无机离子对Fe(III)体系光降解罗丹明B的影响

2017-06-06欧晓霞张凤杰王驭晗邓丽君

大连民族大学学报 2017年3期

关键词：光降解罗丹明无机

欧晓霞，张凤杰，王驭晗，邓丽君

(大连民族大学环境与资源学院，辽宁大连 116605)

无机离子对Fe(III)体系光降解罗丹明B的影响

欧晓霞，张凤杰，王驭晗，邓丽君

(大连民族大学环境与资源学院，辽宁大连 116605)

Fe(III)；罗丹明B；光降解；阴离子

近年来，随着印染工业的发展和染料的大量使用(特别是偶氮染料的使用)，印染废水的处理成为人们关注的焦点。目前对印染废水的降解方法主要以氧化降解居多，如臭氧氧化[1]、光芬顿氧化法[2]以及光催化氧化法[3]等。但由于印染废水成分复杂，含有多种无机离子，这些离子在不同的条件下对催化剂造成的影响也不同，有的对反应起促进作用，有的则能够抑制反应的进行[4]。因此，研究无机离子对光催化印染废水降解的影响十分必要。

1 材料与方法

1.1 仪器及试剂

UV 2450型紫外-可见分光光度计(日本岛津公司)，PHS 25型酸度计(上海精密科学仪器有限公司)，78-1 磁力加热搅拌器(江苏金坛市医疗仪器厂)，300 W氙灯(λ>290 nm，北京汇亿鑫电光源技术开发有限公司)；罗丹明B、硝酸铁、盐酸、氢氧化钠、1,10-邻菲啰啉、乙酸铵、冰醋酸、氯化钙、碳酸氢钠、水合硫酸锰，均为分析纯。实验中均用超纯水(18.2 MΩ·cm)配制溶液和进行反应。

1.2 方法

称取罗丹明B试剂，配成100 mg·L-1的储备液，在冰箱中避光保存。取一定体积的罗丹明B溶液，加入不同浓度的Fe3+，用HCl或NaOH调节pH，将反应混合液转移到氙灯光源下并开始计时，在固定时间取出水样快速分析。实验都是在20 ℃且氙灯照射下进行。

罗丹明B(RhB)的去除率：用分光光度计在波长552 nm处测定其吸光度值。根据反应前后样品吸光度值的变化求得去除率，计算公式为

去除率=(1-At/A0)×100% 。

(1)

式中，A0为反应前吸光度值；At为反应tmin后吸光度值。

Fe(II)浓度的测定：采用邻菲啰啉法。

Fe(II)浓度标准曲线的绘制：将Fe2+储备液配制成浓度c分别为0、0.01、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 mmol·L-1的溶液，各取2 mL，分别加入1 mL醋酸-醋酸铵缓冲溶液和0.4 mL邻菲啰啉溶液，用水稀释至10 mL，显色5 min后，在510 nm波长处测定吸光度A，绘制Fe(II)浓度标准曲线。Fe(II)浓度c与吸光度A的关系为

A=2.321 8c-0.009 2。

(2)

其中，R2=0.995 5。用于Fe(II)浓度分析的样品取样后立即按照上述方法进行显色反应，10 min后测定吸光度。

2 结果与讨论

2.1 不同浓度的Fe(III)对RhB光降解的影响

控制RhB浓度为10 mg·L-1，溶液的初始pH=3.6，反应时间120 min，不同浓度的Fe(III)对RhB光降解的影响如图1。

图1 不同浓度的Fe(III)对罗丹明B光降解的影响

有研究表明，Fe(III)在弱酸性环境中，在紫外光照射下可以发生光降解反应产生羟基自由基(·OH)[5-6]：

Fe(OH)2++ hv → Fe2++ ·OH。

(3)

