一个微型化的负载型光催化剂降解染料废水实验的设计和应用

摘要： 微型化实验是现代实验技术发展的一个方向，本文作者设计了一个简单易行一步法合成MCNT/BiOCl复合光催化材料的方法。并以此负载型光催化剂以罗丹明Ｂ为模型化合物、氙灯为模拟自然光光源，探索了其光催化性能。通过实验可使学生初步了解复合光催化材料的基本知识、常用的表征分析方法，以及环境污染物降解处理方法。实验内容涵盖材料化学、环境化学、无机材料合成、仪器分析、光催化性能测试等方面。实验内容的设置有利于培养学生的探索能力和科研能力。

关键词： 微型化实验 光催化剂 染料降解

一

环境化学实验课是化学实验的重要组成部分，侧重污染物迁移转化过程所涉及的化学实验方法、仪器分析技术和实验操作技能。通过这门课程的学习，熟练环境化学一般实验原理和方法，培养良好的实验素养，为从事环境科学和工程相关工作打下良好基础。微型化实验现代实验技术发展的一个方向，其优点：药品用量少，仪器容量小、污染降低、操作简单、现象直观、尝试过程快速安全。

负载型光催化剂光催化氧化的研究近几年取得了很大进展。选择合适的催化剂载体和固定化技术，将半导体负载在载体上，不仅可以避免出水浆液分离，而且可以增强降解的动力学和提高光的效率。最佳的催化剂/载体的选择主要从以下几个方面考虑：催化剂的种类及粒径；载体的材料；载体上催化剂的剂量；载体颗粒大小；光催化剂固定在载体上的方法；固定催化剂时的暇烧温度等。目前光催化研究主要集中在固定相光催化上，固定相光催化研究的焦点是负载型光催化剂的制备。

随着纺织印染、染料工业的不断发展，越来越多的染料被开发和利用。现今，约有1万多种不同的染料被利用，全球每年生产染料超过70万吨。在染料生产和印染过程中，有很大部分染料进人废水中，对水环境造成危害，其生产废水已成为当前最主要的水体污染源之一。

光催化氧化技术降解染料废水与传统的治理技术相比，其主要优点表现为：可以使大多数有机污染物完全破坏而不形成中间产物；有较好的普适性，几乎所有染料均可通过光催化过程得到降解，对于许多无法进行生物降解的，也可以通过光催化过程得到转化；使用空气或氧气为氧化剂，具有价廉，安全的优点，不像臭氧氯化法，使用价格高，且有毒害性的氧化剂；所使用的光催化剂具有价廉、易得等优点，且在许多介质中均表现出很好的稳定性；可以利用太阳能作光源代替UV光源对水中有机污染物进行处理；适用于低浓度污染物的治理通常可以使污染物浓度降到ppb级。此外染料本身就能吸收可见光而起到光敏剂作用效果。因此，研究光催化氧化技术处理染料废水具有重要的实际意义和应用价值，染料废水的光催化处理得到广泛而深入的研究。

二

本文中以硝酸铋，碳纳米管，含氯离子液体为反应物，在乙二醇体系中在140温度水热反应条件下制备了碳纳米管掺杂氯化氧铋光催化剂。利用现代测试方法如XRD、DRS、FT-IR等手段对催化剂的结构进行表征，并探讨了纳米粒子在可见光照射下降解有机染料模型化合物罗丹明B的活性。为有效源头控制有机染料废水提供合适的方法。

1.实验部分

（1）试剂和仪器

硝酸铋（分析纯 国药集团化学试剂有限公司）；［Omim］Cl（上海成捷化学试剂有限公司）；罗丹明B（RhB国药集团化学试剂有限公司）；碳纳米管（MCNTS 中科院成都有机所）电子分析天平（北京赛多利斯仪器有限公司）；Avatar360型FI-IR 光谱仪（美国Nicolet 公司）；紫外可见分光光度计（岛津 UV-2450）；X射线粉末衍射仪（D/max2500PC）。

（2）光催化剂的合成

（3）光催化降解实验方法

2.结果与讨论

学生在本实验过程中可以学习负载型光催化剂的合成方法，巩固掌握固体称量、液体量取、催化剂洗涤等基本操作，并学习紫外可见分光光度计、红外光谱和DRS的使用和操作方法。学习标准曲线建立的方法。建议用于学生实验的复合型光催化剂合成最佳条件为：140度水热条件合成，MCNT的质量占总质量的0.5%。当催化剂用量为0.1 g·l，RhB初始浓度为10 mg·l时，对罗丹明Ｂ染料降解的效果最佳，0.5 h后RhB降解率为96％。

光催化技术已经在环境难降解污染物、光解水、光催化杀菌、抗菌等环境保护、卫生保健、清洁能源领域得到了广泛应用。本实验利用少量的实验试剂进行微型化实验创新，可以让学生了解环境污染物控制的新方法，使学生在学习环境化学基础知识的同时，提高环境保护意识，增强环保责任感。

参考文献：

［1］A.Kongkanand，P.V.Kamat，Elextron storage in single wall carbon nanotube：Feri level equilibration in semiconductor-SWCNT suspensions，ACS Nano［J］. 2007，1：13-21.

［2］陈龙武，冯颖，甘礼华，胡惠康，盛闻超，王玉栋. TiO2光催化实验研究技术［J］. 实验室研究与探索，2003，22：44-46.

［3］刘睦清，黄筱琴. 积极推动微型化学实验在高校的普及与提高［J］.上饶师范学院学报，2005，03：45-47.