TiO2光催化降解水中罗硝唑的研究

高丽红　李敏胜

摘 要：考察TiO2光催化降解水中罗硝唑的效果。方法：以TiO2为光催化剂，在紫外光下进行了罗硝唑的降解研究，考察了TiO2投加量、溶液初始pH值、底物初始浓度对罗硝唑降解效果的影响。结果：在溶液初始pH为8，TiO2投加量，2g·L-1，罗硝唑初始浓度为5 mg·L-1的条件下，经过90min的光催化反应罗硝唑的去除率为100%，反应速率为0.0547 min-1。反应符合一级动力学模型。结论：TiO2光催化技术对罗硝唑有良好的降解效果，pH、TiO2用量和罗硝唑浓度影响降解效率。

关键词：罗硝唑;光催化;TiO2

罗硝唑又名甲硝咪乙酰胺，是硝基咪唑抗生素中较为典型的一种药物。罗硝唑具有抗寄生虫抗菌作用，常用于治疗猪赤痢、熏然性肠肝炎[1]，此外也作为生长促进剂用于饲料添加剂[2]。欧盟已作出明文规定，严禁使用在食品动物中使用罗硝唑[3]。但目前关于罗硝唑的研究报道较少，其降解方法主要以吸附法为主。 根据以上情况，本实验以TiO2为催化剂，考察了溶液pH值、TiO2投加量、罗硝唑初始浓度等影响因素对TiO2光降解罗硝唑效果的影响，初步探讨其降解机制。

1 材料与方法

1.1 试剂

罗硝唑（百灵威化学技术有限公司）;TiO2（德固赛公司）。其他试剂为分析纯。

1.2 实验装置与试验方法

反应器为自制光催化反应器。光源外照式365 nm的紫外灯，反应器为可透过紫外光的石英反应器，且带有冷凝水进出口，有效容积为250 mL。将配置的一定浓度的罗硝唑反应溶液放入反应器中，加入TiO2后，在无紫外光条件下搅拌30 min使罗硝唑达到吸附平衡，然后进行光催化反应。每隔一定时间取样，采用注射器取8 mL样品经0.22 μm尼龙滤膜过滤后进行检测。紫外可见分光光度计（UV2450，岛津国际贸易（上海）有限公司）对其吸光度进行测定，测定波长为309 nm，通过标准曲线的绘制，计算罗硝唑浓度。

2 结果与讨论

根据文献[4]，TiO2光催化降解水中硝基咪唑抗生素一般遵循一级反应动力学，公式如下：

ln c0/c=-kt + constant

式中：

c0 -罗硝唑的初始浓度，mg·L-1;

c-反应时间t分钟后溶液中剩余的罗硝唑浓度，mg·L-1;

k-一级反应速率常数。

2.1 溶液初始pH的影响

pH值分别为2、5、7、8和11。罗硝唑初始浓度为20 mg·L-1，TiO2用量为1.0 g·L-1。pH对罗硝唑在TiO2上的降解效率有很大的影响。罗硝唑在中性条件下的吸附量要大于酸性和碱性，且在pH为8时吸附量最大。光催化反应90min，其降解率和反应速率常数也呈现相同的规律。在pH为7和8的降解率分别为62%和67%，反应速率常数分别为0.0105min-1和0.0111 min-1;在碱性条件下和酸性条件下反应效率低，pH为11降解率和反应速率常数分别为46%和0.0064 min-1;pH為2降解率和反应速率常数分别为21.1%和0.0066 min-1。

2.2 TiO2用量的影响

TiO2投加量分别为0.5、1、2、3、4 g·L-1。罗硝唑初始浓度为20 mg·L-1，溶液pH为8。TiO2投加量对罗硝唑在TiO2上的吸附以及降解效率有很大的影响。随着TiO2投加量的增加与罗硝唑的降解率和反应速率为正相关，投加量增加到2 g·L-1时，达到最大;然后随着TiO2投加量的继续增加，罗硝唑的降解率和反应速率又不断降低。在反应90min后，催化剂用量为0.5 g·L-1时降解率和反应速率最小，分别为49%和0.007 min-1;当TiO2投加量为2 g·L-1时降解率和反应速率达到最大，分别为79%和0.0172 min-1，继续增加TiO2用量反应速率逐渐降低。

2.3 罗硝唑初始浓度的影响

罗硝唑浓度分别为5、10、20、30、40 mg·L-1，TiO2投加量2g·L-1，溶液pH为8。随着罗硝唑初始浓度的增加，罗硝唑的降解率和反应速率都迅速降低。在罗硝唑初始浓度为0.5mg·L-1浓度下，罗硝唑光催化反应90min实现基本降解，反应速率常数为0.0547 min-1。而当增大初始浓度时，在10、20、30、40 mg·L-1浓度下，降解率分别为90%、78%、73%、54%，反应速率常数分别为0.0233、0.0164、0.0139、0.008 min-1。

综上所述，TiO2光催化技术对罗硝唑有良好的降解效果，pH、TiO2用量和罗硝唑浓度影响降解效率。在中性条件下，罗硝唑的降解效率较高。罗硝唑的降解反应符合一级动力学方程，在pH为8，TiO2为2g·L-1，初始浓度为5mg·L-1时罗硝唑降解率为100%，反应速率常数为0.0547 min-1。TiO2降解罗硝唑主要是通过·OH的氧化和电子的还原作用。

参考文献：

[1]贺德春.兽用四环素类抗生素在循环农业中的迁移累积及阻断技术研究[D].长沙：湖南农业大学，2011.

[2]高品.典型抗生素和抗药性基因在污水处理系统中的归趋及迁移分布规律[D].上海：东华大学，2011.

[3]徐鹏鹏.高效光催化材料的设计及其在光解水制氢中的应用[D].上海：上海师范大学，2014.

[4]陈冬梅，喻泽斌，孙蕾，等.TiO2降解迪美唑的动力学及活性物质分析[J].环境科学，2015，36（11）：4135-4140.