染料紡織業(yè)生產(chǎn)廢水是典型工業(yè)廢水之一，據統計工業(yè)廢水中17%~25%的廢水來(lái)自染料紡織業(yè)，此類(lèi)廢水中含有大量的含有π鍵的偶氮類(lèi)染料。在一定條件下，這一類(lèi)染料會(huì )分解成20多種致癌芳香胺。這一類(lèi)廢水若未經(jīng)處理排放到受納水體中，可能會(huì )嚴重影響接觸者的健康。對于偶氮類(lèi)染料廢水的處理方法有很多，常見(jiàn)的有混凝、吸附、化學(xué)氧化、光降解、生物法等。傳統的吸附、混凝存在著(zhù)吸附劑再生以及混凝污泥的處理困難等問(wèn)題，生物法則由于廢水中染料分子對微生物會(huì )產(chǎn)生毒性，處理效果不佳，光催化降解是近年來(lái)備受關(guān)注的處理方法之一。TiO2作為一種常見(jiàn)的光催化降解材料，具有較好的催化效果，適用范圍廣，降解較為徹底，但在實(shí)際應用中存在著(zhù)適用光吸收波長(cháng)局限在紫外光波段，反應后易流失，在空氣中易團聚等缺點(diǎn)。范文玉，王紅俠等提出制備TiO2的復合光降解材料以提高可見(jiàn)光波段的降解效果并改善其團聚的情況。聚苯胺(PANI)作為近年來(lái)性能優(yōu)質(zhì)的導電高分子材料，擁有著(zhù)特殊的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，因此備受人們的關(guān)注。聚苯胺對于可見(jiàn)光的利用率較高，能夠與TiO2進(jìn)行帶隙耦合，提高TiO2的在自然光條件下的降解能力。

本文采用化學(xué)氧化法，以過(guò)硫酸銨為氧化劑，制備聚苯胺和TiO2復合光降解材料，考察該復合材料對染料模擬廢水(以甲基橙為代表)的降解效果，取得較為理想的實(shí)驗結果。

1、實(shí)驗

1.1 試劑

苯胺，過(guò)硫酸銨，鹽酸，甲基橙，乙醚，均購于國藥集團化學(xué)試劑有限公司，以上藥品均為化學(xué)純；TiO2，德國德固賽P25；去離子水。

1.2 儀器設備

Tecnai12透射電鏡，荷蘭Philips；GeminiSEM300蔡司場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡系統，德國CarlZeiss；紫外-可見(jiàn)-近紅外吸收光譜儀Cary5000，美國Varian；UV1801紫外可見(jiàn)分光光度計，北京瑞麗分析儀器公司；圣科101系列數顯鼓風(fēng)干燥箱，上海圣科儀器設備有限公司；EMS-9B磁力加熱攪拌器，天津歐諾儀器股份有限公司。

1.3 實(shí)驗方法

1.3.1 不同配比復合材料的制備

定量稱(chēng)取TiO2，經(jīng)超聲分散在50mL濃度為2mol/L的鹽酸中，充分分散后加入1mL苯胺，并在0~5℃條件下攪拌混勻，稱(chēng)取2.4g過(guò)硫酸銨，將其溶于25mL的去離子水中，然后逐滴加到苯胺和TiO2的混合體系中，并在30min內完成滴加。將系統保持在0~5℃條件下持續攪拌3h。反應完成后進(jìn)行抽濾，用乙醚洗滌濾餅數次，直至充分吸取濾餅中殘留的未反應的苯胺和過(guò)硫酸銨，后用去離子水洗滌濾餅數次直至洗滌液未檢出CI-離子，將所得固體在60℃下干燥至恒重，以獲得TiO2和聚苯胺復合材料，將其研磨以備后用。

1.3.2 聚苯胺/TiO2復合材料對染料模擬廢水降解研究

定量稱(chēng)取不同配比的催化材料，放入100mL濃度30mg/L的甲基橙溶液中，在黑暗中超聲分散10min，可見(jiàn)光條件下降解，每20min取樣測試，并在相同條件下以純TiO2做降解對比實(shí)驗。

