CN102120665A - 一种光催化净化水中五氯酚的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用硅酸铋光催化剂净化水中五氯酚(PCP)的方法。该方法包括将硅酸铋光催化剂和所要处理的五氯酚污水混合搅拌、超声分散、吸附平衡、氙灯照射等过程；五氯酚的光催化降解反应结果表明，该方法能够高效净化水中的五氯酚。本发明能够克服现有净化方法能耗高、操作复杂、反应条件剧烈和净化能力差等缺点，提供了一种流程短、设备简单、净化处理五氯酚效率好的方法，具有广阔的工业应用前景。

Description

一种光催化净化水中五氯酚的方法
技术领域
本发明涉及一种利用硅酸铋光催化剂净化水中五氯酚(PCP)的方法，属于环境光催化技术领域。
背景技术
五氯酚(PCP)曾经被广泛用作木材防腐剂、防锈剂、消毒剂、杀菌剂、杀虫剂和除草剂，具有恶臭和高毒性，是一种广泛存在于水体且具有“三致”(致癌、致畸、致突变)效应和遗传毒性的有机难降解污染物，不易被分解且容易通过食物链富集在生物体内，从而对自然生态和人类健康造成严重的威胁，已被美国环保局列入优先控制污染物的名单。同时，PCP在自然环境中还能被转化为毒性更强的多氯代二苯并二恶英(PCDDs)和多氯二苯并呋喃(PCDFs)，因此寻求经济和环境友好的PCP净化技术是十分重要的。
生物法是净化水中PCP的一种有效方法，具有成本低和易操作的优点，但是该方法存在着处理周期长，对微生物毒性作用大和高浓度PCP处理效率低等缺点。物化法主要包括吸附法、混凝法、萃取法和膜处理法等。该方法仅仅是PCP从一种介质向另一种介质转移的过程，通常会产生新的污染，因此需要后续处理过程才能达到彻底清除PCP的目的。超声化学降解法存在能量利用率低，处理量小，操作费用高等问题。湿式氧化法需要高压设备，装置造价昂贵，催化剂损耗大，且对低浓度PCP废水处理不经济。电化学降解法由于受到电极材料的限制，存在电流效率低、电耗高及电极寿命短等缺点，因此难以实现工业化。
光催化降解技术是70年代发展起来的一种净化水体中难降解有机污染物的新方法，具有能耗低、操作方便、反应条件温和、氧化能力强、与环境兼容等优点，利用该技术净化难降解有机废水已经成为国内外的研究热点。光催化剂在光照条件下能够产生电子-空穴对，价带空穴(h+ vb)具有很强的氧化能力，能够高效去除水中有机物；同时吸附在催化剂表面的O2和H2O能够与导带电子反应产生各种活性自由基，如羟基自由基(OH·)，超氧阴离子自由基(O2·-)等，这些活性自由基能够与PCP发生氧化还原反应，将其转化为毒性低的物质或者将其矿化为二氧化碳和水，从而有效降解PCP，具有广阔的工业应用前景。
硅酸铋晶体是一种宽带隙、高电阻率的非铁电立方半导体，具有独特的光电、光电导、光折变及声光性能。近年来，作为一种重要的光电材料，硅酸铋晶体已经引起材料科学和光催化领域的高度重视。专利号为ZL 200710166218.4，名称为一种硅酸铋粉体光催化剂的制备方法，公开号为CN101157026A的专利详细介绍了硅酸铋的制备方法。文献“C.H.He，M.Y.Gu.Preparation，characterization and photocatalytic properties of Bi12SiO20 powders ScriptaMaterialia 2006(55)：481-484”采用化学溶液分解法(CSD)制备硅酸铋粉体，并考察其对光催化降解刚果红的性能，结果表明光照一小时后硅酸铋对刚果红的脱色效率高达92.1％。
本发明所要解决的问题是高效去除水中PCP污染物，克服现有净化氯酚类污染物技术的不足，提供一种高效、节能、操作简单的氯酚类污水的处理方法。
发明内容
本发明的目的在于解决工业生产过程中PCP的污染问题，提供一种以硅酸铋为光催化剂净化水中PCP的方法，能够克服现有净化方法能耗高、操作复杂、反应条件剧烈和净化能力差的缺点，具有良好的经济和环境效益。
利用硅酸铋为光催化剂净化水中PCP的方法包括如下步骤：
a)配制一定浓度的PCP溶液；
b)向PCP溶液中加入硅酸铋光催化剂；
c)黑暗条件下超声10分钟，使硅酸铋光催化剂均匀分散于PCP溶液；
d)将c)步骤的混合溶液在黑暗条件下磁力搅拌以达到PCP的吸附平衡；
e)采用氙灯进行照射，同时反应液的温度通过水浴保持恒温；
f)定时取样，离心分离后取样品上清液，分析PCP的浓度变化；
g)抽滤反应液，分离回收光催化剂。
本发明所述的PCP污水的处理方法，其中，在步骤a)中所述PCP的初始浓度为2～10毫克/升；
本发明所述的PCP污水的处理方法，其中，在步骤e)中所述的氙灯波长范围是300～800纳米，功率为500瓦；
本发明中，所采用的光催化装置由直流电源、镇流器和氙灯组成，其他部件包括石英反应器、水浴锅和磁力搅拌器等，所用部件均可从相关设备供应商获得，也可自行设计搭建。
本发明提供的对水中PCP的分析方法如下：
