2. 北京大学环境科学与工程学院, 教育部水沙科学重点实验室, 北京 100871;
3. 华电电力科学研究院环保技术部, 杭州 310030;
4. 奥本大学工程学院, 美国 阿拉巴马 奥本 36849
2. The Key Laboratory of Water and Sediment Sciences, Ministry of Education, Department of Environmental Engineering, Peking University, Beijing 100871, China;
3. Huadian Electric Power Research Institute, Hangzhou 310030, China;
4. Department of Civil Engineering, Auburn University, Auburn, AL 36849, USA
纳米TiO2由于其独特的性质,如纳米尺度下的光电转化效应,量子尺寸效应,比表面和体积效应等,因而在环境修复领域被广泛应用[1, 2, 3]. 尤其是其作为一种性能优异的光催化材料,可有效降解有机污染物. 近些年,以TiO2为前驱体合成的钛酸纳米管(titanate nanotubes,TNTs)由于其具有很大的比表面积,极低的等电点,以及大量附着的离子交换位点,而对重金属阳离子表现出优异的吸附性能[4, 5, 6]. Xiong等[5]研究表明TNTs对Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附量分别可达520.83和238.61 mg ·g-1. Liu等[6]研究表明Pb(Ⅱ)、 Cd(Ⅱ)、 Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅲ)在TNTs上的吸附量很高,且重金属阳离子在TNTs上的吸附受水体中常规无机离子Na+、 K+、 Ca2+、 Mg2+的影响较小. Li 等[7]发现TNTs对大原子量的重金属(如Ag+、 Cu2+、 Pb2+ 和 Eu3+)的吸附更具选择性.
重金属和有机物作为环境中两类最为典型的污染物,其复合污染问题长久存在且处理较难. 研究表明,TiO2对金属离子的吸附量远低于TNTs[6, 8],而TNTs由于光激发产生的空穴-电子对极易复合而几乎没有光催化性能[9, 10]. 考虑到二者各自的优势,即TNTs对金属离子优异的吸附性能以及TiO2对有机物的高效降解能力,合成TiO2与TNTs的复合材料可有效同步去除重金属和有机物两类污染物. Cd(Ⅱ)作为一种毒性极强的重金属,世界和我国的Cd(Ⅱ)污染十分严峻,严重威胁生态系统和人类健康[11, 12, 13]. 另外,苯酚作为常用的化工原料,极易排放进入水体中,苯酚污染事件也屡见不鲜[14, 15].
本研究应用碱热和酸热法以P25型纳米TiO2为原料,合成了一种皆具TNTs和TiO2相的复合纳米材料(TiO2/TNTs),构建了吸附-光催化体系,分析了该材料对两类环境代表污染物,即重金属离子Cd(Ⅱ)和有机物苯酚的同步去除,以期为钛系材料应用于环境重金属和有机物的共修复领域提供了可参照的依据. 1 材料与方法 1.1 TiO2/TNTs的合成与表征
首先经碱热法由TiO2和NaOH合成钛酸纳米管[5, 6]. 1.2 g的纳米TiO2粉末(P25型,约80%的锐钛矿和20%的金红石)与10 mol ·L-1的NaOH溶液混合后,磁力搅拌24 h. 之后将混合液转入带有不锈钢外套的聚四氟乙烯反应器中,于130℃下反应72 h. 反应后的下层沉淀物经蒸馏水洗涤至流出液pH近中性后,置于烘箱中80℃烘4 h至干即得TNTs. 之后应用酸热法合成TiO2/TNT复合材料,0.2 g的TNTs加入16.5 mL pH为2的HNO3溶液中,磁力搅拌12 h后将混合物转入聚四氟乙烯反应釜中,120℃下反应24 h. 获得的材料经蒸馏水洗至中性后80℃烘干备用.
