一种用于处理亚甲基蓝染料废水的可见光催化剂及其制备方法

摘要

本发明公开了一种处理亚甲基蓝染料废水的可见光催化剂及其制备方法。该方法以可溶性金属盐、五氧化二钒和双氧水为原料，在0-10℃的条件下搅拌溶解，然后加热至50-62℃后保温反应，至无气泡产生且底部有沉淀生成，过滤，干燥所得沉淀，经煅烧后获得通式为Mex?V2O5的催化剂粉体；其中，所述的可溶性金属盐为可溶性钠盐、铜盐，Me为钠元素或铜元素，x=0.2-0.4。制得的催化剂在可见光照射下能有效地降解废水中的亚甲基蓝染料。

说明书

技术领域

本发明属于无机功能材料制备技术领域，涉及一种用于处理亚甲基蓝染料废水的可见光催化剂及其制备方法。

背景技术

目前有机染料废水已经成为主要的水体污染源之一。该废水具有水量大、浓度高、成分复杂、色度深和难降解等特点。大多数染料具有毒性、致癌性、致畸和致突变的作用。亚甲基蓝是一种重要的有机化学合成阳离子染料，工业应用非常广泛。例如，可应用于麻、蚕丝织物、纸张的染色及竹、木的着色，应用于生物、细菌组织的染色以及应用于制造墨水和色淀等。亚甲基蓝在工业上的广泛应用导致含亚甲基蓝染料废水对水体的严重污染。目前有机染料废水的处理方法主要有生物法、混凝法、高级氧化技术、光催化法、吸附法及膜分离法等。生物法受pH值、温度、盐份和染料种类等因素的影响，使得生物法处理的效果不够理想。混凝法的运行费用较高，泥渣量大而且脱水困难，适用的pH值范围窄。高级氧化技术成本高，常用氧化剂也会表现出氧化能力不强、存在选择性氧化等缺点，而且处理过程中容易引入杂质造成二次污染。膜分离法的成本较高，操作压力较大，造成膜法的能耗偏高。

近年来，利用半导体材料光催化降解有毒有害的污染物已成为重要的研究方向。光催化技术不仅能耗低、操作简便、反应条件温和、无二次污染，而且可有效地将有机污染物转化为无机小分子，达到完全无机化的目的。目前使用较多光催化剂是TiO₂，其具有光催化活性高、稳定性好的优点。然而TiO₂的带隙较宽，只能吸收λ≤387nm的紫外光，太阳能的利用率低。因此，开发一种代替TiO₂并且能简单高效处理亚甲基蓝染料废水的可见光催化剂具有重要的意义。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述技术问题，从而提供一种简单有效降解亚甲基蓝废水的可见光催化剂及其制备方法和应用。

为了实现上述目的，本发明通过大量试验研究后获得了如下技术方案：

一种用于处理亚甲基蓝染料废水的可见光催化剂，所述的可见光催化剂包括通式为Me_x•V₂O₅的组分，其中Me为钠元素或铜元素，x=0.2-0.4。

一种用于处理亚甲基蓝染料废水的可见光催化剂的制备方法，该方法包括如下步骤：以可溶性金属盐、五氧化二钒和双氧水为原料，在0-10℃的条件下搅拌溶解，然后加热至50-62℃后保温反应，至无气泡产生且底部有沉淀生成，过滤，干燥所得沉淀，经煅烧后获得通式为Me_x•V₂O₅的催化剂粉体；其中，所述的可溶性金属盐为可溶性钠盐或可溶性铜盐，Me为钠元素或铜元素，x=0.2-0.4。

优选地，如上所述用于处理亚甲基蓝染料废水的可见光催化剂的制备方法，其中所述的可溶性金属盐中的钠元素或铜元素与五氧化二钒的摩尔比为0.2-0.4：1。

优选地，如上所述用于处理亚甲基蓝染料废水的可见光催化剂的制备方法，其中所述的原料在0℃冰水浴下搅拌溶解。

进一步优选地，如上所述用于处理亚甲基蓝染料废水的可见光催化剂的制备方法，其中溶解后的原料在60℃水浴恒温加热下保温反应。

优选地，如上所述用于处理亚甲基蓝染料废水的可见光催化剂的制备方法，其中所述的干燥步骤是将沉淀在常温和空气条件下晾干。

优选地，如上所述用于处理亚甲基蓝染料废水的可见光催化剂的制备方法，其中所述的煅烧步骤是将干燥的沉淀放入马弗炉中，在200℃−500℃下煅烧3−5小时。

优选地，如上所述用于处理亚甲基蓝染料废水的可见光催化剂的制备方法，其中所述的双氧水的质量分数为8-12％。

本发明将亚甲基蓝染料废水引入圆柱形石英光催化反应器中，根据亚甲基蓝染料废水的浓度加入0.5~2g/L按上述方法制备的可见光催化剂粉体，再开启磁力搅拌器进行搅拌，使催化剂呈悬浮状态，然后接通氙灯光源，照射30-90分钟，利用光催化降解废水中的有机成分。所述氙灯置于石英冷阱内，该冷阱固定在圆柱形石英反应器中央，冷阱内的夹层中通有冷却水，通过调节冷却水的流量来消除氙灯的热效应。所述光源采用模拟太阳光谱的氙灯，滤光片滤去420 nm以下波长的紫外光谱。在本发明中也可以用太阳光照射。本发明在常温常压下具有催化降解效率高，工艺流程简单，无二次污染产生，并且运行费用低等特点，有很高的实际应用价值。

