复合光催化剂T i O2/麦饭石光催化降解氨氮应用研究

杜艳华 张克伟（黑龙江昊华化工有限公司,黑龙江 齐齐哈尔 161000）

近30年来研究表明，半导体多相光催化处理污染废水，能耗低、操作简便、反应条件温和、无二次污染等突出优点，具有广阔的应用前景[1，2]。此领域的新技术发展及应用于光催化降解环境污染物日益受到重视。目前已有一些研究者选择了包括陶瓷、多孔硅胶等作为载体，来研究二氧化钛的固化，利用复合物多孔的比表面积和强吸附性来增强其光催化活性。天然麦饭石在我国分布资源丰富，具有很强的物理吸附性能和离子交换性能[3]，有研究显示它能吸附水中大量有毒物质，同时可以在水中溶出一些对水生生物有益的微量元素。

随着我国经济建设的发展，氨氮污水排放量近年急剧上升。据中国环境状况公报(2009年)，氨氮成为长江的首要污染物，同时也是黄河、珠江、松花江、海河和辽河的主要污染物，氨氮作为一项新增的减排约束指标被列入了“十二五”规划，控制氨氮排放量已经成为改善水体水质的关键。在此宏观背景下，光催化技术去除水中氨氮的应用研究也得到更为广泛的关注。

1 复合光催化剂TiO2/麦饭石样品的制备

分称取一定量的天然麦饭石样品若干份（60目），采用溶胶-凝胶法将二氧化钛负载于其表面，再经不同条件热处理后得到复合光催化剂TiO2/麦饭石样品若干份。取上述样品进行光催化有机染料性能测试，本研究选取测试效果最佳样品。

2 氨氮降解率最优条件的确定

影响光催化处理氨氮废水的因素很多，由前期实验观察，结合实际情况，在反应体系中选取对氨氮降解效率产生较大影响的实验条件：包括pH值、氨氮初始浓度、反应时间、催化剂用量、外加氧化剂用量等等，将这些变量作为实验需要考察的影响因子，再结合实际选择具有代表性的三个水平条件，进行L9（34）正交实验设计，完成实验并根据实测数据分析上述各因子对光催化降解率的影响显著程度，进一步优化反应条件。配制的不同浓度的氨氮溶液100mL，加入负载TiO2/麦饭石复合催化剂，按照设计方案控制系列反应进行，采用纳氏比色法测定降解反应后剩余氨氮浓度。在反应进行60 min后，氨氮降解率迅速提高，到达150 min之后降解率趋于平稳。从实用化角度出发，反应时间不宜过长，本研究确定的反应时间控制在200 min之内。本实验在室温21℃下进行。

对上述正交实验采用极差值分析法，可以确定各因子影响程度由强及弱排序为初始pH值＞紫外作用时间＞催化剂用量＞H2O2用量。同时也可以判断本研究条件下去除氨氮的相对最优条件是：pH值为10、催化剂用量为3g/L、H2O2(30%)用量为2mL、反应时间是180 min。当四项因素指标在各自水平范围内波动时(pH值取8-12、催化剂1-3g/L、H2O22-6 mL、反应时间120-240 min)，各个因子的影响力由强到弱排序为：pH值、反应时间、催化剂投加量、H2O2添加量。

3 降解废水中氨氮应用

由从以上实验结果，可以得出复合光催化剂负载TiO2/麦饭石降解氨氮在本研究下的最佳反应控制条件。在此最佳条件下，对100mL的某企业工业废水水样（经实测氮氮浓度为38.7mg/L）进行光催化降解试验，在反应进行150min时测得氨氮浓度为17.5 mg/L，180min时氨氮浓度为7.2 mg/L（氨氮去除率81%）。可见，《经复合光催化剂负载TiO2/麦饭石处理后的废水样品残余氨氮浓度，能够达到《污水综合排放标准》(GB8978—1996)中规定的氨氮一级排放标准为15mg/L，，体现了该最优条件的有效性和可靠性。

4 结语

复合光催化剂负载TiO2/麦饭石用于降解低浓度氨氮，在反应初始阶段降解率较高，反应达一定时间后降解趋缓；pH值对降解过程有重要影响：当pH≤7时降解反应几乎不发生，氨氮主要以NH4+形式存在于水溶液中，pH＞7时，随着pH值在一定范围的增大，对氨氮降解率逐渐增加，NH3是此时氨氮的主要存在形式；光催化剂用量存在相对适宜范围：当催化剂用量低于临界值，不足以用于降解氨氮，降解不明显；当催化剂用量高于临界值，降解率也会下降，这是由于溶液浊度过高导致反应体系的透光率下降，影响光催化反应进行。通过设计正交实验四因素三水平L9（34），可以确定本研究范围内最优实验条件：pH值10、催化剂投加量3g/L、H2O2(30%)投加量2mL、反应时间180min。

[1]K.chiang,R.amal,T.Tran.photocatalytic oxidation of cyanide kinetic and mechanistic studies[J].Jouranl of molecular catalysis A:Chcmical,2003,193:285-297.

[2]叶映雪.人造沸石负载二氧化钛薄膜光催化降解酸性湖蓝A和酸性橙Ⅱ的研究[J].光谱实验室,2003,20(1):62-66.

[3]王浙临.化学通报,1988,(9):31-32.