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纳米ZnO处理含Pb2+废水的实验分析

2021-09-27

黑龙江水利科技 2021年9期
关键词:废水高压纳米

崔 月

(黑龙江省大庆水文水资源中心,黑龙江 大庆 163000)

0 引 言

Pb2+是一种对人体危害较大的重金属离子。水体中的Pb2+能够侵入人的脊柱、破坏造血系统,或者侵入神经组织、肾脏及消化系统造成脏器衰竭[1]。常规的处理方法有物理吸附法、絮凝法、生物处理法等[2-4],但这些方法均不能有效降解这些离子。这里介绍一种新型的降解方法,在光照条件下纳米ZnO能够催化降解水体中的Pb2+,进而降低其对环境的破坏力,维持水环境的稳态与平衡。

1 纳米ZnO的催化降解原理

纳米ZnO是一种新型半导体材料,具有较大的比表面积。当其受到≥禁带宽度Eg的紫外光或可见光hυ照射时,其表面的价电子被激发跃迁至能量更高的导带上,形成高能量的空穴-电子(h+(CB)-e-(VB))对,h+/e-对在ZnO表面发生一系列的反应进而转化成高活性的·OH自由基。反应式如(1)-(8),这些·OH自由基发生替代、取代和电子转移过程从而降解水体中的污染物。图1为反应原理图。

(1)

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(8)

图1 纳米ZnO光催化原理示意图

2 实验材料与测定方法

实验仪器有:分析天平、高压汞灯、电动离心机、磁力搅拌器、酸度计、超声清洗机等;实验药品有:纳米ZnO、Pb(NO3)2、Na2-EDTA、HNO3、二甲酚橙、六亚甲基四胺。实验药品配置方案见表1。

表1 实验药品配置方案

利用二甲酚橙作为指示剂,控制反应液的pH值为5-6。在此条件下,Pb2+与二甲酚橙形成紫色络合物,EDTA能够夺取Pb2+形成无色络合物,进而使反应溶液由紫色变为橙色[5]。反应式为H2Y2-+Pb2+=PbH2Y,溶液中Pb2+的计算公式如(9)。

(9)

式中:c为溶液中铅离子的质量分数,mg/L (M[Pb]=207.2g/ mol) ;V为滴入的Na2-EDTA体积,mL。

3 实验分析与结果

实验采用功率为 250W 的高压汞灯和正午阳光(哈尔滨3月春分时节)作为光源,使用0.010 0 mol/L的Na2-EDTA标准液进行滴定,记录反应前后酸式滴定管的读数,计算出Na2-EDTA标准液的消耗量。按照相应的物质的量比计算出Pb2+的浓度实验中,以含Pb2+盐溶液的降解率Dt表征该纳米 ZnO 样品的催化活性,降解率Dt的计算公式如(10)。

(10)

式中:A0为Pb(NO3)2溶液的初始质量浓度;At为反应时间为t时的Pb(NO3)2溶液质量浓度.

分别在不同光照时间、不同光照强度、不同初始Pb2+浓度、不同催化剂用量以及不同pH值条件下验证纳米ZnO对溶液体系中Pb2+的降解能力(见表2和图2)。

表2 不同条件下纳米ZnO对溶液体系中Pb2+的降解能力验证

(a)无光条件下纳米ZnO对Pb2+的降解 (b)高压汞灯下纳米ZnO对Pb2+的降解 (c)不同光源下纳米ZnO对Pb2+的降解

(d)不同初始浓度条件下纳米ZnO对Pb2+的降解能力比较

(e)不同纳米ZnO用量对Pb2+降解率的影响比较

(f)溶液pH值对纳米ZnO对Pb2+的降解能力的影响

实验结果如下:

1)当pH=5时,10mg纳米ZnO粉末投加到50mL1g/L的模拟含铅废水中,无光条件下两小时内最大降解率为50.4%;太阳光照射条件下,最大降解率为52.7%;高压汞灯照射条件下,最大降解率为64.2%;

2)在反应的两个小时内,增加纳米ZnO的用量时,其催化效率呈减小趋势,投入10mg纳米ZnO粉末时,催化效率最高,20mg时效率最低;

3)改变溶液中Pb2+浓度,发现纳米ZnO对1g/L以及4g/L的含Pb2+废水的降解效率较大,而对2g/L的含Pb2+废水的降解能力较弱;

4)随着H+浓度增大(pH减小),纳米ZnO中Zn2+溶出率增大,其催化效率明显降低。在pH=5时催化反应比较明显;

5)从反应时间以及无光-高压汞灯反应速率差值关系上发现,在反应的前30min,有光条件与无光条件下纳米ZnO对Pb2+降解能力相差不大,而在反应的30-90min,高压汞灯照射条件下纳米ZnO对Pb2+降解能力明显提高。

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