稻壳制备介孔状二氧化硅的光催化性

2017-03-15 08:06:31 17

  染料废水是一类较难处理的工业废水。由于芳香环染料和蒽醌染料等还原性染料废水具有色度大、成分复杂、可生化性差等特点,给废水处理工艺设计、运行管理和处理难度等增加了许多困难[1,2]。在染料的生产以及使用过程中,约有10% ~20%的染料被释放到自然水体中,给生态环境和人类健康带来极大危害[3]。因此,如何有效地降解染料废水已成为环境科学研究的热点问题。目前,染料废水的处理方法主要有物理法(吸附法和膜分离法)和化学法(氧化法、絮凝法)两大类。化学法中的光催化氧化法是利用H2O2、O3 或一定量的光催化材料(如TiO2)作为催化氧化剂,通过一定能量的光照射,产生高浓度的羟基自由基来氧化废水中的染料[2]。目前国内外对光催化降解染料的研究主要集中在TiO2 或其改性材料上,其他材料的报道相对少,尤其是关于SiO2 光催化性的报道更少。传统的SiO2 由于其8.8eV的禁带宽度而被认为是光惰性材料,但纳米SiO2 中存在多种具有强紫外吸收的光活性缺陷中心,并且从紫外到可见光区域具有发光效应,使其在光学领域具有良好的使用性能[4,5]。但关于SiO2 光催化活性的研究主要集中在SiO2 晶格内引入金属离子的材料上,对纯SiO2 催化活性的研究极少。Yoshida等[6]报道,介孔状SiO2 在光照SiO2 在紫外光的照射下对甲基红染料有明显的光催化降解作用[7]。又如,载钛中孔SiO2 对废水中2,4,6-三氯苯酚的光催化降解性能高于纯的TiO2,表明SiO2 具有助光催化性和开发潜力[8]。因此,SiO2 的光催化性有待于进一步研究。目前,纳米SiO2 的合成大多用TEOS(硅酸四乙酯)的水解,成本相对高。而被称为硅酸植物的水稻的稻壳内含15%左右的SiO2,是制备附加值高的含硅材料的廉价原料[9,10]。我国水稻产量占世界稻谷总产量的约1/3左右[11]。大量的稻壳堆放在路边或进行露天焚烧,带来了一系列环境问题。如果用适当的方法对稻壳进行资源化处理,不仅解决环境污染问题,也解决资源循环利用问题。由于介孔状SiO2 具有比表面积大、壁厚、稳定性高、含有大量的孔道结构等优点,在催化、药物输送及控制释放、基因转染、重金属离子及生物分子检测等方面有着广泛的应用[12,13]。因此,本文以固体废弃物的稻壳为原料制备孔介状SiO2,再研究孔介状SiO2 在模拟太阳光灯照射下对染料代表亚甲基蓝的降解性,明确介孔状SiO2 的光催化性的基础上,探讨对亚甲基蓝催化降解的影响因素(如投药量、pH等)及其可用性。

  1 材料与方法

  本实验选用的是产自内蒙古通辽产的稻壳。首先用自来水冲洗稻壳,去除其表面的灰土等杂质,然后再用去离子水洗3遍,在105℃的干燥箱里烘4h后,用粉碎器粉碎成粉末状备用。

  1.1 仪器与试剂

  仪器:抽滤装置、紫外-可见分光光度计(UT-1901)、分析天平、循环水式真空泵(SHZ-D(III))、模拟太阳光灯(OSRAM ULTRA-VLTALUX300W)、多头加热磁力搅拌器(HJ-6)、数字式酸度计(STARTER-3C)、5mL医用注射器、0.45μm滤膜、101型电热鼓风干燥箱等。

  试剂:十六烷基三甲基溴化铵(以下简称CTAB),亚甲基蓝,氢氧化钠,以上试剂均为分析纯。

  1.2 方 法

  1.2.1 溶液的配制

  (1)5%NaOH溶液:称取固体NaOH12.5g溶解,定容到250mL;(2)0.05mol/LCTAB溶液:称取CTAB固体9.109g溶解,定容到500mL;(3)40mg/L的亚甲基蓝溶液:称取亚甲基蓝固体0.04g溶解,定容到1000mL。

  1.2.2 稻壳的消解及二氧化硅的制备

  称取10g稻壳粉末倒入聚四氟乙烯烧杯中,加入500mL浓度为5%的NaOH溶液,在50℃的水浴锅上加热8h。待溶液冷却后,用真空过滤装置分离滤液和滤渣。取100mL滤液使其pH调至6.5,在不断搅拌的条件下加入20mL浓度为0.05mol/LCTAB溶液,继续搅拌5h。等反应结束后用0.45μm的滤膜过滤得到滤渣。用超纯水洗涤滤渣3次,在800℃马弗炉中煅烧4h。

  1.2.3 二氧化硅的表征

  为确定沉淀成分,利用KBr压片法,在红外光谱仪(BRUKER TENSOR27,FT-IR)上对所得滤渣进行了分析。测定波数范围为400~4000cm-1。同时利用粉末X射线衍射仪(RigakuRINT2100)对样品进行了分析。发射源为CuKα线(40kV,20mA)。

  1.2.4 二氧化硅对亚甲基蓝的光催化降解

  分别将50mL浓度为40mg/L的亚甲基蓝溶液置于3个烧杯中。其中两个烧杯中加入相同量(100mg)的SiO2,第3个不加SiO2 作为空白溶液。测定加SiO2 前后的pH,在常温、避光条件下搅拌2h,使亚甲基蓝在SiO2 上达到吸附平衡。用模拟太阳光灯照射其中一个加SiO2 的溶液和不加硅的溶液,另一个加SiO2 的溶液置于暗处做对照样(见图1)。把达到吸附平衡的时间作为光催化反应的起始时间,每隔1h分别取3种溶液,用0.45μm滤膜过滤得到滤液,用紫外-可见分光光度计测滤液在λ=664nm处的吸光度。为明确介孔状SiO2 对亚甲基蓝的光催化降解性,对加入SiO2 并光照的滤液进行了全波段扫描测定。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。

  1.2.5 不同因素对二氧化硅光催化降解亚甲基蓝的影响

  以浓度为40mg/L的亚甲基蓝溶液为目标溶液,分别研究了SiO2 投加量和溶液pH对SiO2 光催化降解的影响。向溶液中分别加入不同量的(20~300mg)SiO2,避光条件下搅拌2h达到吸附平衡。在模拟太阳光灯的照射下继续搅拌溶液,利用分光光度法研究对光催化降解的影响。改变不同的pH,用同样的方法研究不同条件对SiO2 光催化降解亚甲基蓝的影响。
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