发布日期：2018-11-16 10:54 来源：活性炭网 作者：活性炭网 浏览数：
本研究描述了使用ZnO作为多孔活性炭（AC）负载的光催化剂，从纺织品染色和印花废水中去除颜色的简单且低成本的方法的开发。 对含水悬浮液中的水溶性有毒茜素青绿（ACG）染料以及
许多行业，如纺织，塑料，纸张和纸浆，都会产生含有大量有机染料的废水流[1-3]。当这些化合物在没有任何预先处理的情况下排放到主要水体中时，它们会对环境中的生态平衡造成严重破坏，因为这些分子对水生生物具有致癌和致突变特性，因此在食物末端对人类生命构成威胁。链[4,5]。
多相光催化被认为是一种经济有效的替代方法，可用于生物处理过程的前处理或后处理，以净化含染料废水[6-10]。在可用的催化剂中，ZnO因其可用性，稳定性，低成本和有利的带隙能量而得到更广泛的应用[11]。然而，使用ZnO粉末的问题也得到了充分认识; 具体而言，（a）在反应完成后难以从溶液中分离粉末，（b）悬浮液中颗粒的聚集，特别是在高负荷下，和（c）难以应用于连续流动系统[12]。对于这些问题，已经研究了各种光催化剂颗粒载体的方法，例如氧化铝，沸石，硅胶，光纤电缆，玻璃珠，石英，不锈钢，粘土和活性炭[13-16]。特别是，活性炭（AC）作为多相催化的支持已被广泛研究[17-24]。
这项工作的目的是研究使用ZnO作为活性炭负载催化剂在水溶液中光降解ACG染料的矿化，并研究活性炭对光降解机理的理解作用。
茜素青素绿（ACG）染料购自E.Merck，结构如图1所示。ZnO由英国Dagenham的May＆Baker Ltd.供应。AC由印度BDH提供。所有其他化学品和试剂均按原样使用AnalaR级。去离子水用于制备所有溶液和试剂。
ACG染料的结构。
通过在旋转蒸发器中在真空下在商业ZnO的乙醇中浸渍悬浮液45分钟来制备氧化锌 - 碳复合物。旋转后，蒸发掉乙醇。裸ZnO也用作比较目的的标准。在每次实验之前，将ZnO-AC混合物活化并在110℃下干燥过夜。
高照射用UV-高压（“HEBER”光反应器，型号HIPR紧凑-MP-8/125/400）汞灯（执行λ 最大 ：400 W = 365纳米）。使用CuKα辐射，用分析型（Model PW 3040/60）X射线衍射仪拍摄AC-TiO 2膜的X射线衍射图案。用Spectrophotocolorimeter（Systronics-115）测定染料浓度。通过使用数字笔pH计（Hanna instrument，Portugal）测量染料溶液的pH。磁力搅拌器用于持续搅拌溶液。
SEM研究提供了关于材料表面形态的有用信息。纯ZnO，纯AC和AC-ZnO混合物的SE显微照片如图2所示。ZnO颗粒的SE显微照片以薄片形状显示，并且颗粒附聚（图2a）。SE显微照片显示纯AC在性质上具有多孔性，具有晶界（图 2b）。此外，AC-ZnO混合物的SE显微照片清楚地显示了表面纹理和孔隙率性质。此外，AC-ZnO颗粒可以大致为片状，它们看起来非常均匀，具有内部孔（多孔结构）或孔，这在更高的放大倍数下观察到（图2）C）。尽管复合材料仍然显示出具有相对大的孔体积和表面积的多孔特征，但是在碳基质中ZnO的固定部分地阻挡了碳表面的孔隙率。这表明ZnO在固定期间没有进入碳的内部微孔隙，保留在外表面和最易接近的（大）孔上。因此，较小尺寸的孔保持畅通无阻。此外，由于在制备AC-ZnO复合物时所遵循的合成路线，在ZnO和碳载体之间没有预期化学键合，似乎存在弱相互作用（可能是电荷转移）。在文献中已经报道了AC-TiO 2混合物[24-26]的类似观察结果。
（a）纯ZnO的表面形态; （b）纯AC和（c）AC-ZnO混合物。纯AC和AC-TiO 2混合物的XRD谱。
为了证实AC-ZnO复合物的形成，已经观察到原始CAC和1：4比例的AC：ZnO混合物的XRD图（图2d）。纯AC的XRD图显示两个宽的衍射峰，其可以指向典型的石墨碳的（0 0 2）和（100）衍射。在31.6°，34.2°，36.2°，47.4°和56.6°（JCPDS 36-1451）处出现清晰且明确的峰，在纳米复合材料中出现，证实了在AC的XRD图中ZnO颗粒的典型六方纤锌矿结构： ZnO混合物。此外，在AC：ZnO混合物的XRD图中没有AC峰，这表明由于AC的存在，ZnO颗粒的晶体结构没有被改变[27-29]。
在室温（30±1℃）UV照射下，不同初始浓度下ZnO上ACG染料去除程度的光催化降解研究如图3所示。类似地，ACG染料的光催化降解也在相同的实验条件下在AC存在下进行。根据染料去除百分比的值，使用以下等式计算染料的去除程度：
其中C i是染料的初始浓度（ppm），C t是给定时间的染料的最终浓度（ppm）。
在存在和不存在AC的情况下ACG染料的初始浓度的影响（接触时间：90分钟;催化剂的剂量：200mg; CAC的剂量：40mg）。
