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片状ZnO光催化处理造纸废水

文档作者：赵敏1 辛芄伯2 文档来源： 1内蒙古扎兰屯市环境保护局 2内蒙古扎兰屯市质量技术监督局		点击数：	更新时间： 2024年07月31日
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片状ZnO光催他处理造纸废水
赵敏1辛芄伯2
(1内蒙古扎兰屯市环境保护局2内蒙古扎兰屯市质量技术监督局内蒙古扎兰屯162650)
摘要采用氧化锌作为光催化剂处理造纸废水。首先用水热法合成片状氧化锌粉体。并用X射线衍射仪和扫描电镜对制
备的氧化锌进行结构和形貌表征。然后从反应的pH值，氧化锌添加量．过氧化氢添加量，光照时间几个方面系统研究片状氧
化锌和商品氧化锌对废水COD去除率的影响。结果表明：片状结构氧化锌在pH为9．00的条件下，氧化锌和过氧化氢添加量
分别为0．8扎和49／L，经汞灯照射7h后，废水的COD总去除率可达85％以上。
关键词氧化锌光催化氧化废水处理
中图分类号：X793．03 文献标识码：A 文章编号：1672—9064(2010)05—0059—02
近20年来．工业迅速发展，大量含有有机污染物的工业
废水．未经处理或处理不完全而排入水体，使水源水质恶化．
导致淡水资源日益短缺，供需矛盾越来越尖锐。目前常用的
处理方法是物理化学法、化学法和生物法。这些方法耗资大．
运行费用高，受适用条件限制，且处理效果不理想El-2]。
光催化氧化消除环境污染是近年来发展起来的一项新
技术。氧化锌光催化剂具有化学性质稳定、成本低、光催化活
性高、反应条件温和等优点，日益受到人们的重视[¨]。本文
首先利用简单的水热法合成具有片状结构的氧化锌粉体，并
采用UV／Zno／H213，体系处理造纸废水，取得了较为理想的结
果。为该类废水的处理提供了一种新方法。
1 实验部分
1．1试剂与仪器
试剂：硫酸锌。六次甲基四胺，十六烷基三甲基溴化铵，
氢氧化钠．硫酸，双氧水皆为分析纯。
仪器：X射线粉末衍射仪(德国D8ADvANCEBRUK．
ER)；扫描电镜(日本电子公司JEOL-JSM一6390LV)。
1．2废水性质及其预处理
废水取自新乡市某造纸厂的废水调节池．为深褐色悬浊
液。废水的COD为1869mg／L，pH为8．0。取1000mL废水，用
NaOH调节pH为ll一12，搅拌并稍微加热后即产生絮状沉
淀，过滤得滤液，备用。经测定，滤液的pH为12，COD为
823mg／L。
1．3实验方法
氧化锌的制备：将0．39CTAB溶于300mL二次水中，加
热搅拌数分钟后，将0．459ZnSO。和o．29c6H，：N。加入其中，搅
拌形成无色透明溶液，然后转移到反应釜中．保持100。C反
应6h。最后在60℃千燥6h，即得到产品白色ZnO粉末。
准确称取一定量的光催化剂ZnO置于石英反应管中．
再加10mL预处理后的废水(事先用浓度为lm01／L的HrSO。
调pH至一定值)和一定量的质量分数的H20：，将石英反应
作者简介：赵敏(1982一)，女，硕士研究生。主要从事工业废水处理研究。
2010．No．5，
管置于光化学反应仪中．通人适量空气进行搅拌．使催化剂
ZnO处于悬浮状态．并用低压汞灯照射一定时间。反应结束
后．离心分离出催化剂ZnO，取清液测其COD，计算COD的
去除率(E)。
2结果与讨论
2．1 片状ZnO的结构和形貌表征
图l为样品的XRD图。其衍射数据与JCPDS卡36—
2TbH-“Ielrl!ls)
圈1 ZnO的XRD圈
1451相符．由此可见，样品为六方结构的ZnO。
如图2a所示，样品全部为片状结构，呈六边形，直径约
图2(a)片状ZnO的SEN圈
(b)放大的片状ZnO的SEM圈
为101上m，尺寸均匀，产率较高。由图2b可知，样品非常薄，呈
透明状．厚度约为100nm，部分ZnO片相互叠加在一起。
2．2废水pH对COD去除率的影响
在其他实验条件不变的条件下．用浓度为Im01]L硫酸
万方数据 。
调节废水的pH，考察废水pH对COD去除率的影响。
由图3可见，在任何一种条件下．片状ZnO的COD去除
率都比商品ZnO的高。这是由于片状结构的ZnO具有较大
的比表面积，可以吸附更多的有机污染物。同时这种片状
ZnO可以将其最具有催化活性的正极面(o001)和负极面
(ooo—1)暴露在外．从而有利于有机物与ZnO表面的电荷交
换，提高其催化活性。当废水的pH为9．oo时，片状ZnO具
有最高的COD去除率。这是因为在紫外光照射下．在导带产
生的电子可以直接参与光降解过程．而在禁带产生的空穴则
