波长与辐射强度对活性艳蓝KN－R光催化降解的影响

杨 俊，刘 恋，曾庆福

(1.武汉纺织大学 纺织印染清洁生产教育部工程研究中心，湖北 武汉 430073;

2.南京大学 生命科学学院，江苏 南京 210093)

研究报告

波长与辐射强度对活性艳蓝KN－R光催化降解的影响

杨 俊1，2，刘 恋1，曾庆福1

(1.武汉纺织大学 纺织印染清洁生产教育部工程研究中心，湖北 武汉 430073;

2.南京大学 生命科学学院，江苏 南京 210093)

以TiO2为光催化剂，分别测定了365 nm和254 nm两种紫外光源波长及辐射强度对活性艳蓝KN－R模拟废水处理效果的影响。实验结果表明:在波长365 nm紫外光源照射2 h后，活性艳蓝KN－R降解率达69.1%，活性艳蓝KN－R的降解可用二级反应速率方程拟合;在波长254 nm紫外光源照射1 h后，活性艳蓝KN－R降解率达93.9%，活性艳蓝KN－R的降解可用一级反应速率方程描述;在两种光源照射下，表观反应速率常数均随着辐射强度增加而增大。

波长;辐射强度;活性艳蓝KN－R;光催化;废水处理

蒽醌染料是目前印染行业中用量第二大的染料，因颜色鲜艳，所以在红、紫、蓝、绿等深色染料中占有无可取代的重要地位［1］。然而由于蒽醌分子结构中两侧的苯环同时受两个羰基影响，导致其芳香结构不易被破坏，使得蒽醌染料废水毒性大、可生化性差(BOD5/COD ＜ 1)，且脱色较慢［2－3］。因此，需要开发对该类废水行之有效的处理新工艺，以满足越来越严格的环保排放标准。

光催化氧化技术是一种高级氧化技术，是近年来涌现的众多新技术、新工艺中对生物难降解废水进行处理(特别是预处理)最有效的方法之一，近年来引起了越来越多的关注［4－7］。然而，该技术要实现工业化应用仍然面临TiO2光量子效率低及悬浮态催化剂易流失等瓶颈问题。因此对于TiO2本身的研究成了解决问题的焦点［8－12］。而光源作为光催化氧化方法中极为重要的一个组成部分，其研究极为有限［13－20］。近年来，也有部分应用新型光源进行光催化降解生物难降解污染物的报道，但从本质上讲，光源对光催化的效果的影响主要体现在光照的强度与波长上，因此研究不同波长条件下各种类型污染物的光催化降解动力学具有很强的现实意义。

本工作研究了两种紫外光源波长及辐射强度对活性艳蓝KN－R光催化降解效果的影响。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

活性艳蓝KN－R:天津化工试剂采购供应站;TiO2催化剂:P25，德国 Degussa公司;活性艳蓝KN－R模拟废水:质量浓度为50 mg/L。

UV－1201型紫外－可见分光光度计:北京瑞利分析仪器有限公司;BT3235型电子天平:北京赛多利斯仪器系统有限公司;PHS－25B型精密酸度计:上海大普仪器有限公司;紫外光源:4W，主要发射波长分别为254 nm和365 nm，北京电光源研究所;KQ－200KDE型超声清洗器:昆山市超声仪器有限公司;LDZ4－0.8A型离心机:北京医用离心机厂;UVA/UVB型紫外照度计:北京师范大学光电仪器厂;CJJ78－1型磁力搅拌器:金坛市晓阳电子仪器厂。

1.2 实验方法

各试样的废水体积为20 mL、TiO2加入量为0.8 g/L，分别用紫外灯照射(通过调节光源与废水之间的距离控制辐射强度)，匀速持续搅拌。反应一定时间后，各试样依次离心分离30 min，取上清液在594 nm下测定吸光度，计算废水质量浓度。两种光源的发射光谱谱图见图1。辐射强度通过紫外照度计测量。

2 结果与讨论

2.1 活性艳蓝KN－R在波长254 nm下的光催化降解

在波长为254 nm紫外灯照射下，辐射强度对废水质量浓度的影响见图2。由图2可见，随波长254 nm下辐射强度增大，降解60 min后，废水质量浓度逐渐减小。通过模拟计算发现:在波长254 nm不同辐射强度下，光催化对活性艳蓝KN－R的降解很好地吻合一级反应动力学方程，见式(1)。

式中:r为降解速率，mg/(L·min);ρ为活性艳蓝KN－R在废水中的质量浓度，mg/L;K'app为假一级反应表观速率常数，min－1;t为反应时间，min。

－ln(ρ/ρ0)与反应时间的关系见图3。活性艳蓝KN－R质量浓度变化曲线可经非线性拟合，见式(2)。

式中:ρ0为废水初始质量浓度，mg/L。通过式(2)可求出不同辐射强度下的K'app。实验结果表明，在本实验条件下，K'app与辐射强度I之间成正比，并满足直线方程式(3)。

