WO3/TiO2光触媒剂对染料废水的脱色研究

据美国Color Index统计，目前使用的染料达万种之多，它们不但有特定的颜色，结构复杂，而且大多不易生物降解，具有潜在的毒性。因而高色度的染料废水处理是当前环保领域较活跃的课题之一。目前常用的染料废水处理方法有絮凝沉降法(无机絮凝[1]、有机高分子絮凝[2]、微生物絮凝[3])、电化学法[4]、氧化法(化学氧化[5]、光催化氧化[6]、超声波氧化[7])、生化法[8]、吸附法(活性炭吸附[9]、离子交换吸附[10]、天然矿物吸附[11]、煤和煤渣吸附[12])等。

光触媒剂是一种分子级的金属氧化物材料，将其涂布于基材表面，在光线的作用下，能产生强烈的催化降解功能。光催化氧化技术利用光催化剂在反应体系中产生的活性极强的自由基与有机污染物之间的加合、取代、电子转移等过程在辐照条件下使污染物降解为无机物[13,14]，是处理污染废水的有效途径。

作者在此以WO3/TiO2复合光触媒剂(即含4% WO3、96% TiO2的复合纳米光触媒剂)处理染料废水，并对其脱色条件进行了优化，比较了紫外光照射以及日光聚焦照射对模拟染料废水的脱色效果，探讨了利用太阳光的方法，为进一步利用绿色能源、降低处理成本提供了理论基础。

1 实验

1.1 试剂与仪器

WO3，国药集团化学试剂有限公司；TiO2，上海前进化学试剂厂；SRE活性艳蓝，江苏申新染料化工股份有限公司。

UV1100型紫外可见分光光度计，上海天美科学仪器有限公司；722型分光光度计，上海精密仪器厂；JB-1A型磁力搅拌器，上海雷磁仪器厂；800型离心机，上海安亭科学仪器厂；电子天平，上海越平科学仪器有限公司；石英透镜，金坛中平石英玻璃仪器厂。

1.2 方法

1.2.1 模拟染料废水的配制

准确称取0.1002 g SRE活性艳蓝溶于1 L容量瓶中，定容，摇匀，即为100.2 mg·L-1模拟废水。该废水呈蓝色，测其pH值为6.5。

1.2.2 脱色方法

准确称取一定量的WO3/TiO2复合光触媒剂于石英烧杯中，加入10.00 mL模拟染料废水，控制溶液pH值，光照条件下磁力搅拌，使光触媒剂始终处于悬浮状态；一段时间后，离心分离，取上层清液测定吸光度(A)，计算废水色度去除率。

1.2.3 分析方法

模拟染料废水的吸收光谱用紫外可见分光光度计测定，离心液吸光度用722型分光光度计测定。分别测定处理前后最大吸收波长处的吸光度值，按下式计算废水色度去除率。

式中：E为废水色度去除率；A0为模拟染料废水光催化处理前的吸光度；A1为模拟染料废水光催化处理后的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 模拟染料废水的紫外可见吸收光谱分析

图1为100.2 mg·L-1模拟染料废水的紫外可见吸收光谱。

图1 染料废水的紫外可见吸收光谱图

由图1可看出，模拟染料废水在450～700 nm范围内有一吸收峰，最大吸收波长为600 nm，吸光度值为1.075。初步实验发现pH值对模拟染料废水吸光度的影响不大，后续实验均采用该模拟废水。

2.2 WO3/TiO2光触媒剂用量对色度去除率的影响

移取10.00 mL模拟染料废水于石英烧杯中，加入WO3/TiO2光触媒剂，用0.30 mol·L-1的HCl溶液调pH值至2.5，用石英透镜聚焦2根20 W紫外灯照射1.0 h，离心分离，取上层清液测其吸光度，并计算色度去除率，结果见图2。

图2 WO3/TiO2光触媒剂用量对色度去除率的影响

由图2可看出，随着WO3/TiO2光触媒剂用量的增加，废水色度去除率逐步升高，在WO3/TiO2光触媒剂用量为3 g·L-1时，色度去除率达到最大35.43%，之后逐步下降。这可能是因为WO3/TiO2光触媒剂用量较少时，其表面的电子空穴对较少，对具有高度活性的羟基自由基的生成不利；当WO3/TiO2光触媒剂用量过多时，理论上，在极短的时间内产生了大量的羟基自由基，但由于产生的速度过快，以至于羟基自由基自身迅速发生反应而不与废水中的有机物发生作用，达不到降低废水色度的目的；另外WO3/TiO2光触媒剂用量过多也会悬浮在溶液中，影响溶液的透光率，导致色度去除率下降。因此，选择最佳WO3/TiO2光触媒剂用量为3 g·L-1。

