯醌溶
234567
液中,并在135r/min的转速下于摇床中恒温振荡
溶液平衡pH值
24h至吸附平衡.除特殊说明外,温度控制在
图2溶液平衡pH值对对苯醌吸附效果的影响
298K.通过加入HCI或NaOH溶液来调节溶液pH
由图2可知,溶液酸碱性对对苯醌的吸附影响
值.除了讨论pH值对对苯醌吸附效果的影响实验明显,在酸性溶液中,随着溶液pH值的增大,对苯
外,其他所有溶液酸碱性均控制为中性
醌的吸附量显著升高,而当溶液pH值从7.0増大
用0.45km的滤膜过滤吸附后的溶液,收集过到11.0时,对苯醌的吸附量急剧下降,当pH值为
滤液用于测定分析.使用 Uvmini-1240紫外分光光7.0时,对苯醌的吸附量最大,达6.4mg/g.由于纳
度计在254nm波长处测定对苯醌的吸光度
米TiO2的零电势点是6.8,所以,当pH值小于6.8
时,Ti02带正电,反之则带负电,而对苯醌通常被认
2结果与讨论
为是非极性或具有弱极性,可推测对苯醌在纳米
2.1纳米TiO2的质量对吸附效果的影响
TiO2上的吸附与溶液的pH值关系不大.但是,上述
分别向50mL质量浓度为5mg/L的对苯醒溶实验结果表明,对苯配在TO2上的吸附受p阻值的
液中加人5~100mg不等的Ti02,研究TiO2质量对
影响很大.据此可以推测,对苯醌的极性足以影响它
对苯醌吸附效果的影响,结果如图1所示
的带电特性,在酸性条件下对苯醌显正电性,在碱性
条件下显负电性.所以,对苯醌和纳米TiO2之间的
静电斥力在酸性和碱性条件下较强,而在中性条件
下则较弱,因此,在pH值为7.0左右时对苯醌的吸
附量最大.后续实验中,溶液pH值均控制在7.0
左右
2.3吸附热力学
本研究用 Langmuir, Freundlich, Temkin和 Redlich-
Peterson模型拟合对苯醌的吸附过程,各模型的数学表
020406080100
TiO2质量/mg
达式如下
图1中性条件下TO2的质量对对苯醒吸附效果的影响
Langmuir等温式「1:
可知,当所加Ti02的质量分别为5,10,20mg
+ん,C