張新海

（鶴壁職業(yè)技術學院，河南 鶴壁 458030）

莠去津，化學名稱為2-氯-4-二乙胺基-6-異丙胺基-1,3,5-三嗪，又名阿特拉津，是一種旱地使用藥劑，除草范圍廣泛，效果好，對植物安全，殘效期短，適用于玉米、高粱等旱田作物，可防除稗草、藍花草、蒼耳、車前草、三棱草和柳蒿等，因成本低和除草效果好，成為玉米田中最常用的除草劑之一。但是近年來有許多研究報道，莠去津在自然環(huán)境介質(zhì)中難降解，殘留期長，存在生物蓄積等，不但對水體、土壤等會造成深遠的影響，破壞環(huán)境，還可能影響到人類的健康與發(fā)展[1]。

近年來，TiO2作為一種新型光催化材料，以較好的催化性能，在環(huán)境治理方面受到眾多研究者的青睞，在高效催化劑的制備、光催化作用原理研究以及固體催化劑的摻雜與改性等方面取得了許多卓越成果。但是TiO2在光催化過程中產(chǎn)生的光生電子和光生空穴，在遷移的過程中極易復合，導致催化效率較低，工業(yè)應用進展緩慢[2-3]。本研究利用光沉積法制備了Fe（Ⅲ）摻雜TiO2光催化劑，并探討了催化劑催化降解莠去津的影響因素。

1 實驗部分

1.1 Fe（Ⅲ）摻雜TiO2光催化劑的制備

利用光沉積法制備Fe（Ⅲ）摻雜TiO2光催化劑，在煅燒溫度400℃、鐵與鈦的質(zhì)量比為1.5%的條件下，得到Fe（Ⅲ）摻雜TiO2光催化劑。制備流程見圖1。

圖1 Fe（Ⅲ）摻雜TiO2光催化劑的制備流程Fig.1 Preparation process of Fe(Ⅲ)-doped TiO2 photocatalyst

1.2 實驗裝置與測定方法

光催化反應在自制裝置中進行，反應裝置見圖2。

圖2 TiO2光催化反應裝置Fig.2 TiO2 photocatalytic reaction device

用莠去津溶液模擬廢水，考察催化劑的催化性能。采用高效液相色譜法檢測溶液中的莠去津含量，使用紫外檢測器，設定波長為220nm，分析溶液中莠去津的含量[4-5]。按式(1)計算光催化效率，該數(shù)值越大，說明光催化的效果越好，催化劑性能越好。

式中：Ct為光催化反應后溶液殘留莠去津濃度；C0為原始莠去津濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應時間對催化效率的影響

在催化劑濃度為0.5g·L-1的反應體系中，分別反 應 2min、4min、6min、8min、10min、12min、14min、16min、18min，考察反應時間對催化劑性能的影響，實驗結(jié)果見圖3。從圖3可知，隨反應時間延長，催化效率逐漸增大，反應時間達到14min時，催化效率達到最大，再延長時間，催化效率基本不再增加?？紤]到反應效率和經(jīng)濟性，確定反應時間14min為最佳反應時間。

圖3 反應時間對催化效率的影響Fig. 3 Effect of reaction time on catalytic efficiency

2.2 催化劑使用量對催化效率的影響

實驗過程中，改變Fe（Ⅲ）摻雜TiO2光催化劑的投入量，催化劑濃度為 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4g·L-1時，反應14min后，考察催化劑使用量對催化劑性能的影響，結(jié)果見圖4。從圖4可知，起初，隨催化劑量增加，催化效率明顯上升，但催化劑使用量達到0.8g·L-1后，催化效率不再上升而開始下降。這是因為加入過量的催化劑后，催化劑的大量加入影響了反應體系的透光性，使得催化反應不能徹底進行，催化效率出現(xiàn)下降。因此，催化反應過程中，0.8g·L-1為最佳催化劑使用量。