从图中可以看出，随着染料初始浓度的增加，AC存在和不存在时染料的去除百分比呈指数下降。这可能是由于催化剂表面上的溶质直接降解，与高初始染料浓度所需的相对大量的活性位点相比。这也是由于以下事实：当染料分子增加时，溶液变得更加强烈着色并且进入溶液的光子的路径长度减少，从而仅更少的光子到达催化剂表面。因此，羟基和超氧化物自由基的产生受到限制。因此，减少百分比。在更高浓度的染料中，[25]。
照射时间对ACG染料去除程度的影响如图4a 所示。在存在和不存在AC的情况下通过UV照射含ACG染料的含有光催化剂的降解实验遵循关于照射时间（t）的假一级动力学。以下动力学方程用于研究ACG染料的光降解动力学。
其中C o是染料溶液的初始浓度（ppm），C t是不同时间（最小值）的染料溶液的最终浓度，k t是染料降解的一级速率常数（以min -1为单位））。
（a）AC存在和不存在ACG染料的接触时间和（b）动力学的影响（ACG的初始浓度：30ppm;催化剂的剂量：200mg; CAC的剂量：40mg）。
将ln（C o / C t）的值相对于时间（以min计）绘制，并且发现图是线性的。从斜率，计算在AC存在和不存在下染料ACG降解的速率常数[22-24]。
为ACG的在UV光的情况下和AC的存在的ZnO光降解的准一级图显示在图4湾 在不存在AC的情况下ZnO 的伪一级速率常数（k t）（以min -1为单位）为0.0051，并且在AC存在下为0.0465。上述数据表明，在AC存在下，染料的光降解更有效。
催化剂的剂量对染料去除程度的影响如图5a所示。在存在和不存在AC的情况下，随着催化剂剂量的增加，染料的去除百分比呈指数增加。这可能是由于表面活性位点的可用性增加。还研究了催化剂剂量对降解速率的影响，发现ACG的去除速率取决于每单位面积的驱动力，在这种情况下，染料的初始浓度（C i）保持恒定。催化剂剂量的增加将导致光降解的表面积增加，因此去除百分比增加[26-29]。
（a）剂量的影响（C i = ACG：30ppm;接触时间：90分钟）和（b）pH的影响（C i：30ppm;催化剂剂量：200mg; CAC剂量：40mg ;在AC存在和不存在下，ACG染料的接触时间：90分钟。
在存在和不存在AC的情况下，ACG染料的光降解的初始pH值的降低线性地增加了染料的去除率（图 5b），这表明发现酸性pH更适合于去除ACG染料。该研究表明，ACG的降解速率受溶液pH的强烈影响。这可能是由于已知ZnO的零点电荷为6.25。在pH 8.8以上，ZnO的表面电荷为负且低于8.8，为正。ACG染料是一种酸性染料，在溶液中具有负电荷，这有利于AC-ZnO表面与染料阳离子之间的静电相互作用，从而导致强吸附。这些观察清楚地证明了选择最佳降解参数以获得高降解率的重要性[18,22-24]。
在该研究中，我们已经表明，用作吸附剂的多孔碳的性质和用于固定ZnO的载体在ACG染料光降解的机理中起着突出的作用。与纯ZnO相比，AC-ZnO复合物促进了ACG的光降解，并且该过程的速率也大大加快。性能主要取决于碳的结构和化学特征。实际上，尽管通过物理混合物对碳载体上的ZnO固定进行，但是pH PZC的测量表明碳表面和ZnO之间发生弱相互作用，这引起ACG光降解的增强[30-36]。
相对于ZnO在多孔碳载体上的固定，去除效率（在包含吸附和光降解的多孔催化剂中的去除效率）显着增强，这提高了纯ZnO的光活性。照射时速率常数的增加可归因于污染物在碳孔隙率上的优先吸附和表面浓度，随后是从载体到ZnO表面的自发转移，其中由于浓度大而更快地分解。两个固相之间的梯度（图6）。在这种情况下，由于碳的吸附能力和氧化锌的光活性的组合，似乎在复合材料中存在协同效应。在没有AC的情况下，ACG染料分子必须偶然与ZnO碰撞，并保持接触以进行光催化。当不能实现这一点时，反应物或中间产物将返回到溶液中，并且只有当它们再次与ZnO碰撞时才能进一步反应。关于活性炭作为有机污染物光降解中ZnO添加剂的协同作用的类似观察已在文献[37-41]中描述。
ACG染料在AC存在和不存在下的光降解机理。
在光降解实验90分钟后，分离CAC-ZnO复合物的残余物并在超声波下浸入4mL乙醇中20分钟。然后收集滤液并通过UV-Vis分光光度计分析。乙醇溶液中滤液的UV-Vis光谱（图中未显示）未显示出对应于ACG染料（消失吸收峰）的任何显着峰，这证实了颜色的去除是由于光降解而不是吸附。该结果清楚地说明在初始光催化降解期间已经吸附并累积在CAC上的ACG分子能够转移到ZnO，在那里它们在辐射下分解。ZnO表面的连续迁移和随后的光催化氧化大大加速了ACG的去除效率。
从上述研究中我们得出结论，ACG染料的脱色是由于光降解过程而不是纯吸附，并且光降解效率的提高是由于协同或协同作用。
在这项工作中，研究了ACG的光催化降解。调查结果可归纳如下：
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