2.3 光照时间对色度去除率的影响

移取10.00 mL模拟染料废水于石英烧杯中，加入3 g·L-1的WO3/TiO2光触媒剂，用石英透镜聚焦2根20 W紫外灯照射，离心分离，取上层清液测其吸光度，并计算色度去除率，结果见图3。

图3 光照时间对色度去除率的影响

由图3可知，色度去除率随着光照时间的延长逐渐升高，但光照超过1.0 h后，色度去除率上升速率减慢。考虑到节能问题，选择最佳光照时间为1.0 h。

2.4 废水pH值对色度去除率的影响

移取10.00 mL模拟染料废水于石英烧杯中，加入3 g·L-1的WO3/TiO2光触媒剂，用0.10 mol·L-1的HCl溶液或0.05 mol·L-1的NaOH溶液调pH值，用石英透镜聚焦2根20 W紫外灯照射1.0 h，离心分离，取上层清液测其吸光度，并计算色度去除率，结果见图4。

图4 pH值对色度去除率的影响

由图4可知，废液偏酸性较有利于光触媒剂氧化反应的进行。在pH值为2.5时，色度去除率达到最大34.85%。其原因可能是pH值太大或太小都不利于羟基自由基的稳定存在。因此，选择最佳pH值为2.5。

2.5 光照方式对色度去除率的影响

移取10.00 mL模拟染料废水于石英烧杯中，加入3 g·L-1的WO3/TiO2光触媒剂，用0.30 mol·L-1的HCl溶液调pH值至2.5，分别采用不同光照方式照射1.0 h。离心分离，取上层清液测其吸光度，并计算色度去除率，结果见表1。

表1 光照方式对色度去除率的影响

由表1可知，日光聚焦照射的色度去除率比日光照射高，与紫外光照射相差不大。这是因为聚光可以增强光的强度，透镜的直径大于石英烧杯的直径，可以将更大范围的光线强烈作用到溶液上，提高了光触媒剂的作用效果。因此，通过透镜聚光照射，日光在较短时间内也能对染料废水起到良好的脱色效果，可以代替紫外光，值得推广使用。

3 结论

(1)利用光催化氧化技术，以WO3/TiO2光触媒剂对染料废水进行脱色处理的最优化条件为：光触媒剂用量3 g·L-1、pH值2.5、用石英透镜聚光照射1.0 h。

(2)采用WO3/TiO2光触媒剂光催化氧化技术可以有效地去除染料废水的色度，表明在石英透镜聚光条件下，日光能够代替紫外光对废水进行有效的脱色处理。由于日光是最天然的绿色能源，在能源紧缺的今天，此方法值得推广应用。

参考文献：

[1] 李风亭，陆雪非，张冰如. 印染废水脱色方法[J]. 水处理技术，2003，29(1): 12-14.

[2] 李旭祥，周心艳，王世驹，等. 改性淀粉絮凝剂处理印染废水[J]. 化工环保，1994，12(5): 313-314.

[3] 胡勇有，高健. 微生物絮凝剂的研究与应用进展[J]. 环境科学进展，1999，7(4): 24-29.

[4] 贾金平，杨骥，廖军，等. 活性炭纤维电极法处理染料废水机理初探[J]. 环境科学，1997，18(6): 31-34.

[5] 崔淑兰.王峰云.铁屑-双氧水氧化法处理染料废水[J]. 环境保护，1990，(12)：10-11.

[6] 徐向荣，王文华，李华斌. Fenton试剂与染料溶液的反应[J]. 环境科学，1999，20(3)：72-74.

[7] 华彬，陆永生，唐春燕，等. 超声技术降解酸性红B废水[J].环境科学，2000，21(2)：88-90.

[8] 鲁天龙. 厌氧-好氧工艺处理印染废水技术的现状及发展[J]. 污染防治技术，1998，11(1)：12-14.

[9] 马志毅，张国洪. 处理染色废水专用活性炭研究[J].环境科学学报，1997，17(3)：328-333.

[10] 陈欣志，孟炳林，何训章，等. 离子交换纤维用于阳离子印染废水脱色治理技术[J]. 工业水处理，1989，9(4)：27-28.

[11] 陈天虎，张国生，范文元，等.凹凸棒石粘土处理印染废水研究[J]. 环境污染与防治，1995，17(1)：24-26.

[12] 肖羽堂，许建华. 利用电厂粉煤灰处理染料中间体废水[J]. 环境工程，1998，16(2)：30-33.

[13] 王成国,邓兵.纳米TiO2光催化氧化处理直接耐晒翠蓝染色废液[J].印染, 2004, 30(7): 10-12.

[14] 李晓平,徐宝琨, 刘国范, 等.纳米TiO2光催化降解水中有机污染物的研究与发展[J].功能材料, 1999，30(3):242-245.