光催化降解甲基橙实验报告Word下载.docx
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O2+e-+H+→·
O2-+H+→·
OOH
2HOO·
→O2+H2O2
H2O2+·
O2→OH+OH-+O2
·
O2-+2H+→H2O2
此外·
OH，·
OOH和H2O2之间可以相互转化
OH→·
OOH+H2O2
利用高度活性的羟基自由基.OH无选择性地将氧化包括生物难以降解的各种有机物并使之完全无机化。
有机物在光催化体系中的反应属于自由基反应。
四基橙染料是一种常见的有机污染物，无挥发性，且具有相当高的抗直接光分解和氧化的能力；
其浓度可采用分光光度法测定，方法简便，常被用做光催化反应的模型反应物。
四基橙的分子式如图1所示：
图1甲基橙分子结构
从结构上看，它属于偶氮染料，这类染料是染料各类中最多的一种，约占全部染料的50%左右。
根据已有实验分析，甲基橙是较难降解的有机物，因而以它作为研究对象有一定的代表性。
三、仪器试剂
722型分光光度计1台；
125W高压汞灯1支；
反应器1个；
充气泵1个；
恒温水浴1套；
磁力搅拌器1台；
离心机1台；
台秤1台；
秒表1块；
10mL移液管1支；
20mL移液管1支；
500mL量筒1支；
吸耳球；
离心管7支。
甲基橙贮备液（1000mg/L）；
纳米TiO2（P25）。
四、实验步骤
1、了解可见光分光光度计的原理与使用方法，参阅有关教材及文献资料。
2、调整分光光度计零点
打开722型分光光度计电源开关，预热至稳定。
调节分光光度计的波长旋钮至462nm。
打开比色槽盖，即在光路断开时，调节“0”旋钮，使透光率值为0.取一只1cm比色皿，加入参比溶液蒸馏水，擦干外表面（光学玻璃面应用擦镜纸擦拭），放入比色槽中，确保放蒸馏水的比色皿在光路上，将比色槽盖合上，即光路通时，调节“100”旋钮使透光率值为100%。
3、四基橙光催化降解
进行光催化反应实验时，首先向反应器内加入10mL的1000mg/L的甲基橙贮备液，并加480mL水稀释，配成500mL的20mg/L的甲基橙溶液，然后加入0.2g纳米TiO2催化剂，磁力搅拌使之悬浮。
避光充空气搅拌30min，使甲基橙在催化剂的表面达到吸附/脱附平衡，移取10mL溶液于离心管内。
然后开通冷却水，并开启淘汰进行光催化反应25min，每隔5min移取10mL反应液，经离心分离后，取上清液进行可见分光光度法分析。
采用722型可见分光光度计，通过反应液的吸光度A测定来监测甲基橙的光催化脱色和分解效果。
在0—20mg/L范围内，甲基橙溶液浓度与其462nm处的吸收什呈极显著的正相关（相关系数达0.999以上）。
五、数据处理
1、设计实验数据表，记录温度。
A0，A等数据；
实验温度：
29.2℃
t/min
A0－A
η
1/A
ln（1/A）
2.397
0.000
0.0000
0.4172
-0.8742
5
1.602
0.795
0.3317
0.6242
-0.4713
10
1.026
1.371
0.5720
0.9747
-0.0257
15
0.517
1.880
0.7843
1.9342
0.6597
20
0.305
2.092
0.8728
3.2787
1.1874
25
0.175
2.222
0.9270
5.7143
1.7430
30
0.044
2.353
0.9816
22.7273
3.1236
表1实验数据表
2、采用积分法中的作图法由实验数据确定反应级数。
根据本实验的原理部分知道，该反应是一个表面催化反应，而一般表面催化反应更多的是零级反应；
不妨设纳米Ti02光催化降解甲基橙的反应是一级反应：
即ln（1/A）=
k1t
+常数
显然，以浓度ln（1/A）对时间t作图
图2ln（1/A）~t图
据图2可知，在0—25min中时ln（1/A）~t关系成一直线，因此符合假设，即纳米Ti02光催化降解甲基橙的反应是一级反应。
3、由所得直线的斜率求出反应的速率常数k1
根据图2可知：
反应的速率常数k1=0.1071min－1。
4、计算甲基橙光催化降解的半衰期t1/2。
甲基橙光催化降解的半衰期t1/2=ln2/k1=6.47min
5、甲基橙降解率计算：
η=（c0-c）/c0，其中c0为光照前降解液浓度，c为降解后的浓度。
由于甲基橙溶液浓度和它的吸光度呈线性关系，所以降解脱色率又可以由吸光度计算，即η=（A0-A）/A0，其中A0为光照前降解液吸光度，A为降解后吸光度。
甲基橙的降解率，如表1所示，η~t的关系如图3所示。
图3η~t图
六、讨论与分析
1、600mL40mg/L的甲基橙溶液，0.2克纳米TiO2为催化剂，在高压汞灯光照条件下，30min中内可以最大降解率约98.16%。
2、该实验中采用积分法中的作图法由实验数据确定反应级数时，舍去了30min的数据，是因为数据偏差较大，可能是因为离心后依然有部分TiO2悬浮在溶液中，而最后一组的吸光度应该很低，所以微量TiO2也会影响测定的准确性。
最后得到ln（1/A）~t的线性相关度为99.29%，线性相关度好；
说明纳米Ti02在前30分钟搅拌充分，甲基橙在催化剂达到吸附/脱附平衡，且光照反应、取样、离心等操作到位，数据相关性较好。
3、由η~t图可知30min中内可以最大降解率约98.16%，且降解数度在约10分钟前降解率和时间几乎呈现线性关系，在之后的反应中降解率的变化变慢，降解速率下降，渐渐趋向平缓，越接近100%速率越低。
七、思考题
1、实验中，为什么用蒸馏水作参比溶液来调节分光光度计的透光率值为100%？
一般选择参比溶液的原则是什么？
答：
用蒸馏水作参比溶液来调节分光光度计的透光率值为100%，以消除溶液中的水对光的吸收反射或散射造成的误差。
一般选择参比溶液的原则：
当试样溶液、显色剂及所用的其它试剂在测定波长处均无吸收时，可选用蒸馏水作参比液；
若有显色剂或其它试剂对入射光有吸收，应选用试剂空白为参比；
若试样中其它组分有吸收，而显色剂无吸收且不与其它组分作用，应选用不加显色剂的试样溶液作参比液。
2、甲基橙溶液需要准确配制吗？
不需要；
根据实验结论可知，甲基橙浓度可以通过分光光度计测量；
因此整个实验中甲基橙溶液是不需要准确配制的。
3、甲基橙光催化降解速率与哪些因素有关？
影响甲基橙光催化降解速率因素有：
纳米Ti02颗粒大小、光照强度、搅拌程度、催化剂的用量、温度、溶液初始pH、溶液初始浓度等。
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