纳米ZnO处理含Pb2+废水的实验分析
2021-09-27崔月
崔 月
(黑龙江省大庆水文水资源中心，黑龙江 大庆 163000)
0 引 言
Pb2+是一种对人体危害较大的重金属离子。水体中的Pb2+能够侵入人的脊柱、破坏造血系统，或者侵入神经组织、肾脏及消化系统造成脏器衰竭[1]。常规的处理方法有物理吸附法、絮凝法、生物处理法等[2-4]，但这些方法均不能有效降解这些离子。这里介绍一种新型的降解方法，在光照条件下纳米ZnO能够催化降解水体中的Pb2+，进而降低其对环境的破坏力，维持水环境的稳态与平衡。
1 纳米ZnO的催化降解原理
纳米ZnO是一种新型半导体材料，具有较大的比表面积。当其受到≥禁带宽度Eg的紫外光或可见光hυ照射时，其表面的价电子被激发跃迁至能量更高的导带上，形成高能量的空穴-电子(h+(CB)-e-(VB))对，h+/e-对在ZnO表面发生一系列的反应进而转化成高活性的·OH自由基。反应式如(1)-(8)，这些·OH自由基发生替代、取代和电子转移过程从而降解水体中的污染物。图1为反应原理图。
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图1 纳米ZnO光催化原理示意图
2 实验材料与测定方法
实验仪器有：分析天平、高压汞灯、电动离心机、磁力搅拌器、酸度计、超声清洗机等；实验药品有：纳米ZnO、Pb(NO3)2、Na2-EDTA、HNO3、二甲酚橙、六亚甲基四胺。实验药品配置方案见表1。
表1 实验药品配置方案
利用二甲酚橙作为指示剂，控制反应液的pH值为5-6。在此条件下，Pb2+与二甲酚橙形成紫色络合物，EDTA能够夺取Pb2+形成无色络合物，进而使反应溶液由紫色变为橙色[5]。反应式为H2Y2-+Pb2+=PbH2Y，溶液中Pb2+的计算公式如(9)。
(9)
式中：c为溶液中铅离子的质量分数，mg/L (M[Pb]=207.2g/ mol) ；V为滴入的Na2-EDTA体积，mL。
3 实验分析与结果
实验采用功率为 250W 的高压汞灯和正午阳光(哈尔滨3月春分时节)作为光源，使用0.010 0 mol/L的Na2-EDTA标准液进行滴定，记录反应前后酸式滴定管的读数，计算出Na2-EDTA标准液的消耗量。按照相应的物质的量比计算出Pb2+的浓度实验中，以含Pb2+盐溶液的降解率Dt表征该纳米 ZnO 样品的催化活性，降解率Dt的计算公式如(10)。
(10)
式中：A0为Pb(NO3)2溶液的初始质量浓度；At为反应时间为t时的Pb(NO3)2溶液质量浓度.
分别在不同光照时间、不同光照强度、不同初始Pb2+浓度、不同催化剂用量以及不同pH值条件下验证纳米ZnO对溶液体系中Pb2+的降解能力(见表2和图2)。
表2 不同条件下纳米ZnO对溶液体系中Pb2+的降解能力验证
(a)无光条件下纳米ZnO对Pb2+的降解 (b)高压汞灯下纳米ZnO对Pb2+的降解 (c)不同光源下纳米ZnO对Pb2+的降解
(d)不同初始浓度条件下纳米ZnO对Pb2+的降解能力比较
(e)不同纳米ZnO用量对Pb2+降解率的影响比较
(f)溶液pH值对纳米ZnO对Pb2+的降解能力的影响
实验结果如下：
1)当pH=5时，10mg纳米ZnO粉末投加到50mL1g/L的模拟含铅废水中，无光条件下两小时内最大降解率为50.4%；太阳光照射条件下，最大降解率为52.7%；高压汞灯照射条件下，最大降解率为64.2%；
2)在反应的两个小时内，增加纳米ZnO的用量时，其催化效率呈减小趋势，投入10mg纳米ZnO粉末时,催化效率最高，20mg时效率最低；
3)改变溶液中Pb2+浓度，发现纳米ZnO对1g/L以及4g/L的含Pb2+废水的降解效率较大，而对2g/L的含Pb2+废水的降解能力较弱；
4)随着H+浓度增大(pH减小)，纳米ZnO中Zn2+溶出率增大，其催化效率明显降低。在pH=5时催化反应比较明显；
5)从反应时间以及无光-高压汞灯反应速率差值关系上发现，在反应的前30min，有光条件与无光条件下纳米ZnO对Pb2+降解能力相差不大，而在反应的30-90min，高压汞灯照射条件下纳米ZnO对Pb2+降解能力明显提高。
