罗丹明B的ZnO膜光催化降解

摘要：采用纳米ZnO膜为催化剂对罗丹明B进行光催化降解试验。研究溶液pH、罗丹明B初始浓度、H2O2、膜的层数及光照时间对罗丹明B降解效果的影响，确定ZnO膜光催化降解罗丹明B的最佳参数。结果表明，酸性环境可以提高ZnO膜的光催化活性；罗丹明B初始浓度越低光降解的速度越快；H2O2可提高罗丹明B的降解速度；三层膜对罗丹明B的降解率高于单层膜的降解率。采用三层膜为催化剂，在35 mL初始浓度为5 mg/L、pH 1.46的罗丹明B溶液中加入适量的H2O2水溶液后进行光降解，紫外光照射60 min后，罗丹明B的降解率达到99.6%。

关键词：ZnO膜；光催化；降解；罗丹明B

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）14-3294-03

随着工业化的发展和城镇化进程的加快推进，排放的污水越来越多，严重危害着人类的身体健康[1]，也制约着经济的可持续发展，污水处理成为每一个地方必须解决的问题。传统处理污水的方法主要有： 物理法、生物降解法及化学法，但降解效果不理想。近些年发展的半导体光催化技术是一种先进的氧化技术[2，3]，它是将半导体催化剂与某些光源结合共同作用于废水进行催化降解，相对于传统废水处理技术具有高效节能，且能彻底降解废水中绝大部分有机物等优点[4]，所以受到环境及材料研究者们的广泛重视。据文献[5，6]报道ZnO相对于传统半导体材料TiO2有着更高的光催化活性，其应用研究受到普遍关注。

ZnO光催化机理为光照射时其价带上的电子被激发到导带，从而形成电子-空穴对，空穴是强氧化剂，它能将吸附在其表面上的OH-氧化成OH·自由基，该自由基是强氧化剂，可以氧化相邻的有机物且可以扩散到液相中氧化有机物，最终将有机物氧化成CO2完成降解过程[7]。电子-空穴对在ZnO表面容易发生简单复合从而降低了ZnO的光催化性能，由于氧化剂是有效的电子俘获剂，且能提高光催化氧化的速率和效率。鉴于此，采用纳米ZnO膜为催化剂外加H2O2对罗丹明B进行光催化降解试验。研究了溶液pH、罗丹明B初始浓度、H2O2、膜的层数及光照时间对罗丹明B降解效果的影响，确定ZnO膜光催化降解罗丹明B的最佳参数。

1 材料与方法

1.1 材料

醋酸锌，南昌华通化工试剂有限公司，分析纯；乙醇和盐酸，郑州中天实验仪器有限公司，分析纯；罗丹明B，深圳市高山化工有限公司，分析纯；去离子水，自制。721型紫外-可见分光光度计。

1.2 ZnO膜的制备

采用文献[8，9]的方法制备ZnO溶胶。将ZnO胶体浇铸到预先洗净的载玻片上，通过自然延流形成一层膜，在烘箱中于90 ℃烘10 min后可制备出不同层数的ZnO膜。将ZnO膜在300 ℃焙烧2 h待用。

2.1 罗丹明B初始浓度对其降解率的影响

在相同条件下，对不同浓度的罗丹明B进行光催化降解，结果如图1所示。由图1可知，罗丹明B初始浓度为5 mg/L时的降解率高于初始浓度为12.5 mg/L时的降解率。这是因为催化剂的吸附能力有限，当催化剂对罗丹明B的吸附达到饱和时，过量的罗丹明B分子游离于溶液中，无法与催化剂接触，同时由于罗丹明B是有色溶液，过高的浓度阻挡了入射光的透过，从而减小催化剂对紫外光的吸收，进而影响光生电子-空穴对的数量，这两种因素共同导致高浓度时的降解率低于低浓度时的降解率。

2.2 ZnO膜层数对罗丹明B降解率的影响

采用在相同条件下处理的ZnO单层膜与三层膜对初始浓度为5 mg/L的罗丹明B进行光降解，研究催化剂用量对罗丹明B降解率的影响，结果如图2所示。由图2可见，三层膜时的降解率大于单层膜时的降解率。这可能是因为单层膜在焙烧的过程中变成了类似蜂窝状的膜，孔洞的位置没有ZnO，致使实际膜的面积减小，因此，催化剂与罗丹明B的接触面积也随之减小，进而影响了催化剂对罗丹明B分子的吸附；而三层膜在焙烧膜变的不均匀的情况下，但仍覆盖了整个玻璃基底，因此三层膜对罗丹明B的吸附能力大于单层膜，故三层膜对罗丹明B的降解率高于单层膜对其的降解率。

2.3 pH对罗丹明B降解率的影响

罗丹明B溶液的pH采用HCl溶液和NaOH溶液调节，光催化性能测试结果如图3所示。由图3可见，溶液的pH对罗丹明B的降解率由高到低为酸性、中性、碱性。这是因为加入到溶液中的H+或OH-可以改变催化剂表面的电荷特性和吸附性能及被降解物的存在形式[10]，进而影响催化剂的活性。当溶液中有大量H+存在时，基底上的ZnO带正电，促使光生电子向ZnO膜迁移，而光生空穴则与水中的羟基结合生成具有强氧化作用的羟基自由基，从而提高催化剂的活性；当溶液中有大量OH-存在时，ZnO表面带负电，由于罗丹明B本身带正电，碱性环境虽提高了催化剂对罗丹明B分子的吸附能力，但是带负电的ZnO层会吸附光生空穴，减少了溶液中羟基自由基的密度，因此，碱性环境中反而不利于提高催化剂的活性。

2.4 H2O2对罗丹明B降解率的影响

为了研究H2O2对罗丹明B降解率的影响，图4给出了有H2O2及无H2O2时罗丹明B的降解率随光照时间的变化而变化的关系曲线。由图4可以看出，H2O2加快了罗丹明B的降解速度，这是因为H2O2与水中的OH-结合生成具有强氧化作用的羟基自由基，而羟基自由基具有强氧化作用，能将溶液中的罗丹明B分子氧化分解，从而提高了催化剂对罗丹明B的降解率。

2.5 光照时间对罗丹明B降解率的影响

向35 mL初始浓度为5 mg/L、pH 1.46的罗丹明B溶液中加入适量的H2O2水溶液，紫外光照射下测定光照时间对罗丹明B降解率的影响曲线，结果如图5所示。由图5可见，罗丹明B的降解曲线在光照的初始阶段变化较快，随光照时间的延长，曲线变得越来越平缓。当光照60 min时罗丹明B的降解率达到99.6%。

3 结论

ZnO膜对罗丹明B光降解结果表明，罗丹明B初始浓度、膜的层数、pH、H2O2及光照时间对罗丹明B的降解率均有一定程度的影响。在紫外光的照射下，采用ZnO三层膜为催化剂，罗丹明B初始浓度为5 mg/L、pH 1.46时对罗丹明B进行光降解，60 min后其降解率达到99.6%。

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