材料的形貌由Tecnai T20型透射电镜(TEM,FEI,美国)分析所得,样品经乙醇分散后于镀碳膜的铜网微栅上后,于300 kV高压下再进行TEM表征. 材料的晶型结构经X射线晶型衍射(XRD)分析所得,表征在D/max-2400型X射线衍射仪(Rigaku,日本)上于100 kV和40 mA下进行,以Cu Kα (λ =0.154 18 nm)为射线源,扫描速度为4(°) ·min-1,所得的结果应用JADE 5软件进行分析.
1.2 Cd(Ⅱ)和苯酚在TiO2/TNTs上的吸附吸附实验均在100 mL的锥形瓶中进行,50 mL 污染物溶液与一定量的TNTs混合后,调节溶液体系pH为5,将混合液置于摇床中振荡(25℃±0.2℃,200 r ·min-1). 吸附动力学实验中,初始Cd(Ⅱ)的浓度设定为20 mg ·L-1与50 mg ·L-1,TiO2/TNTs投加量为0.2 g ·L-1; 初始苯酚的浓度设定为0.2 mg ·L-1与 0.5 mg ·L-1,TiO2/TNTs投加量为1.0 g ·L-1. 整个动力学实验过程持续4 h,隔时取样,样品经10 000 r ·min-1离心10 min后,取上清液测定其中污染物的浓度. 吸附等温线实验中,初始Cd(Ⅱ)浓度范围设定为10~100 mg ·L-1,TiO2/TNTs投加量为0.2 g ·L-1,经4 h吸附取样离心测定; 初始苯酚浓度范围设定为0.1~1 mg ·L-1,TiO2/TNTs投加量为1.0 g ·L-1,经4 h吸附取样离心测定.
Cd(Ⅱ)的浓度经电感耦合等离子体-原子反射光谱仪(ICP-OES,Prodigy,Leeman,美国)分析测定. 苯酚的浓度经配置ZORBAX SB-C18柱(150 mm×4.6 mm×5 μm)的高效液相色谱(HP1100,Agilent,美国)测定,柱温恒定为30℃,流动相为体积比50 ∶50的甲醇与水,流速1 mL ·min-1,流出液在紫外检测器中于230 nm波长下分析.
两种污染物在TNTs上的吸附量由式(1)确定:
式中,Qe(mg ·g-1)为平衡时污染物的吸附量,V(L)为溶液总体积,c0和ce(mg ·L-1)分别为初始和平衡时污染物浓度,m(g)为材料的投加量.
重金属离子的去除率由式(2)确定:
光催化实验在总体积为300 mL(5 cm×5 cm×12 cm)的石英反应器中进行. 波长为365 nm的汞灯(150 W,北京电光源研究所,中国)作为紫外照射源,催化反应中心的紫外光强为2.5 mW ·cm-2. 紫外灯置于反应器一侧距器壁10 cm处,反应时反应器上方通入冷却气以维持体系温度为25℃±2℃.
首先进行TiO2/TNTs对苯酚的催化降解实验. 0.05 g的TiO2/TNTs与100 mL的苯酚溶液(初始浓度5 mg ·L-1)混合后,调节体系pH为5,混合液置于石英反应器中,暗室中磁力搅拌4 h以达到吸附-解吸平衡. 之后开启紫外灯,催化反应180 min,特定时间间隔取样后,离心后测定上清液中苯酚的浓度. 建立吸附-光催化体系以研究TiO2/TNTs对Cd(Ⅱ)和苯酚的共去除,Cd(Ⅱ)与苯酚混合后置于石英反应器中,二者的初始浓度分别设定为20 mg ·L-1与5 mg ·L-1,TiO2/TNTs投加量为0.05 g ·L-1,暗室反应4 h后开灯进行光催化实验. 同时研究相同实验条件下未投加材料紫外灯对苯酚的光降解作为对照.