基于以上应用效果，本发明还提供了一种利用上述可见光催化剂处理亚甲基蓝染料废水的方法，其中该方法包括将所述可见光催化剂悬浮于亚甲基蓝染料废水中，在波长≥420nm的可见光照射30-90 min进行处理。

优选地，如上所述利用上述可见光催化剂处理亚甲基蓝染料废水的方法，其中按0.5~2.0g/L废水的比例加入所述可见光催化剂，在搅拌下处理。

与现有技术相比，本发明涉及处理亚甲基蓝染料废水的方法具有如下显著的优点和显著的进步：

（1）本发明的可见光催化剂制备方法简单，易于工业化生产。

（2）本发明的可见光催化剂活性高，去除污染物效果显著，能在较短的时间内快速而且高效降解污染物。

（3）本发明的废水处理方法在常温常压下即可进行，工艺流程简单和成本低。

（4）本发明的废水处理方法将污染物最终降解成无机小分子物质，从而避免了二次污染的产生。

具体实施方式

以下通过实施例形式对本发明的可见光催化剂的制备和应用再作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

称取0.01mol即1.81g五氧化二钒，再取0.43g即0.003mol无水硫酸钠，使两者在冰水浴条件下溶解于10％的40mL双氧水中，完全溶解后，将混合溶液置于水浴锅上于60℃进行恒温反应，将反应生成的红褐色沉淀过滤后室温晾干，而后将晾干的沉淀物放置于坩埚后转移到马弗炉中于300℃煅烧3h，冷却后取出备用。

将40 mL浓度为70.0 mg/L的亚甲基蓝染料废水加入圆柱形石英光催化反应器中，加入按上述方法制备得到的催化剂40 mg，磁力搅拌使光催化剂一直处于悬浮状态，然后用300 W 氙灯照射（内置滤光片滤去420 nm以下波长光谱）。在波长≥420 nm的可见光照射60 min后，亚甲基蓝的降解率为99.20%。而在没有无水硫酸钠存在下，按本实施例催化剂方法制备得到的五氧化二钒对亚甲基蓝的降解率仅为51.14%。

实施例2

称取0.01mol即1.81g五氧化二钒， 0.002mol 即0.483g三水硝酸铜，使两者在冰水浴条件下溶解于含量为10％的40mL双氧水中，完全溶解后，将混合溶液置于水浴锅上于60℃进行恒温反应，将反应生成的红褐色沉淀过滤后室温晾干，而后将晾干的沉淀物放置于坩埚后转移到马弗炉中于200℃煅烧3h，冷却后取出备用。

将40 mL浓度为70.0 mg/L的亚甲基蓝染料废水加入圆柱形石英光催化反应器中，加入按上述方法制备得到的催化剂40 mg，磁力搅拌使光催化剂一直处于悬浮状态，然后用300 W 氙灯照射（内置滤光片滤去420 nm以下波长光谱）。在波长≥420 nm的可见光照射60 min后，亚甲基蓝的降解率为99.17%。而在没有硝酸铜存在下，按本实施例催化剂方法制备得到的五氧化二钒对亚甲基蓝的降解率仅为51.14%。

实施例3

称取0.01mol即1.81g五氧化二钒， 0.003mol 即0.725g三水硝酸铜，使两者在冰水浴条件下溶解于10％的40mL双氧水中，完全溶解后，将混合溶液置于水浴锅上于60℃进行恒温反应，将反应生成的红褐色沉淀过滤后室温晾干，而后将晾干的沉淀物放置于坩埚后转移到马弗炉中于300℃煅烧3h，冷却后取出备用。

将40 mL浓度为70.0 mg/L的亚甲基蓝染料废水加入圆柱形石英光催化反应器中，加入按上述方法制备得到的催化剂40 mg，磁力搅拌使光催化剂一直处于悬浮状态，然后用300 W 氙灯照射（内置滤光片滤去420 nm以下波长光谱）。在波长≥420 nm的可见光照射60 min后，亚甲基蓝的降解率为99.50%。

实施例4

称取0.01mol即1.81g五氧化二钒， 0.003mol 即0.967g三水硝酸铜，使两者在冰水浴条件下溶解于10％的40mL双氧水中，完全溶解后，将混合溶液置于水浴锅上于60℃进行恒温反应，将反应生成的红褐色沉淀过滤后室温晾干，而后将晾干的沉淀物放置于坩埚后转移到马弗炉中于500℃煅烧5h，冷却后取出备用。

将40 mL浓度为70.0 mg/L的亚甲基蓝染料废水加入圆柱形石英光催化反应器中，加入按上述方法制备得到的催化剂40 mg，磁力搅拌使光催化剂一直处于悬浮状态，然后用300 W 氙灯照射（内置滤光片滤去420 nm以下波长光谱）。在波长≥420 nm的可见光照射60 min后，亚甲基蓝的降解率为92.07%。