这表明，在废水初始质量浓度不变的情况下，随着波长254 nm辐射强度的增加，K'app明显增加，半衰期由 1.06 mW/cm2时的 47.48 min－1明显降低到 6.61 mW/cm2时的 23.90 min－1。在辐射强度为6.61 mW/cm2时，光照60 min后废水质量浓度为3.05 mg/L，计算得活性艳蓝 KN－R降解率达93.9%。

2.2 活性艳蓝KN－R在波长365 nm下的光催化降解

在波长为365 nm的紫外灯照射下，辐射强度对废水质量浓度的影响见图4。由图4可见，随波长365 nm辐射强度增大，降解120 min后，废水质量浓度逐渐减小。通过模拟计算发现:在波长365 nm不同辐射强度下，对活性艳蓝KN－R的降解很好地吻合二级反应动力学方程，见式(4)。

式中，K″app为二级反应表观速率常数，min－1。

1/ρ与反应时间的关系见图5。通过式(4)可求出不同辐射强度下的K″app。实验结果表明，在本实验条件下，辐射强度I与K″app成正比，见式(5)。

这表明，在废水初始质量浓度不变的情况下，随着波长365 nm辐射强度的增加，K″app明显增加，半衰期由 0.33 mW/cm2时的 181.82 min－1明显降低到 3.23 mW/cm2时的 54.05 min－1。在辐射强度为3.23 mW/cm2时，光照120 min后废水质量浓度为15.45 mg/L，计算得活性艳蓝KN－R降解率达69.1%。

2.3 不同波长紫外光的光量子效率对比

在365 nm和254 nm两个波长紫外光照射下，365 nm波长的入射光辐射强度约为254 nm波长入射光的31%～49%。由图3和图5可见:活性艳蓝KN－R在254 nm下的反应速率却比365 nm下高出2个数量级;在254 nm辐照强度为2.73 mW/cm2时，由式(2)计算得活性艳蓝KN－R的降解半衰期为36.67 min－1，而在365 nm 辐照强度为3.23 mW/cm2时，由式(4)计算得活性艳蓝KN－R的降解半衰期为54.05 min－1，同时由于单个254 nm下光子的能量大于365 nm下光子的能量，说明总体入射的254 nm下光子数更少，由此说明，即使254 nm下的辐照强度更低，其对活性艳蓝KN－R的降解半衰期却更短，因此，254 nm辐照下的光量子效率比365 nm辐照下的光量子效率要高很多。

3 结论

a)活性艳蓝KN－R在不同波段紫外光照射条件下，其降解动力学机理是不同的，254 nm比365 nm具有更高的光量子效率，对活性艳蓝KN－R的降解效率也更高。

b)在365 nm波长紫外光照射下，活性艳蓝KN－R的降解动力学过程符合表观二级动力学方程，二级表观速率常数与辐射强度之间呈直线关系。在辐射强度为3.23 mW/cm2时，光照120 min后废水质量浓度为15.45 mg/L，活性艳蓝KN－R降解率达69.1%。

c)在254 nm波长紫外光照射下，活性艳蓝KN－R的降解动力学过程符合表观一级动力学方程，一级表观速率常数与辐射强度之间呈直线关系。在辐射强度为6.61 mW/cm2时，光照60 min后废水质量浓度为3.05 mg/L，活性艳蓝KN－R降解率达93.9%。

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Effects of Wavelength and Radiation Intensity on Photocatalytic Degradation of Reactive Blue KN-R

Yang Jun1，2，Liu Lian1，Zeng Qingfu1

(1.Engineering Research Center for Cleaner Production of Textile Printing and Dyeing，Ministry of Education，Wuhan Textile University，Wuhan Hubei 430073，China;2.School of Life Science，Nanjing University，Nanjing Jiangsu 210093，China)

Simulated reactive blue KN-R wastewater was treated using TiO2as photocatalyst and two UV light sources with 365 nm and 254 nm of wavelength.The effects of wavelength and radiation intensity were studied.The experimental results show that:After radiation under 365 nm UV-light for 2 h，the degradation rate of reactive blue KN-R is 69.1%，and the degradation of reactive blue KN-R can fit the second order reaction rate equation;After radiation under 254 nm UV-light for 1 h，the degradation rate of reactive blue KN-R is 93.9%，and the degradation of reactive blue KN-R can fit the first order reaction rate equation;Under radiation with these two UV light sources，the apparent reaction rate constants are both increased with the increasing of radiation intensity.

wavelength;radiation intensity;reactive blue KN-R;photocatalysis;wastewater treatment

X703.1

A

1006－1878(2011)03－0193－04

2010－12－21;

2011－01－21。

杨俊(1976—)，男，湖北省枝江市人，博士，讲师，研究方向为工业废水的物化处理技术。电话 027－87611776，电邮 jun_yang@wtu.edu.cn。联系人:曾庆福，027 －87611776，电邮 qfzeng@vip.sina.com。

国家自然科学基金资助项目(50978208);国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2009AA063904)。

(编辑 张艳霞)