1.4 共存离子对TiO2/TNTs去除Cd(Ⅱ)和苯酚的影响水体中最为常规的Na+与Ca2+选为代表性离子以研究其对TiO2/TNTs同步去除Cd(Ⅱ)和苯酚的影响. 在初始浓度分别为20 mg ·L-1与5 mg ·L-1的Cd(Ⅱ)与苯酚的混合液中,分别投加NaCl与CaCl2溶液,使得Na+和Ca2+的浓度为1、 5和10 mmol ·L-1,调节混合体系pH为5. 混合体系在暗室反应4 h后开灯光催化,180 min光催化反应后取样离心测定上清液中Cd(Ⅱ)与苯酚的浓度.
1.5 TiO2/TNTs的再生与循环利用在材料对Cd(Ⅱ)和苯酚的共去除实验后,对TiO2/TNTs进行再生以研究其循环利用效果. 具体而言,吸附-光催化实验后,将TiO2/TNTs用0.22 μm的滤膜进行抽滤截留,自然风干后,将材料浸入0.2 mol ·L-1的HNO3溶液中磁力搅拌3 h实现对Cd(Ⅱ)的解吸,抽滤风干后再浸入0.2 mol ·L-1的NaOH溶液中再生. 以1.3节所述的实验步骤,研究再生后的材料对Cd(Ⅱ)和苯酚的共去除效果,整个循环持续3次. 2 结果与讨论 2.1 TiO2/TNTs的性质
原材料TiO2(P25)与合成的TiO2/TNTs形貌如图 1所示. 从中可见,前驱体P25型TiO2为一类直径为20~30 nm球状或不规则四边形状纳米颗粒. 碱热反应后,合成的TNTs呈现出与原TiO2完全不同的形貌特征,为一类中空、 两端开口的多壁纳米管,且管径均一. 酸热反应后,合成的TiO2/TNTs复合材料主要呈短管状,管径约为10 nm,表明酸热过程会致使钛酸纳米管部分断裂,重新向TiO2形态转化,从而形成TiO2与TNTs的复合材料.
![]() | 图 1 TiO2、TNTs和TiO2/TNTs的TEM图Fig. 1 TEM images of TiO2, TNTs and TiO2/TNTs |
TiO2,TNTs与TiO2/TNTs的晶型组成如图 2所示. 从中可见,P25型TiO2皆锐钛矿(2θ为26°、 38°、 48°、 54°、 56°和68°)和金红石(2θ为28°、 37°、 39°、 42°、 57°和63°)的衍射峰[16, 17, 18]. 碱热合成TNTs后,所有锐钛矿和金红石峰都不复存在,取而代之的是钛酸钠(NaxH2-xTi3O7 ·nH2O,x为0~0.75,取决于剩余Na的含量)的晶格衍射. 其中T100(2θ约为10°)代表TNTs的层间结构,峰高明显,表明合成的TNTs为层状单斜钛酸盐,其基本组成结构为三联的[TiO6]八面体,H+和Na+填充于层间,是金属阳离子吸附的主要位点[7]. 酸热反应之后,材料中重新出现锐钛矿和金红石峰,但TNTs的层间峰(T100)依然保留,表明仅有部分钛酸盐重新向TiO2相转化,由此得到了TiO2/TNTs复合材料,这与图 1中材料的形貌特征吻合.
![]() | 图 2 TiO2、TNTs和TiO2/TNTs的XRD谱图Fig. 2 XRD patterns of TiO2, TNTs and TiO2/TNTs |
Cd(Ⅱ)和苯酚在TiO2/TNTs上的吸附动力学如图 3所示. 从中可见,TiO2/TNTs对Cd(Ⅱ)表现出优异的吸附性能. Cd(Ⅱ)初始浓度为20 mg ·L-1时,去除率可达99.6%; Cd(Ⅱ)初始浓度为50 mg ·L-1时,吸附量可达122.0 mg ·g-1. 且材料对Cd(Ⅱ)的吸附动力学过程很快,30 min即可达到吸附平衡. 但TiO2/TNTs对苯酚的吸附能力较弱,当苯酚初始浓度为0.5 mg ·L-1时,吸附量也仅为0.33 mg ·g-1. 另外,TiO2/TNTs对苯酚的吸附动力学过程也较慢,2 h 才可达到吸附平衡. TiO2/TNTs对于Cd(Ⅱ)和苯酚的吸附性能的不同是由两种污染物在水溶液中的形态及材料的吸附位点所决定的,二者的吸附机制将在后续章节中详细论述.