圖4 催化劑使用量對催化效率的影響Fig.4 Effect of catalyst usage on catalytic efficiency

2.3 過氧化氫濃度對催化效率的影響

Fe（Ⅲ）摻雜TiO2光催化劑的投入量為0.8 g·L-1，向反應體系中分別加入 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4mmol·L-1的過氧化氫溶液，反應 14min后，考察過氧化氫濃度對催化劑性能的影響，結(jié)果見圖5。從圖5可知，隨著雙氧水的加入，催化效率顯著增加，但雙氧水濃度達到0.8mmol·L-1后，催化效率出現(xiàn)下降趨勢。這是因為雙氧水加入后，雙氧水濃度較低時，自身釋放出來的羥基自由基較多，可以促使莠去津的降解反應發(fā)生，但雙氧水本身也會與羥基自由基結(jié)合，當雙氧水濃度較大時，自身會消耗一部分羥基自由基，使得催化效率出現(xiàn)下降。因此，催化反應過程中，0.8mmol·L-1為最佳過氧化氫濃度。

圖5 過氧化氫濃度對催化效率的影響Fig.5 Effect of hydrogen peroxide concentration on catalytic efficiency

2.4 溶液pH值對催化效率的影響

Fe（Ⅲ）摻雜TiO2光催化劑的投入量為0.8 g·L-1、過氧化氫濃度為0.8mmol·L-1條件下，調(diào)節(jié)溶液 pH 值分別為 1、2、3、4、5、6、7、8、9，反應 14min后考察催化劑的催化性能，結(jié)果見圖6。由圖6可知，當溶液pH值小于3時，隨pH值增大，催化效率逐漸增大，但pH值超過3以后，催化效率呈現(xiàn)減小趨勢。這是因為溶液pH太小時，催化劑負載的鐵會發(fā)生析出現(xiàn)象，影響催化劑性能。而溶液pH=3時，反應體系中的雙氧水和催化劑都比較穩(wěn)定，催化效率可達到最優(yōu)效果。因此，催化反應過程中pH=3是最佳溶液pH值。

圖6 溶液pH值對催化效率的影響Fig.6 Effect of pH value of solution on catalytic efficiency

2.5 催化劑重復使用性能

催化劑的重復使用是考察催化劑性能的重要指標之一。實驗過程中，在Fe（Ⅲ）摻雜TiO2光催化劑的投入量為 0.8 g·L-1、過氧化氫濃度為 0.8mmol·L-1、反應時間為14min、溶液pH=3的最佳反應條件下，考察催化劑的重復使用性能。實驗過程中，使用過的催化劑每次都經(jīng)分離、洗滌、干燥后再重復使用，結(jié)果見圖7。由圖7可知，在最佳反應條件下，催化劑的催化效率可達95%以上，并且催化劑使用6次后，催化效率仍基本保持不變，顯示了光沉積法所制備的催化劑具有較好的穩(wěn)定性和可重復使用性。

圖7 催化劑重復使用對催化效率的影響Fig.7 Effect of catalyst reuse on catalyst efficiency

3 結(jié)論

采用光沉積法制備了Fe（Ⅲ）摻雜TiO2光催化劑，考察了反應時間、催化劑使用量、過氧化氫濃度、溶液pH值對催化劑性能的影響，并在最優(yōu)條件下研究了催化劑的重復使用性能。研究結(jié)果表明，在反應時間14min、催化劑使用量0.8g·L-1、過氧化氫濃度0.8mmol·L-1、溶液pH=3的反應條件下，采用光沉積法制備的Fe（Ⅲ）摻雜TiO2光催化劑，處理莠去津廢水的催化效率可達95%以上，催化劑循環(huán)使用6次后，催化性能下降較低，可實現(xiàn)催化劑的循環(huán)利用，生產(chǎn)過程中可以有效減少催化劑用量，節(jié)約原料，降低生產(chǎn)成本。