光沉积Fe（Ⅲ）掺杂TiO2光催化降解莠去津废水研究

张新海

（鹤壁职业技术学院，河南 鹤壁 458030）

莠去津，化学名称为2-氯-4-二乙胺基-6-异丙胺基-1,3,5-三嗪，又名阿特拉津，是一种旱地使用药剂，除草范围广泛，效果好，对植物安全，残效期短，适用于玉米、高粱等旱田作物，可防除稗草、蓝花草、苍耳、车前草、三棱草和柳蒿等，因成本低和除草效果好，成为玉米田中最常用的除草剂之一。但是近年来有许多研究报道，莠去津在自然环境介质中难降解，残留期长，存在生物蓄积等，不但对水体、土壤等会造成深远的影响，破坏环境，还可能影响到人类的健康与发展[1]。

近年来，TiO2作为一种新型光催化材料，以较好的催化性能，在环境治理方面受到众多研究者的青睐，在高效催化剂的制备、光催化作用原理研究以及固体催化剂的掺杂与改性等方面取得了许多卓越成果。但是TiO2在光催化过程中产生的光生电子和光生空穴，在迁移的过程中极易复合，导致催化效率较低，工业应用进展缓慢[2-3]。本研究利用光沉积法制备了Fe（Ⅲ）掺杂TiO2光催化剂，并探讨了催化剂催化降解莠去津的影响因素。

1 实验部分

1.1 Fe（Ⅲ）掺杂TiO2光催化剂的制备

利用光沉积法制备Fe（Ⅲ）掺杂TiO2光催化剂，在煅烧温度400℃、铁与钛的质量比为1.5%的条件下，得到Fe（Ⅲ）掺杂TiO2光催化剂。制备流程见图1。

图1 Fe（Ⅲ）掺杂TiO2光催化剂的制备流程Fig.1 Preparation process of Fe(Ⅲ)-doped TiO2 photocatalyst

1.2 实验装置与测定方法

光催化反应在自制装置中进行，反应装置见图2。

图2 TiO2光催化反应装置Fig.2 TiO2 photocatalytic reaction device

用莠去津溶液模拟废水，考察催化剂的催化性能。采用高效液相色谱法检测溶液中的莠去津含量，使用紫外检测器，设定波长为220nm，分析溶液中莠去津的含量[4-5]。按式(1)计算光催化效率，该数值越大，说明光催化的效果越好，催化剂性能越好。

式中：Ct为光催化反应后溶液残留莠去津浓度；C0为原始莠去津浓度。

2 结果与讨论

2.1 反应时间对催化效率的影响

在催化剂浓度为0.5g·L-1的反应体系中，分别反 应 2min、4min、6min、8min、10min、12min、14min、16min、18min，考察反应时间对催化剂性能的影响，实验结果见图3。从图3可知，随反应时间延长，催化效率逐渐增大，反应时间达到14min时，催化效率达到最大，再延长时间，催化效率基本不再增加。考虑到反应效率和经济性，确定反应时间14min为最佳反应时间。

图3 反应时间对催化效率的影响Fig. 3 Effect of reaction time on catalytic efficiency

2.2 催化剂使用量对催化效率的影响

实验过程中，改变Fe（Ⅲ）掺杂TiO2光催化剂的投入量，催化剂浓度为 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4g·L-1时，反应14min后，考察催化剂使用量对催化剂性能的影响，结果见图4。从图4可知，起初，随催化剂量增加，催化效率明显上升，但催化剂使用量达到0.8g·L-1后，催化效率不再上升而开始下降。这是因为加入过量的催化剂后，催化剂的大量加入影响了反应体系的透光性，使得催化反应不能彻底进行，催化效率出现下降。因此，催化反应过程中，0.8g·L-1为最佳催化剂使用量。

图4 催化剂使用量对催化效率的影响Fig.4 Effect of catalyst usage on catalytic efficiency

2.3 过氧化氢浓度对催化效率的影响

Fe（Ⅲ）掺杂TiO2光催化剂的投入量为0.8 g·L-1，向反应体系中分别加入 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4mmol·L-1的过氧化氢溶液，反应 14min后，考察过氧化氢浓度对催化剂性能的影响，结果见图5。从图5可知，随着双氧水的加入，催化效率显著增加，但双氧水浓度达到0.8mmol·L-1后，催化效率出现下降趋势。这是因为双氧水加入后，双氧水浓度较低时，自身释放出来的羟基自由基较多，可以促使莠去津的降解反应发生，但双氧水本身也会与羟基自由基结合，当双氧水浓度较大时，自身会消耗一部分羟基自由基，使得催化效率出现下降。因此，催化反应过程中，0.8mmol·L-1为最佳过氧化氢浓度。

图5 过氧化氢浓度对催化效率的影响Fig.5 Effect of hydrogen peroxide concentration on catalytic efficiency

2.4 溶液pH值对催化效率的影响

Fe（Ⅲ）掺杂TiO2光催化剂的投入量为0.8 g·L-1、过氧化氢浓度为0.8mmol·L-1条件下，调节溶液 pH 值分别为 1、2、3、4、5、6、7、8、9，反应 14min后考察催化剂的催化性能，结果见图6。由图6可知，当溶液pH值小于3时，随pH值增大，催化效率逐渐增大，但pH值超过3以后，催化效率呈现减小趋势。这是因为溶液pH太小时，催化剂负载的铁会发生析出现象，影响催化剂性能。而溶液pH=3时，反应体系中的双氧水和催化剂都比较稳定，催化效率可达到最优效果。因此，催化反应过程中pH=3是最佳溶液pH值。

图6 溶液pH值对催化效率的影响Fig.6 Effect of pH value of solution on catalytic efficiency

2.5 催化剂重复使用性能

催化剂的重复使用是考察催化剂性能的重要指标之一。实验过程中，在Fe（Ⅲ）掺杂TiO2光催化剂的投入量为 0.8 g·L-1、过氧化氢浓度为 0.8mmol·L-1、反应时间为14min、溶液pH=3的最佳反应条件下，考察催化剂的重复使用性能。实验过程中，使用过的催化剂每次都经分离、洗涤、干燥后再重复使用，结果见图7。由图7可知，在最佳反应条件下，催化剂的催化效率可达95%以上，并且催化剂使用6次后，催化效率仍基本保持不变，显示了光沉积法所制备的催化剂具有较好的稳定性和可重复使用性。

图7 催化剂重复使用对催化效率的影响Fig.7 Effect of catalyst reuse on catalyst efficiency

3 结论

采用光沉积法制备了Fe（Ⅲ）掺杂TiO2光催化剂，考察了反应时间、催化剂使用量、过氧化氢浓度、溶液pH值对催化剂性能的影响，并在最优条件下研究了催化剂的重复使用性能。研究结果表明，在反应时间14min、催化剂使用量0.8g·L-1、过氧化氢浓度0.8mmol·L-1、溶液pH=3的反应条件下，采用光沉积法制备的Fe（Ⅲ）掺杂TiO2光催化剂，处理莠去津废水的催化效率可达95%以上，催化剂循环使用6次后，催化性能下降较低，可实现催化剂的循环利用，生产过程中可以有效减少催化剂用量，节约原料，降低生产成本。