![]() | 图 3 Cd(Ⅱ)和苯酚在TiO2/TNTs上的吸附动力学Fig. 3 Adsorption kinetics of Cd(Ⅱ) and phenol on TiO2/TNTs |
以准一级和准二级反应动力学模型分析吸附动力学结果,表达式分别如下[19, 20].
准一级动力学模型:
准二级动力学模型:
式中,Qt 和Qe (mg ·g-1) 分别为时间t (min)和平衡时污染物的吸附量,k1 (min-1) 和 k2 [g ·(mg ·min)-1]分别为准一级和准二级动力学模型常数.
拟合所得的两种污染物在TNTs上吸附的动力学参数如表 1所示. 结果所示Cd(Ⅱ)和苯酚在TiO2/TNTs上的吸附都满足准二级动力学模型(R2>0.999),且拟合得到的平衡吸附量与实验所得的吸附量近似相等. 由此表明Cd(Ⅱ)离子及苯酚分子与TiO2/TNTs相互之间的化学作用过程是吸附的限速步骤,表现为溶液中的Cd(Ⅱ)离子或苯酚分子首先向材料表面的迁移,继而与表面的—ONa/—OH官能团发生作用[20]. 对于Cd(Ⅱ)的吸附来说,实验条件下(pH 5),Cd(Ⅱ)呈二价的阳离子形态,其吸附机制为Cd2+与材料中TNTs层间Na+/H+的离子交换作用[18, 21],反应过程为:
![]() | 表 1 Cd(Ⅱ)和苯酚在TiO2/TNTs上的吸附动力学模型拟合参数Table 1 Kinetic model fitting parameters for adsorption of Cd(Ⅱ) and phenol on TiO2/TNTs |
或
至于苯酚的吸附,其在pH为5时呈分子形态(pKa=9.89),因此其吸附机制为苯酚分子与TNTs和TiO2表面钛羟基的络合作用,反应过程如下:
引入经典的Langmuir和Freundlich吸附等温线模型对等温吸附实验结果进行拟合. Langmuir模型假设吸附位点在吸附剂表面均匀分布且吸附为单层吸附,相邻位点上的吸附质分子不存在相互作用[22]. 模型表示为:
式中,Qe (mg ·g-1) 为平衡时吸附量,ce (mg ·L-1)为金属离子平衡浓度,Qmax (mg ·g-1)为理论最大吸附量,b (L ·mg-1)是与吸附位点结合能相关的Langmuir常数.
Freundlich等温线模型是用来描述吸附质在吸附剂表面发生不均一吸附的经验公式[23],表示为:
式中,KF[mg ·g ·(L ·mg)1/n]为与吸附量有关的Freundlich常数,n为与吸附剂强度相关的异质性因子.
拟合结果及各模型参数见表 2. Cd(Ⅱ)和苯酚在TiO2/TNTs上的吸附都更符合Langmuir模型(R2>0.99),表明两种物质在材料上的吸附更倾向于形成单离子/分子层[22]. TiO2/TNTs对Cd(Ⅱ)和苯酚的最大吸附容量分别为120.34 mg ·g-1与0.36 mg ·g-1,这与之前的动力学结果一致. 由于TiO2/TNTs对苯酚的吸附量极小,因此若想实现其对Cd(Ⅱ)和苯酚的同时去除,光催化反应是必须的.
