光催化反应动力学研究

刘姝 陈冰 倪延涛 李利 郭芳

（1.山东省滨州市环境保护科学技术研究所滨州市环境工程技术重点实验室,山东滨州 256600;2.山东省特种设备检验院滨州分院,山东滨州 256600)

光催化反应动力学研究

刘姝1陈冰2倪延涛1李利1郭芳1

（1.山东省滨州市环境保护科学技术研究所滨州市环境工程技术重点实验室,山东滨州 256600;2.山东省特种设备检验院滨州分院,山东滨州 256600)

反应动力学研究表明,无论在紫外光还是在模拟太阳光照射下TiO2、K2La2Ti3O10和H2La2Ti3O10对苯酚的氧化过程均符合一级表观反应动力学规律,在紫外光下TiO2对苯酚的去除效果最好,而在模拟太阳光的照射下H2La2Ti3O10对苯酚的降解效果最好,优于TiO2。

TiO2K2La2Ti3O10H2La2Ti3O10对苯酚 反应动力学规律 紫外光

光催化技术实现工业化的一个关键性问题就是反应器的选型和放大,这就离不开反应动力学的研究。目前,得到广泛认可的光催化降解反应的动力学模型是Langmuir-Hinshelwood(L-H)模型[1],其方程为:

式中:r——反应物的总反应速率[mg/(L·min)];

Cs——反应物的浓度(mg/L);

t——反应时间(min);

kr——反应物的反应速率常数(min-1);

K——反应物在催化剂上的吸附常数

kr和K由反应体系中许多方面的因素决定,包括催化剂的用量、光照强度、反应物的初始浓度、反应温度、反应物的物理性质、气相氧浓度等[2]。

当Cs非常低的时候,KCs＜＜1,这时KCs这一项就可以忽略不计,表观反应速率将符合一级表观反应动力学。而在反应开始的时候,t=0,Ct=C0,把这些条件代入式(1),方程式经过变形可得:

式中:kapp——一级表观反应动力学常数(min-1);

Ct——反应物给定时间的浓度(mg/L);

C0——反应物的初始浓度(mg/L);

t——反应时间,(min)

由此可知,ln(C0/Ct)-t为直线关系,表现为一级反应,而直线的斜率就是一级表观反应动力学常数。然后,一级表观反应动力学常数就可以用来计算总反应速率,进而比较不同条件下光催化反应的效率。

pH值会对光催化氧化反应产生一定的影响,有可能在强酸、强碱和弱酸性的条件下具有较高的去除效果。但是,强酸(pH=1)和强碱(pH=13)条件在实际应用中的意义不大,因此本实验在弱酸性条件下建立反应动力学方程。由于苯酚的水溶液本身呈弱酸性(20mg/L的苯酚水溶液pH值为5.3),因此不需要再调节pH值,可直接进行实验。

表1 紫外光下的反应动力学方程

表2 模拟太阳光下的反应动力学方程

表3 不同条件下光催化氧化苯酚的反应速率

1 紫外光催化反应动力学研究

量取200ml浓度为20mg/L的苯酚溶液于500ml烧杯中,加入一定量(TiO2用量为2g/L,K2La2Ti3O10和H2La2Ti3O10用量为3g/L)的催化剂,磁力搅拌,在紫外灯照射下反应150min,每隔30min取样10ml,经0.45mm的微孔滤膜过滤后测定苯酚的浓度,建立表观反应动力学方程,反应动力学方程如表1所示。

2 模拟太阳光催化反应动力学研究

量取200ml浓度为20mg/L的苯酚溶液于500ml烧杯中,加入一定量(TiO2用量为2g/L,K2La2Ti3O10和H2La2Ti3O10用量为3g/L)的催化剂,磁力搅拌,在模拟太阳光照射下反应150min,每隔30min取样10ml,经0.45mm的微孔滤膜过滤后测定苯酚的浓度,建立表观反应动力学方程,反应动力学方程如表2所示。

3 催化剂活性对比

由于光催化降解苯酚符合一级表观反应动力学方程,因此反应动力学通式可以表示为。

式中:r——反应速率[mg/(L·min)];

k——反应速率常数(min-1);

[C6H5OH]——苯酚浓度(mg/L)由式3可以计算出各种不同条件下的光催化反应速率,结果如表3所示。

由实验结果可知,在紫外光下TiO2对苯酚的降解效果最好,在模拟太阳光的照射下H2La2Ti3O10对苯酚的降解效果最好,优于TiO2。

[1]J.Chen,D.F.Ollis,W.H.Rulkens,H.Bruning.Kinetic Processes of Photocatalytic Mineralization of Alcohols on Metallized Titanium Dioxide.Water Research,1999,33(5):1173-1180.

[2]魏宏斌,徐迪民,严煦世.二氧化钛膜光催化氧化苯酚的动力学规律.中国给水排水,1999,(15):14-17.