光催化技术在农药处理中的实验分析

2021-12-13罗力莎惠远峰辛丙靖霍洪颖周泽斌姜梦瑶

黑龙江粮食 2021年11期

□ 罗力莎惠远峰辛丙靖霍洪颖周泽斌姜梦瑶

（吉林化工学院，吉林省吉林市 132022）

农业是我国第一产业，为了增加农业产量，防治农业虫害，农药的使用在农业生产中已极为普遍。然而，农药中含持久性有机污染物，它们可在水环境中存在相当长的时间，并且会在土壤及生物体内不断积累，给人类和其他生物带来较强的毒害［1］。物理法和生化法对农药生产废水很难达到预期处理效果，并且在处理过程中还有可能导致污染物转移和二次污染等问题［2］。光催化技术作为新兴的农药处理方式，由于其具有高效且绿色的特点，因此被广泛应用。

一、光催化氧化技术原理

光催化氧化技术是一种高级氧化技术，其在环境修复方面得到了广泛关注。与传统活性炭吸附和生物降解等方法不同，光催化技术可提供强氧化能力来去除环境中不可生物降解的有机污染物，并将它们几乎矿化为CO2和H2O而不产生二次污染。半导体光催化的原理是基于固体能带理论，由于半导体的能带具有不连续性，其价带（VB）和导带（CB）之间存在禁带，当光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时，会激发VB上的电子，其能够跃过禁带进入到CB，此时会产生光生电子和空穴，从而形成氧化能力强的超氧负离子和羟基自由基，它们的强氧化性可有效降解有机污染，甚至可以彻底分解一些无机物［3］。J.H.Carey［4］等在1976年首次采用TiO2光催化氧化法处理水中有机污染物取得良好的效果，TiO2光催化剂活性好、价格低廉及稳定性能好等优点受到重视。此后，研究者们致力于光催化氧化法处理农药废水的研究。Moreira 等［5］研究了医药塑料生产排放的混合农药废水的光催化氧化处理过程，结果发现，对于废水中的18种农药的去除效率均可以达到平均90%，其中13种农药经过处理后可以达到排放标准，而其他农药的去除效率最低也可达到70%。光催化氧化技术能够完成农药的降解工作，整个反应过程高效且环保，因此值得在农药处理中被广泛应用。接下来以TiO2半导体材料为主，对其相关应用进行具体阐述。

二、在有机氯农药中光催化氧化技术的应用

有机氯农药的主要功效，在于能够有效地防治植物的病虫害，主要的杀虫剂有DDT和六六六，其毒性大、危害高，同时由于其成分稳定性较强，因此难以被分解［6］。

（一）实验材料

本次实验以DDT作为主要原药，以半导体TiO2为主要光催化剂，过渡金属元素肥料以及大量营养元素肥料选用分析纯试剂，其中过渡金属元素肥料需要将其进行研磨，过0.25mm筛。光催化反应试剂的配比情况为：TiO2粉末；ZnSO4，CuSO4，FeSO4和MnSO4分别各15g，并将其进行研磨混匀；尿素，KCl，磷酸二铵分别各15g，并将其进行研磨混匀（NPK）。土壤渗出液：土壤选取褐土，将其进行风干处理，过1.0mm筛，并人为进行DDT添加，模拟通风去污并进行淋水，以获取渗出液1500ml。

（二）实验过程

1.试液准备

共准备8种渗出液类型，分别为：（1）100ml渗出液；（2）100ml渗出液加0.01gTiO2；（3）100ml渗出液加0.01gTiO2，加0.015g过渡金属；（4）100ml渗出液加0.01gTiO2加0.015gNPK；（5）100ml渗出液加0.01gTiO2，加0.015gNPK，加0.015g过渡金属；（6）100ml渗出液加0.015g过渡金属；（7）100ml渗出液加0.015g过渡金属，加0.015gNPK；（8）100ml渗出液加0.015gNPK。

2.实验步骤

将试液分别放置在对应编号的石英三角瓶中，用小玻璃杯盖将其密封好，匀速进行震荡，用250W的紫外线灯在距样品20cm的上方进行照射，光照时常为5小时，每半小时取一次样，取5.00ml渗出液进行DDT分析检测。用石油醚对试液样品萃取3次，收集萃取液至蒸馏烧瓶，蒸馏操作使用旋转蒸发仪，当高纯氮定容为5.0ml，使用气相色谱仪进行测定。

（三）实验结果

通过本次实验，可以得出以下结论：首先，在DDT降解的过程中，光照时间是重要的影响因素之一，添加了TiO2的渗出液，随着光照时间的增长，其降解效果在不断地增加，但是当时长达到一定程度时，其降解效果呈现缓慢增长现象；其次，在同时添加了TiO2以及NPK试剂后，其降解催化效果得到显著增强，这表明，某些金属无机盐的添加能够提高TiO2光催化降解效果，而过渡金属的简单添加，无法直接提高TiO2光催化降解效果，因此在有机氯农药处理的过程中，采用光催化技术能够将农药降解程度大大提高。

三、在有机磷农药中光催化氧化技术的应用

有机磷农药也是防治植物病虫害的主要试剂，如敌百虫、乐果等，其磷元素含量较高，不仅会存在一定的残留，同时对人体具有急性毒性危害。

（一）实验材料

70%浓度的DVP；35%浓度的乐果；85%浓度的DEP；TiO2粉末；250W紫外光灯；电子天平；3cm比色皿；50ml比色管以及721N分光光度计。

（二）实验方法

将三种试剂浓度的起始值调制为10mg/L放入250mL的石英烧杯中，pH值调为9，加入一定量TiO2粉末进行催化，先用超声震荡10min。然后用250W紫外光灯照射2.5小时，每半小时取样，用磁力搅拌器对混合液进行搅拌，为试剂的反应提供一定的氧气，推动光催化对有机磷农药的降解效果。

（三）分析方法

用移液管进行试剂提取，进行转速为4000r/min，时长为15分钟的离心分离操作，将产生的上清液移入到50ml比色管内，通过磷钼蓝比色法，对实验前后试剂的PO43-浓度进行对比。

（四）实验结果

通过本次实验结果数据分析，可以得出以下结论：首先在有机磷农药处理中，使用光催化氧化技术，能够将残留物质转化为PO43-、二氧化碳、水以及其他无机离子，能够大大减少农药残留的危害；其次是当TiO2粉末计量为1.5g/L时，对DVP的降解效果最好，当TiO2粉末计量为2g/L时，对乐果和DEP的降解效果最好。因此，在实际应用的过程中，要根据实际的情况进行配比，并不是计量越大，效果越好，一定要做好科学的计算，以提升降解质量［7］。