![]() | 表 2 Cd(Ⅱ)和苯酚在TiO2/TNTs上的吸附等温线模型拟合参数Table 2 Isotherm model fitting parameters for adsorption of Cd(Ⅱ) and phenol on TiO2/TNTs |
无Cd(Ⅱ)下苯酚的光催化降解、 及Cd(Ⅱ)与苯酚在吸附-光催化系统的共去除如图 4所示. 应用Langmuir-Hinshelwood (L-H) 模型简化的零级和一级反应对苯酚的光催化降解动力学过程进行描述,分别为[24, 25]:
![]() | 图 4 吸附-光催化体系中TiO2/TNTs对Cd(Ⅱ)和苯酚的同步去除Fig. 4 Simultaneous removal of Cd(Ⅱ) and phenol by TiO2/TNTs in the adsorption-photocatalysis system |
式中,k0 [mg ·(L ·min)-1]和 k1 (min-1) 分别为零级和一级光催化反应速率常数.
不同条件下苯酚光催化降解的动力学模型拟合结果见表 3,苯酚的光解、 在有无Cd(Ⅱ)存在下的降解动力学均较符合一级反应动力学(R2>0.99). 由图 4和表 3可知,无材料下紫外光对苯酚的光解作用较弱(去除率<5%; k1=0.000 2 min-1). 当加入TiO2/TNTs后,苯酚迅速被材料光催化降解,180 min时去除率可达98.9%. 先前研究表明,TNTs本身不具有光催化效果,由于其在光激发下产生的空穴和电子极易发生复合[9, 10]. 而TiO2是一种性能优异的光催化剂,在光辐射下,激发产生光生电子与空穴,产生的空穴容易被H2O分子和OH-捕获而为羟基自由基( ·OH)、 超氧负离子( ·O-2)、 过氧化氢(H2O2)等活性氧化基团,进而氧化降解水体中的苯酚[26]. 值得注意的是,当Cd(Ⅱ)共存于溶液中时,苯酚的降解速率有所提高,k1值从无Cd(Ⅱ)时的0.024 5 min-1增加到有Cd(Ⅱ)时的0.031 9 min-1,表明Cd(Ⅱ)共存于溶液中时会提高TiO2/TNTs的光催化性能,这得益于Cd(Ⅱ)被吸附进入TiO2/TNTs的层间,而起到金属掺杂改性的效果. 先前研究表明,金属离子(尤其是过渡金属)的掺杂会提升TNTs和TiO2的光催化性能,原因是掺杂的金属离子在光激发下,会产生一个新的施主能级,以协助原材料进行电子传递,进而有效抑制空穴-电子对的复合和缩短材料的间带宽,由此提升光催化性能[9, 27, 28]. 另外,共存的Cd(Ⅱ)在暗室吸附过程中,其去除率可达99.5%,在整个光催化过程中,都未检测到Cd(Ⅱ). 由此可知,构建的吸附-光催化系统可有效实现Cd(Ⅱ)和苯酚的同步去除,Cd(Ⅱ)的去除得益于TiO2/TNTs中TNTs优异的吸附性能,而苯酚的去除源于TiO2/TNTs中TiO2优异的光催化性能. 因此,复合材料中两相各起作用,使得该材料皆具吸附和光催化性能.
![]() | 表 3 不同反应条件下苯酚的降解动力学模型拟合参数Table 3 Fitting parameters for phenol degradation kinetic models in various reaction conditions |
Na+和Ca2+存在下,吸附-光催化体系中Cd(Ⅱ)和苯酚的去除率如图 5所示. 共存Na+对吸附-光催化体系中Cd(Ⅱ)和苯酚的去除影响不大,即使是在高离子强度下(10 mmol ·L-1 Na+),Cd(Ⅱ)和苯酚的去除率依然可以达到99.1%与99.0%. 共存Ca2+会轻微抑制Cd(Ⅱ)在TNTs上的吸附,当Ca2+浓度上升至10 mmol ·L-1时,Cd(Ⅱ)的去除率从99.6%降至95.1%. 这是由于Ca2+会与目标Cd(Ⅱ)在TNTs上产生竞争吸附; 同时,由于二价钙离子较强的双电层压缩作用,致使材料团聚而不利于吸附[6]. 但总体来说,Ca2+对吸附的抑制作用较弱. 另外,Ca2+对苯酚光催化降解的抑制作用较弱,在10 mmol ·L-1时,苯酚的去除率依然高达97.2%.