2、結果與討論

2.1 復合材料表征

2.1.1 復合材料掃描電鏡和投射電鏡表征

針對TiO2/ANI摩爾比為10:1的復合材料和聚苯胺進(jìn)行掃描電鏡和透射電鏡表征。

電鏡照片顯示，球形TiO2顆粒沉積在聚苯胺表面上，分散較好，表明TiO2易于團聚的現象得到了較好地改善。同時(shí)發(fā)現純苯胺經(jīng)聚合后外觀(guān)呈現纖維狀，而與TiO2復合后材料的外觀(guān)呈顆粒狀，因為TiO2在苯胺的聚合反應中起凝聚核作用，聚合后的材料外觀(guān)從纖維狀變?yōu)轭w粒狀。

2.1.2 復合材料紅外光譜分析

紅外譜圖中509cm-1處有明顯的吸收峰，該峰是TiO2的特征吸收峰，預示著(zhù)材料中TiO?的存在，而在1145cm-1和1565cm-1之間的多個(gè)吸收峰中1145cm-1處的吸收峰，這是聚苯胺結構中電子離域的表現，1245cm-1和1301cm-1兩處吸收峰為C-N鍵在平面中彎曲振動(dòng)的特征峰，預示著(zhù)材料中存在C-N結構，而1484cm-1則是苯結構中C=C鍵伸縮振動(dòng)的吸收峰，1565cm-1是材料中C=N鍵伸縮振動(dòng)吸收峰，預示著(zhù)聚苯胺醌式結構的存在，且苯式-醌式結構共存，同時(shí)可以通過(guò)兩峰的強弱判斷聚苯胺的氧化程度，1565cm-1處吸收峰強度越大，說(shuō)明聚苯胺的氧化程度越高，3430cm-1處較寬的吸收峰則是胺中N-H鍵伸縮振動(dòng)的吸收峰，同時(shí)由于TiO2的O原子與聚苯胺中的H之間可形成氫鍵，氫鍵在該峰附近也產(chǎn)生吸收，使此處的峰寬變大。

2.2 復合材料對甲基橙模擬廢水降解研究

2.2.1 最佳配比實(shí)驗

實(shí)驗考察了TiO2和苯胺不同摩爾比的復合材料在自然光條件下對甲基橙的降解效果，并以純TiO2作對比，得到實(shí)驗結果如圖3。

圖3數據顯示，在可見(jiàn)光條件下，復合光催化材料對甲基橙的催化效果比純TiO2在可見(jiàn)光下的催化降解效果理想，這是因為聚苯胺的禁帶寬度較小，聚苯胺在可見(jiàn)光易于被激發(fā)產(chǎn)生光電子，該光電子可以躍遷到TiO2的導帶，可與被吸附的O2反應生成O2-，同時(shí)聚苯胺由于電子躍遷形成的空穴也可與H2O生成OH-，并且TiO2的光生空穴也可以遷移至聚苯胺的π軌道，與OH-和H2O形成羥基自由基，通過(guò)這些自由基完成對甲基橙的攻擊，破壞其結構使之最終得以降解。反應機理如圖4所示。實(shí)驗中發(fā)現，聚苯胺的用量會(huì )影響光催化效果，聚苯胺量少則不易產(chǎn)生足夠的光電子，催化效果不佳，但用量過(guò)多則會(huì )對TiO2產(chǎn)生裹覆，從而影響其對可見(jiàn)光的吸收，研究表明同等條件下，當TiO2/ANI摩爾比為10:1時(shí)，甲基橙降解效果最佳。

2.2.2 pH影響實(shí)驗

pH值的改變有時(shí)會(huì )引起物質(zhì)結構的變化，以甲基橙為例，在中性或堿性溶液中，甲基橙表現為磺酸鹽的形式，而在酸性溶液中，則轉變?yōu)榛撬?，磺酸基與分子內的堿性二甲氨基形成含有對醌式結構的內鹽形式，這也是甲基橙在不同pH值下變色的原因；同時(shí)，pH值的變化會(huì )改變催化劑表面所帶電荷的性質(zhì)，進(jìn)而影響催化劑在溶液中對帶電物質(zhì)的吸附性能。實(shí)驗

中考察了在催化劑投加量在0.5g/L的條件下，pH=3，pH=5，pH=7，pH=9四個(gè)pH值條件下，經(jīng)過(guò)2h的反應TiO2/ANI摩爾比為10:1復合催化劑對甲基橙模擬廢水的降解效果，實(shí)驗結果見(jiàn)圖5。