·OH具有强氧化性，能够与难降解性有机物发生作用。由图1可以看出，Fe(III)的初始浓度为0.1、0.2、0.5、1.0 mmol·L-1时，对应的RhB去除率分别为39%、59%、95%、97%。说明随着Fe(III)浓度的增加，产生的·OH增多，加速了RhB的降解，使得RhB降解率明显增大。但当Fe(III)浓度从0.5 mmol·L-1增加到1.0 mmol·L-1时，RhB去除率变化不大。

2.2 初始反应pH值对RhB光降解的影响

控制Fe(III)的投加量为0.5 mmol·L-1、RhB浓度为10 mg·L-1、反应时间为120 min，分别考察溶液的初始pH值为2.4、3.3、3.6、4.4和5.4时RhB降解的影响，结果如图2。

图2 初始反应pH值对RhB光降解的影响

在pH=3.6时，光催化降解RhB的效果最好，pH值过大或过小都不利于罗丹明B的降解。有报道显示，pH在3～4的范围内，Fe(III)主要以Fe(OH)2+型体存在[7]，其羟基型体促进了Fe(III)向Fe(II)的转化(式3)，同时伴随着·OH的生成，从而提高了RhB的降解效率。中性和碱性条件下Fe(III)会逐渐转化为铁氧化物沉淀，处理效率很低。

2.3 反应溶液的初始浓度对罗丹明B的降解影响

在Fe(III)的初始浓度为0.5 mmol·L-1，pH=3.6，反应时间为105 min时，研究罗丹明B的初始浓度对光降解效率的影响，结果如图3。

图3 溶液初始浓度对罗丹明B降解的影响

随着RhB初始浓度的增加，罗丹明B的降解率逐渐下降。当罗丹明B的初始浓度为5 mg·L-1时，反应60 min的去除率达到91%，而反应105 min时去除率几乎达到100%；当罗丹明B的初始浓度增加至10、15、20 mg·L-1时，反应105 min的去除率分别为91%、81%和65%。原因是RhB的初始浓度较低时，Fe(III)在弱酸性环境中，在光的照射下产生的·OH足以把RhB完全氧化降解，因而其降解率较快且较大。而随着RhB初始浓度的增加，溶液的透光性逐渐下降，影响Fe(OH)2+对光的吸收，因而产生的·OH浓度较低，影响了RhB的降解。

2.4 无机阴离子的存在对RhB降解的影响

2.4.1 Cl-的加入

在RhB的浓度为10 mg·L-1、Fe(III)的浓度为0.5 mmol·L-1、pH=3.6、反应时间为120 min的条件下，分别加入0、0.5、1.0、2.0、5.0 mmol·L-1的Cl-后，反应120 min，RhB的去除率和生成Fe(II)浓度随Cl-浓度的变化而变化的情况如图4。

图4 加入Cl-对RhB降解的影响

随着Cl-浓度的增加，RhB的去除率和Fe(II)的浓度不断的下降。Cl-抑制RhB降解的原因可能有两点：一是，Cl-可以和·OH反应[8]:

Cl-+h+→ Cl·+H+；

(4)

(5)

形成与RhB竞争·OH的局面，因此，Cl-的存在降低了RhB的去除率。二是，Cl-可以与Fe(III)发生反应，生成一系列络合物[9]，使Fe(III)难以被光还原成Fe(II)，从而反应在相同的时间内，Fe(II)的生成浓度也不断的降低(图4b)，·OH的生成量少了，也就降低罗丹明的去除率。

2.4.2 HCO-3的加入

图5 加入对RhB降解的影响

(6)

2.4.3 SO2-4的加入

不同浓度的MnSO4对RhB降解的影响如图6。

图6 加入对RhB降解的影响

(7)

形成与RhB竞争·OH的局面，从而降低了RhB的去除率。

3 结论

(1) Fe(III)光照体系中，罗丹明B发生光降解主要是由·OH引发的。

(2)本实验条件下的Fe(III)光照体系中，Fe(III)的初始浓度为0.5 mmol·L-1，溶液的pH=3.6，罗丹明B的初始浓度为5 mg·L-1时，反应60 min的去除率达到91%，反应105 min时去除率几乎达到100%。

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(责任编辑赵环宇)

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