SnO2 / 钛酸钠纳米管降解甲基橙的影响因素分析

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摘要：以sno2/钛酸钠纳米管为催化剂对甲基橙进行光催化降解，研究甲基橙浓度、溶液pH、光源、催化剂用量、循环次数及光照时间对降解率的影响。结果表明，在甲基橙浓度为5 mg/L、pH 5.15、溶液体积为50 mL时投加0.03 g的催化剂，紫外光照射80 min后，甲基橙的降解率达到96.4%。

关键词：SnO2/钛酸钠纳米管；光催化降解；甲基橙；影响因素

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）10-2299-03

近几十年来，随着纺织工业的发展，大量染料废水引起的水体污染越来越严重，直接危害着人类的健康与生存[1]。染料废水由于含有大量的有机物，并且存在毒性大、难降解的弊端，因此是近年来研究的一个热点问题。甲基橙是染料废水中存在的一种典型的有机物，很难用生物法降解。由于光催化技术能够利用太阳光将有机物直接降解，因此，该技术逐渐引起环境工作者的关注[2，3]。钛酸钠纳米管有大的比表面积，并且管状结构有利于电子-空穴对的分离[4-8]，同时由于SnO2与钛酸钠纳米管的能级匹配，二者进行复合将进一步加强电子和空穴的分离效率，提高光催化效果。鉴于此，以SnO2/钛酸钠纳米管为光催化剂对甲基橙进行降解，并对影响降解率的因素进行了研究，以期为环境净化提供新的功能材料。

1 材料与方法

1.1 SnO2/钛酸钠纳米管催化剂的制备

参考文献[9]的方法制备钛酸钠纳米管。将钛酸钠纳米管超声分散到400 mL去离子水中，再加入适量的SnCl2·H2O，磁力搅拌反应2 h后滴加一定量的氨水。继续反应12 h，经过滤后用去离子水反复清洗，于90 ℃干燥6 h制得SnO2/钛酸钠纳米管。

1.2 光催化性能测试

取一定量的SnO2/钛酸钠纳米管加入到一定初始浓度的50 mL甲基橙溶液中，光照一定时间后，离心分离，取上清液用722型紫外-可见分光光度计测定样品的吸光度。甲基橙的降解率用下式计算：

降解率=■ （1）

分别在不同的甲基橙初始浓度、溶液pH、光源、催化剂用量、循环次数及光照时间下测定催化剂对甲基橙的降解率。

2 结果与分析

2.1 标准曲线的绘制

为了用分光光度法测定光催化后溶液中甲基橙的浓度，绘制的甲基橙标准曲线如图1，其回归方程为■=0.072 6x+0.118 0，r2=0.999 3。

2.2 甲基橙初始浓度对降解率的影响

为了考查甲基橙初始浓度对光催化效果的影响，绘制了甲基橙降解率随初始浓度变化的关系曲线如图2。由图2可知，甲基橙初始浓度越高，甲基橙的降解率越低；甲基橙初始浓度越低，甲基橙的降解率越高。这可能是因为甲基橙初始浓度较高时，大量的甲基橙分子吸附在催化剂的表面，使催化剂表面的活性位置减少，因此，甲基橙初始浓度较高时光催化效率较低；当甲基橙初始浓度较低时，甲基橙分子与催化剂表面有充分的接触机会，因此，此时的降解率较高。当甲基橙初始浓度为5 mg/L时，甲基橙的降解率最高，因此，选择5 mg/L为试验的甲基橙最佳初始浓度。

2.3 光源对甲基橙降解率的影响

为了选择最佳光源，采用紫外灯、太阳光、日光灯和暗态进行光催化降解甲基橙对比试验，结果如图3所示。从图3可以看出，在无外界光源即暗态情况下，甲基橙的降解率几乎为零，即催化剂在暗态下对甲基橙没有催化效果。甲基橙在太阳光和日光灯照射下的降解率远小于在紫外灯照射下的降解率，这主要是因为所用的催化剂为宽带隙半导体材料，只对紫外光有吸收，而对可见光没有响应，而太阳光和日光灯照射下的紫外光强度有限，因此，太阳光和日光灯照射下甲基橙的降解率不高，因此，试验中选择紫外灯为最佳光源。

2.4 pH对甲基橙降解率的影响

图4为在不同pH下甲基橙的降解曲线。从图4可以看出，甲基橙的降解效果为弱酸>强酸>弱碱>中性>强碱。与李秀艳等[10]报道的结果相悖，导致这种差异的原因有待进一步研究。当pH 5.15时，甲基橙的降解率最高，因此，试验中选择溶液的pH 5.15。

2.5 催化剂用量对甲基橙降解率的影响

为了研究催化剂用量对甲基橙降解率的影响，图5给出了甲基橙降解率与催化剂用量的关系曲线。从图5可以看出，随催化剂用量的增加，甲基橙的降解率增加，在催化剂用量为0.03 g时，光催化效果最好。主要是因为当催化剂用量较少时，甲基橙分子不能与催化剂充分接触，因此，降解率不高；当催化剂用量增加时，甲基橙分子与催化剂表面接触几率增大，故此时降解效果较好。鉴于此，试验中选择催化剂用量为0.03 g。

2.6 光照时间对甲基橙降解率的影响

综合前面的试验结果，选择最佳的试验条件，即甲基橙初始浓度为5 mg/L、pH 5.15、溶液体积为50 mL时投加0.03 g的催化剂，紫外光照射条件下研究甲基橙的降解率与光照时间的关系，结果如图6所示。由图6可知，甲基橙的降解率随光照时间的增加而增加，光照80 min时，甲基橙的降解率达到96.4%。

2.7 催化剂重复使用活性的测定结果

为了研究回收后的催化剂对甲基橙的降解效果，图7给出了甲基橙的降解率随催化剂循环使用次数变化而变化的关系。从图7可以看出，循环8次后，催化剂的光催化活性较第一次使用时降低了1.3%，说明该催化剂的活性稳定，表现出良好的可回收再利用性。

3 结论

试验结果表明，当溶液pH 5.15、甲基橙初始浓度为5 mg/L、催化剂的投加量为0.03 g时，紫外光照射80 min后甲基橙的降解率达到96.4%；该催化剂活性稳定，可以多次回收利用。因此，SnO2/钛酸钠纳米管光催化材料在环境净化方面具有广阔的发展前景。

参考文献：

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