![]() | 图 5 共存Na+和Ca2+对TiO2/TNTs同步去除Cd(Ⅱ)和苯酚的影响Fig. 5 Effect of co-existing Na+ and Ca2+ on simultaneous removal of Cd(Ⅱ) and phenol by TiO2/TNTs |
经HNO3解吸和NaOH再生后,3个循环中TiO2/TNTs对Cd(Ⅱ)和苯酚的去除率见表 4. 可知经过解吸再生后,材料依然可以保持较好的吸附和光催化性能,3次循环后,Cd(Ⅱ)和苯酚的去除率依然分别可达91.7%和98.1%. HNO3解吸过程中,TNTs吸附的Cd(Ⅱ)会被高浓度H+所置换,同时强酸性条件会致使钛酸盐相向TiO2相转化和管壁断裂[29]. 酸解吸后,由于Na+位点的缺失,解吸后的材料吸附性能较弱,但经碱再生后的材料,由于吸附位点(—ONa)的恢复,因而对Cd(Ⅱ)表现出良好的性能[29]. 而苯酚的降解主要是由于复合材料中TiO2的作用,整个解吸再生过程中,TiO2基本不发生改变,因而材料对苯酚的去除效率变化不大. TiO2/TNTs良好的循环再利用性能对于材料的实用性、 环境友好性和使用成本削减来说是极其重要的. 此外,复合材料具有形貌和性质均一性,皆具光催化和吸附性能,加之TNTs管型的保持使其在使用后易于与水分离,因而该材料在环境中有广泛的应用前景.
![]() | 表 4 再生TiO2/TNTs对Cd(Ⅱ)和苯酚的去除率Table 4 Removal efficiencies of Cd(Ⅱ) and phenol by regenerated TiO2/TNTs |
(1)经碱热和酸热法以P25型TiO2为原料合成的TiO2/TNTs,皆具TNTs和TiO2晶相,这对于其吸附和光催化能力的发挥是至关重要的. 碱热过程中TiO2完全转化为TNTs,而酸热过程中部分钛酸盐转化为TiO2相并附着于TNTs上.
(2)TiO2/TNTs对Cd(Ⅱ)表现出优异的吸附性能,Langmuir计算所得的最大吸附量可达120.34 mg ·g-1,且吸附动力学过程很快,30 min即可达到吸附平衡. TiO2/TNTs对苯酚的吸附量较低(0.36 mg ·g-1),因此光催化反应以实现苯酚的降解是必需的,而复合材料中的TiO2相是其能有效发挥光催化作用的保障.
(3)构建的吸附-光催化系统可实现Cd(Ⅱ)和苯酚的同步有效去除,180 min时二者的去除率分别为99.6%和99.7%. Cd(Ⅱ)的去除源于暗室下TiO2/TNTs中TNTs相的吸附,而苯酚的去除在于后续TiO2相的光催化反应. 较无Cd(Ⅱ)存在下,Cd(Ⅱ)共存时苯酚的去除效率有所提高,原因是Cd(Ⅱ)吸附进入材料层间后会提高材料的光催化性能.
(4)共存Na+对Cd(Ⅱ) 和苯酚在TiO2/TNTs上的同步去除影响很小. 而共存Ca2+由于竞争吸附和促进材料团聚的原因,会轻微抑制Cd(Ⅱ)在TiO2/TNTs上的吸附,但对苯酚的光催化降解影响较小.
(5)经HNO3解吸和NaOH再生后,TiO2/TNTs可有效利用. 3次循环后,材料对Cd(Ⅱ)和苯酚的去除率依然可达91.7%和98.1%.
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