需与水介质中的OH一作用从而促发光降解过程。当废水的
pH较低时，OH一浓度低，生成的·OH较少，不利于降解反应。
随着pH的升高，ZnO粒子表面的OH一浓度增大，有利于·OH
的生成，从而加速了光催化氧化反应的进行。但是当pH过
pn
田3 pH对废水COD去除率的影响
高时．有机物解离产
生的离子会取代一部
分催化剂表面的·OH．
不利于降解反应的发
生。经实验证明，本反
应体系的最佳pH为
9．00。
2．3 ZnO添加量对
COD去除率的影响
由图4可知．随
着ZnO添加量的增
加．COD去除率逐渐
上升。在片状ZnO加
入量为0．8玑时，COD
去除率达到最大值。
02 04 06 0加8入1麓0{92／L)1+4卜6。8 Znq加入量超过0．89／ZnO 0 08 加入麓(g／L) 刀Ⅱ人量稚辽
m4 zn0添加-对废水coD去除搴的影响L后．COD去除率又
逐渐下降。这是由于ZnO加入量较少时．产生的空穴h+较
少，不利于·OH的形成。但ZnO加入量过多时。其颗粒会产
生对光的散射作用．影响溶液的透光率．导致反应速率降低。
与片状ZnO相比，商品ZnO在同样的条件下加入量为1．29，
L时，COD去除率才达到最大值。
2．4过氧化氢添加量对COD去除率的影响
在反应体系中加入少量的过氧化氢．可以加速光催化氧
化反应的进行。过氧化氢的加入量为49／L时，COD去除率达
到最大值。过氧化氢的加入量继续增加．COD去除率则下
降。这是因为过氧化氢是强氧化剂．它可以俘获电子并有效
降低光催化剂表面电子一空穴对的重新复合．同时它在紫外
光照射下也可形成．OH。但过氧化氢浓度过高时，大量的过
氧化氢被吸附在催化剂的表面．可能会阻碍水中有机物的吸
附．过量的过氧化氢也可能成为·OH的消除剂。与片状ZnO
相比。商品ZnO在同样的条件下，过氧化氢加入量为69／L
时。COD去除率才达到最大值。
2．5光照时间对COD去除率的影响
片状结构的ZnO．光照lh时．COD去除率为10％。当光
照3h时．COD去除率达到50％。这是因为废水中的主要污
染物为有机物．它们的结构十分稳定．反应初期需较大的能
量，故降解速度比较慢。一旦这些结构被破坏，反应速度加
快。因此。通过实验证明．最佳的照射时间为7h。而商品
ZnO，在光照7h时．COD的去除率仅为50％。
2．6原理分析
ZnO具有较宽的禁带宽度．约为3．7eV。在入射紫外线强
度高于其禁带宽度时．价带的电子会吸收紫外线并跃迁至导
带．形成高活性的自由电子。同时也会在价带形成对应的空
穴。所合成的片状ZnO晶体，厚度仅100nto，故此光致产生
的电子和空穴可以较快的转移到ZnO晶体的表面．从而有
效地减少了电子空穴对在晶体内部的复合．提高了其催化活
性。而在另外的两维(长度和宽度)上为Ixm级。有效地避免
的颗粒问的团聚，增加了与溶液问的接触比表面积。同时根
据X射线分析可知．由于CrAB的引入。ZnO晶体(0001)晶
面的生长被抑制，从而形成片状的结构。故此最终形成的
ZnO片状晶体暴露面积最大的为(0001)和(000—1)。根据
ZnO晶体堆垛形成的原理．(0001)面为锌原子形成的正极面
而(ooo-i)为氧原子形成的负极面。这样2个极性的表面可
以引起有机污染物分子的瞬时偶极．并增强了其与晶体表面
的吸附．从而达到更好的催化效果。
3结论
本文采用UV／ZnO／H202体系处理造纸废水。该方法工
艺简单，废水处理效果好．废水COD去除率可达85％以上。
工业化应用的设想：将生化法与光催化法联合使用．集生化
法处理成本低和光催化法处理效果好的优点于一身．
参考文献
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1998。(2)
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4 Hoffrmann M．R．，Martin S．T．．Bahnemann D．W．．Environment applicadon
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发展低碳经济要有国家规划
我国提出走低碳经济发展之路后．各地以发展低碳经济
为主题上马了大量项目，这在促进经济发展的同时，也造成
了一定的资源浪费。国务院发展研究中心研究员、著名经济
2010．No．5．
学家吴敬琏提出，为趋利避害。国家应刳定发展低碳经济的
总体规划和顶层设计，并加强统筹协调，避免出现各地盲目
发展的现象。

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