采用高效液相色谱(HPLC Waters 1525)进行分析，流动相为甲醇和乙酸胺水溶液(含0.02摩尔/升乙酸胺)的混合液，体积比为85∶15，流速1.0毫升/分钟，紫外检测器测定波长为312纳米，测试样品经过0.45微米滤膜去除杂质以免堵塞柱子。降解率(％)＝(初始PCP浓度-剩余PCP浓度)/初始PCP浓度×100％。
本发明的优点在于：
1.采用光能去除水中PCP，高效利用清洁能源；
2.能够高效去除水中难降解PCP的污染；
3.该方法流程短、设备简单、操作方便、净化率高、光催化剂容易回收利用，具有良好的经济效益和环境效益。
该方法在光催化剂用量为250毫克/升处理200毫升初始浓度为2毫克/升的PCP污水2小时后，对PCP在高效液相色谱上几乎无法检出，并且光催化剂可在不降低催化效果的前提下重复使用5次以上。
附图说明
图1为利用硅酸铋为光催化剂净化水中不同初始浓度PCP过程中浓度随时间的变化(其中催化剂的用量是250毫克/升，pH＝6.12)。
具体实施方式
实施例1
将50毫克硅酸铋粉体分散于200毫升初始浓度为2毫克/升的PCP溶液中，在黑暗条件下将混合液超声10分钟，使催化剂在溶液中完全分散。照射前先将混合液在黑暗条件下磁力搅拌30分钟以达到吸附平衡，然后用500瓦氙灯(波长是300～800纳米)进行照射，调节反应液面和氙灯灯头间距为20厘米。光催化降解的过程中磁力搅拌以使反应液均匀，反应液的温度通过水浴保持在(20±2)度。定期取1毫升样品，离心分离取上清液，采样后使用HPLC分析PCP的浓度。结果表明，反应进行2小时后，PCP的降解率大于99.0％。
实施例2
将50毫克硅酸铋粉体分散于200毫升初始浓度为4毫克/升的PCP溶液中，在黑暗条件下将混合液超声10分钟，使催化剂在溶液中完全分散。照射前先将混合液在黑暗条件下磁力搅拌30分钟以达到吸附平衡，然后用500瓦氙灯(波长是300～800纳米)进行照射，调节反应液面和氙灯灯头间距为20厘米。光催化降解的过程中磁力搅拌以使反应液均匀，反应液的温度通过水浴保持在(20±2)度。定期取1毫升样品，离心分离后取上清液，采样后使用HPLC分析PCP的浓度。结果表明，反应进行2小时后，PCP的降解率达87.7％。
实施例3
将50毫克硅酸铋粉体分散于200毫升初始浓度为6毫克/升的PCP溶液中，在黑暗条件下将混合液超声10分钟，使催化剂在溶液中完全分散。照射前先将混合液在黑暗条件下磁力搅拌30分钟以达到吸附平衡，然后用500瓦氙灯(波长是300～800纳米)进行照射，调节反应液面和氙灯灯头间距为20厘米。光催化降解的过程中磁力搅拌以使反应液均匀，反应液的温度通过水浴保持在(20±2)度。定期取1毫升样品，离心分离后取上清液，采样后使用HPLC分析PCP的浓度。结果表明，反应进行2小时后，PCP的降解率达84.5％。
实施例4
将100毫克硅酸铋粉体分散于200毫升初始浓度为6毫克/升的PCP溶液中，在黑暗条件下将混合液超声10分钟，使催化剂在溶液中完全分散。照射前先将混合液在黑暗条件下磁力搅拌30分钟以达到吸附平衡，然后用500瓦氙灯(波长是300～800纳米)进行照射，调节反应液面和氙灯灯头间距为20厘米。光催化降解的过程中磁力搅拌以使反应液均匀，反应液的温度通过水浴保持在(20±2)度。定期取1毫升样品，离心分离后取上清液，采样后使用HPLC分析PCP的浓度。结果表明，反应进行2小时后，PCP的降解率达91.2％。
实施例5
将100毫克硅酸铋粉体分散于200毫升初始浓度为10毫克/升的PCP溶液中，在黑暗条件下将混合液超声10分钟，使催化剂在溶液中完全分散。照射前先将混合液在黑暗条件下磁力搅拌30分钟以达到吸附平衡，然后用500瓦氙灯(波长是300～800纳米)进行照射，调节反应液面和氙灯灯头间距为20厘米。光催化降解的过程中磁力搅拌以使反应液均匀，反应液的温度通过水浴保持在(20±2)度。定期取1毫升样品，离心分离后取上清液，采样后使用HPLC分析PCP的浓度。结果表明，反应进行2小时后，PCP的降解率达78.1％。

Claims (3)

1.一种利用硅酸铋为光催化剂净化水中五氯酚(PCP)的步骤包括：
1)配制一定浓度的PCP溶液；；
2)向PCP溶液中加入硅酸铋光催化剂；
3)黑暗条件下超声10分钟，使硅酸铋光催化剂均匀分散于PCP溶液中；
4)将步骤3)所述的混合溶液在黑暗条件下磁力搅拌以达到PCP的吸附平衡；
5)采用氙灯进行照射，同时反应液的温度通过水浴保持恒温；
6)定时取样，离心分离后取样品上清液，分析PCP的浓度变化；
7)抽滤反应液，分离回收光催化剂。
2.根据权利要求1中PCP的净化方法，其中，在步骤1)中，所述PCP的初始浓度为2～10毫克/升。
3.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于：PCP的光催化净化过程5)中，所述的氙灯波长范围是300～800纳米，功率为500瓦的氙灯。
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