Cu基ZnO薄膜紫外光催化降解水中有機(jī)污染物

閆 盛

（陜西省石油化工學(xué)校,陜西 西安 710061）

摘 要：利用Cu基ZnO薄膜紫外光催化降解水體中的有機(jī)污染物是一項非常有前景的水處理技術(shù)，本文利用電化學(xué)沉積方法，在鋅鹽的水溶液中沉積制備Cu基ZnO薄膜，并以較難降解的偶氮類有色化合物甲基橙是為例，紫外光照射下，用制備好的Cu基ZnO薄膜降解水中甲基橙，結(jié)果表明有很好的催化降解效能。該技術(shù)還沒有得到廣泛應(yīng)用，有待于進(jìn)一步完善。

關(guān)鍵詞：紫外光催化降解；甲基橙；Cu基ZnO薄膜

中圖分類號：X703；O644 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

環(huán)境工程

Cu基ZnO薄膜紫外光催化降解水中有機(jī)污染物

閆 盛

（陜西省石油化工學(xué)校,陜西 西安 710061）

摘 要：利用Cu基ZnO薄膜紫外光催化降解水體中的有機(jī)污染物是一項非常有前景的水處理技術(shù)，本文利用電化學(xué)沉積方法，在鋅鹽的水溶液中沉積制備Cu基ZnO薄膜，并以較難降解的偶氮類有色化合物甲基橙是為例，紫外光照射下，用制備好的Cu基ZnO薄膜降解水中甲基橙，結(jié)果表明有很好的催化降解效能。該技術(shù)還沒有得到廣泛應(yīng)用，有待于進(jìn)一步完善。

關(guān)鍵詞：紫外光催化降解；甲基橙；Cu基ZnO薄膜

中圖分類號：X703；O644 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：Degradation of organic pollutants in water catalyzed by copper-based zinc oxide film under UV is a forward-looking technology.The copper-based zinc oxide film was prepared by electrochemical depositionmethod which deposited Cu in zinc salt solution.Themethyl orange was degraded by copper-based zinc oxide film under UV,the results showed better degradation performance.The technology hasn't been widespread applied,should be further improved.

Key words：degradation by UV;methyl orange;copper-based zinc oxide film

自1972年日本學(xué)者Fujishima.A和Honda.K首次發(fā)現(xiàn)光催化化降解水中有機(jī)物，目前該項技術(shù)在理論和實際應(yīng)用中都取得較大的發(fā)展。這種方法與傳統(tǒng)水處理技術(shù)中以污染物的分離、濃縮以及相轉(zhuǎn)移等為主的物理方法相比，具有明顯的節(jié)能、高效、污染物降解徹底等優(yōu)點。光催化降解處理有機(jī)污染物的機(jī)理通常被認(rèn)為是：當(dāng)半導(dǎo)體材料吸收的光能高于一定能量時，就會被激發(fā)而與水、電子及溶解氧發(fā)生反應(yīng)，分別產(chǎn)生了HO-和由于 HO-和O-都

2具有強氧化性，從而促進(jìn)有機(jī)物的氧化降解。

作為理想的光催化劑[3]，半導(dǎo)體材料具有價廉、無毒、穩(wěn)定、作用時間長、可回收利用等特點。其中ZnO的綜合性能好于其它的半導(dǎo)體材料[4]，因此，選擇ZnO薄膜光催化降解水中有機(jī)污染是很有前景的水處理技術(shù)，作者嘗試性對此做了些淺顯探索。

1 儀器設(shè)備及試劑

電熱恒溫水浴鍋（上海醫(yī)療器械五廠）；HDV-7C晶體管恒電位儀（福建省三明市無線電二廠）；TG328B分析天平（上海天平儀器廠）；pHS-25C實驗室 pH計（上海理達(dá)儀器廠）；SRJX-4-13高溫箱式電阻爐（北京市永光明醫(yī)療儀器廠）；紫外燈（南京紫外電器有限責(zé)任公司（20W））；721E型可見分光光度計（上海光譜儀器有限公司）；213型鉑電極（上海精密儀器有限公司）；此外，本實驗還用到了砂紙、容量瓶、燒杯、比色管等。

Na3PO4、HNO3、HSO4、NaOH、HCL、NaNO3、K2SO4、甲基橙、Zn（NO3）2·6H2O（A.R.）。

2 實驗步驟

2.1 ZnO薄膜的制備[5]

采用自制的簡單電解池體系，鋅片做陽極，分別用Cu導(dǎo)電玻璃作為陰極，在恒電流的條件下沉積ZnO薄膜。

2.1.1 襯底的預(yù)處理 將金屬銅片依次用120～320目砂紙打磨，以自來水沖洗凈。接著用堿液（稱取2～3g Na2CO3和2～3g Na3PO4配置成50mL溶液）在70～80℃下除油15min，然后進(jìn)一步酸洗去除襯底表面的氧化物，其酸洗溶液的成分及規(guī)范見表1。

表1 酸洗溶液的成分及規(guī)范Tab.1 The solution composition and norms

其中硝酸具有整平作用，少量鹽酸起光亮作用。處理時溫度必須嚴(yán)格控制。將銅襯底在酸洗液中浸1～3s后立即拿出，用大量蒸餾水沖洗后自然晾干以備用。2.1.2 沉積Cu基ZnO薄膜 本實驗用HNO3和KOH溶液控制pH值為5.5左右，采用兩電極體系，鋅片作為陽極，Cu片為陰極。電流不能過大，保持在3mA·cm-2以下為宜。電解液為用蒸餾水配置的濃度為 0.5～1.0mol·L-1Zn（NO3）2水溶液，電解池置于恒溫水浴槽中，沉積溫度為65℃，兩電極間距為2.5cm，沉積時間為15min。能沉積出晶粒非常小、表面較為光滑的ZnO層[6]。