實(shí)驗結果顯示，當pH=3的時(shí)，甲基橙的降解效果最顯著(zhù)，達到80.67%，且酸性條件和堿性條件降解效果均優(yōu)于中性條件。這是由于酸性條件下，復合材料所生成的光生電子和空穴主要利用材料表面的氧生成羥基自由基，而在堿性條件下羥基作為光生空穴的俘獲劑而生成羥基自由基，故在酸性條件和堿性條件下都有利于甲基橙被光催化復合材料生成的羥基自由基所氧化降解。有研究者"通過(guò)研究發(fā)現聚苯胺的等電點(diǎn)約為8.49，而TiO2的等電點(diǎn)約為6.5，可以考慮復合材料的等電點(diǎn)約在7.7，酸性條件可以使催化劑表面帶正電，甲基橙中的酸基更容易被吸附于催化劑表面而被降解。

同時(shí)，由于甲基橙在中性或堿性溶液中呈偶氮式的磺酸鹽形式，而在酸性溶液中轉變?yōu)榛撬?，與分子內的堿性二甲氨基成內鹽形式，呈醌式結構，有研究表明，甲基橙的醌式結構比偶氮式結構更易于發(fā)生脫碳降解，故酸性條件甲基橙的降解速度高。

2.2.3 投加量影響實(shí)驗

實(shí)驗研究了pH=3時(shí)，TiO2/ANI摩爾比為10:1的復合催化劑在不同投加量條件下2h的降解效果，實(shí)驗結果見(jiàn)圖6。

圖6實(shí)驗結果表明，該催化劑0.5g/L的投加量，經(jīng)過(guò)2h甲基橙模擬廢水的降解率為80.67%，繼續增加催化劑的投加量至1g/L時(shí)，發(fā)現降解率提高不大，進(jìn)一步加大投加量，降解效率反而出現下降，主要是由于在一定范圍內隨著(zhù)催化劑投加量的增加，催化活性中心點(diǎn)增加，降解效果提高顯著(zhù)，但進(jìn)一步增加催化材料用量，則會(huì )影響光在溶液中的傳播，部分催化劑表面活性點(diǎn)不能有效利用光進(jìn)行催化降解，催化效果下降。根據實(shí)驗確定最佳投加量0.5g/L。

2.3 甲基橙降解性能及動(dòng)力學(xué)研究

實(shí)驗考察了復合材料在最佳降解條件下降解甲基橙的紫外可見(jiàn)波段內降解效果變化，隨著(zhù)時(shí)間推移，甲基橙的特征峰逐漸減弱，說(shuō)明甲基橙被有效降解。

同時(shí)考察了復合材料對甲基橙模擬廢水降解的動(dòng)力學(xué)參數，將降解濃度變化數據按In(C。/C)對時(shí)間(t)進(jìn)行數據擬合，同時(shí)以純TiO2作對比，得到擬合結果見(jiàn)圖8和表1。

由圖8和表1的結果可見(jiàn)，在相同實(shí)驗條件下，純TiO2和與聚苯胺復合改性后的催化材料對甲基橙模擬廢水的降解均符合準一級降解動(dòng)力學(xué)規律，同時(shí)通過(guò)反應速率常數和半衰期數值可以看出，經(jīng)聚苯胺修飾后的TiO2對甲基橙模擬廢水的降解效果優(yōu)于純TiO2，可見(jiàn)通過(guò)與聚苯胺的復合，提高了TiO2在自然光條件下對甲基橙模擬廢水的降解效果。

3、結論

采用化學(xué)氧化法在液相中制備了聚苯胺/TiO2光降解復合材料。通過(guò)研究發(fā)現，當TiO2/ANI的摩爾比為10:1時(shí)，甲基橙模擬廢水的濃度為30mg/L時(shí)的降解效果最好。電鏡和紅外表征發(fā)現TiO2和聚苯胺有效地復合。自然光降解實(shí)驗結果表明經(jīng)聚苯胺改性后的TiO2光生電子與空穴的復合的幾率降低，使得TiO2在自然光條件下對甲基橙也具備了較好地降解效果。實(shí)驗同時(shí)研究了該復合催化材料在降解甲基橙過(guò)程中最佳pH條件和最佳投加量，實(shí)驗數據表明當廢水pH=3，催化劑用量為0.5g/L時(shí)，2h對甲基橙模擬廢水的降解率可達80.67%，同時(shí)發(fā)現酸性條件有利于甲基橙在液相中以醌式結構出現，并被吸附和降解；催化劑的用量在一定范圍內有利于提高降解效果，但用量過(guò)多則影響光在溶液中的穿透，對降解產(chǎn)生不利影響。（來(lái)源：揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，江蘇省環(huán)境監測中心）