2.2 利用Cu基ZnO薄膜催化降解甲基橙

2.2.1 甲基橙溶液最大吸收波長的測定與標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

2.2.1.1 甲基橙溶液最大吸收波長的測定 配制25mg·L-1的甲基橙溶液，從波長390nm開始測吸光度，其數(shù)據(jù)見圖1和表2。

圖1 甲基橙最大吸收波長的測定Fig.1 Determination ofmaximum absorption wavelength of methyl orange solution

表2 甲基橙溶液最大吸收波長的測定Tab.2 Determination ofmaximum absorption wavelength of methyl orange solution

由圖1可得甲基橙溶液在458nm處有最大吸收。

2.2.2.2 甲基橙溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線 在10個25mL的比色管中分別加入 0.0、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、15.0、20.0、25.0mL甲基橙標(biāo)準(zhǔn)使用液（25mg·L-1），用蒸餾水稀釋至標(biāo)線，在458nm下用721分光光度計分別測其吸光度見表3和圖2。

表3 甲基橙溶液的C-A測定Tab.3 C-A determination ofmethyl orange solution

圖2 甲基橙標(biāo)準(zhǔn)曲線的測定Fig.2 Determination ofmethyl orange standard curve

得到的標(biāo)準(zhǔn)方程和相關(guān)系數(shù)：

式中 y：甲基橙吸光度；x：甲基橙溶液濃度，mg·L-1。

理論上去除率=（原始濃度-處理后濃度）/原始濃度×100%，但從上面所做的甲基橙標(biāo)準(zhǔn)曲線說明吸光度和濃度基本呈線性關(guān)系。因此，后續(xù)實驗中去除率可以用吸光度的變化來表征，即去除率=（原始吸光度-處理后吸光度）/原始吸光度×100%，可用公式表示為:去除率=（A0-At）/A0×100%。

2.2.2 pH值對甲基橙紫外光降解的影響 本實驗通過NaOH溶液和稀HCl調(diào)節(jié)pH值,采用Cu基ZnO薄膜，于石英容器中加入25mg·L-1的甲基橙溶液40mL，在紫外光下照射2h，每30min取一次樣，用721型分光光度計測其吸光度。計算出去除率，考察其變化對甲基橙降解的影響，實驗結(jié)果見表4和圖3。

表4 pH值對甲基橙去除的影響（銅基體）Tab.4 pH value on the influence ofmethyl orange removal（Coppermatrix）

圖3 pH值對甲基橙去除的影響(銅基體)Fig.3 pH value on the influence ofmethyl orange removal（Coppermatrix）

由圖3的曲線可以發(fā)現(xiàn)，甲基橙在酸性和中性條件下的降解率高于在堿性條件下，而在酸性條件下略高于中性條件下。即ZnO薄膜在不同pH值下的光催化效果：酸性＞中性＞堿性。

此外，在無紫外光照射下，用銅基ZnO薄膜處理甲基橙2h。實驗發(fā)現(xiàn)，甲基橙去除率均小于2%，這就說明甲基橙的去除主要是紫外光催化的結(jié)果。

3 結(jié)論

本實驗用陰極電化學(xué)沉積的方法在銅沉積ZnO薄膜，實驗發(fā)現(xiàn)在溫度為65℃條件下，Zn（NO3）2濃度 1mol·L-1，pH 值 5.5，電流密度 3mA·cm-2時可在銅基體上沉積出光滑致密的ZnO薄膜。

用沉積得到的ZnO薄膜紫外光催化降解甲基橙，發(fā)現(xiàn)銅基的ZnO薄膜具有明顯的光催化性能。探討了甲基橙初始濃度、pH值對甲基橙降解過程的影響。從實驗結(jié)果可以得出甲基橙在偏酸性條件下的降解率較高。

利用ZnO薄膜紫外光催化降解水體中的有機(jī)污染物是一項非常有前景的水處理技術(shù)，但還沒有廣泛應(yīng)用于實際中，有待于進(jìn)一步完善。

［1］陳士夫，梁新，等.空心伯利微球負(fù)載TiO2光催化降解有機(jī)磷農(nóng)藥［J］.感光科學(xué)與光催化，1999,17（1）：85-91.

［2］胡清，王怡中，湯鴻霄.多相光催化氧化的理論與實踐發(fā)展［J］.環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1995,3（1）：55-62.

［3］左國防，楊聲，王小芳.太陽光-二氧化鈦催化降解水中有機(jī)污染物的研究［J］.天水師范學(xué)院學(xué)報，2001,21（2）:42-43.

［4］李秀艷,劉平安,曾令可,等.納米 ZnO光催化降解甲基橙研究［J］.分析測試學(xué)報，2007,26（1）:38-41.

［5］王英連,孫汪典.ZnO薄膜光催化降解苯酚實驗［J］.化學(xué)工程，2006,34（3）:39-42.

［6］陳志剛,唐一文,張麗莎,等.氧化鋅薄膜的電化學(xué)沉積和表征［J］.物化學(xué)學(xué)報，2005,21（6）:612-615.

Degradation of organic pollutants in water catalyzed by copper-based zinc oxide film under UV

YAN Sheng

（Shanxi Petrochemical Engineering College,Xi'an 710061,China）

1002-1124（2011）07-0034-03

2011-04-25

閆 盛（1971-），女，陜西咸陽人，講師，1995年畢業(yè)于西北大學(xué)，現(xiàn)就職于陜西省石油化工學(xué)校環(huán)境工程系，從事教學(xué)工作。