纳米氧化锌制备及光催化处理含铬废水

实验名称纳米ZnO的制备及光催化处理含铬废水一、摘要和引言纳米氧化锌是一种多功能性的新型无机材料，其颗粒大小约在1〜100纳米。由于晶粒的细微化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏观物体所不具有的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应以及高透明度、高分散性等特点。这种特殊的性质使得它在光催化效应方面有了极高的效率。由于其价格相对低廉，可能成为代替TiO2的新型光催化剂。实验室和工业中有很多方法来制备氧化锌并用来处理含铭废水的溶液。如今，我们要制取少量氧化锌并处理含铭废水，研究其催化效率和实际应用价值。二、实验目的和要求掌握一步沉淀法制备材料的原理、方法、步骤；用一步沉淀法制备纳米ZnO粉体；熟悉离心搅拌器、离心机、烘干箱等仪器的使用；利用纳米ZnO光催化原理处理含铭废水，直接以太阳光为光源，对含铭废水进行处理，使六价铭光催化还原为三价铭。三、实验原理化学沉淀一步法是利用锌盐与强碱在一定温度下直接反应而生成纳米氧化锌粉体的制备方法，其反应时在较低温度和常压下于敞开容器中进行的。此方法可免去热分解工艺过程，不仅工艺简单，而且产品的分散性好，如果直接用于涂层还可以免去干燥过程，被视为最简单的方法。试验发现【1】，只有强碱水溶液在特定温度下于无机盐溶液反应才能直接生成氧化锌。试验发现【2】，在一步法制备过程中，主要有一下几个因素对纳米氧化锌的形成、粒度等产生较大的影响。反应温度：反应温度的影响最大。在选择反应温度时，应尽可能降低温度值。以节约能源。但反应温度在50度以下时，生成物中夹杂有锌的胶体出现，不能得到纯净的纳米氧化锌产物。反应时间：反应时间的影响也比较显著。反应时间的长短将影响产品的产率、粒度等。因此，反应时间的选取应以达到纳米氧化锌获得良好结品为目标。在其他条件变化时，反应时间不应过长。反应时间短于20分时。生成物中也夹杂有锌的胶体出现，同样不能得到纯净的氧化物。本实验控制锌盐和强碱的浓度比为2:1，同时控制反应温度为60度，反应时间为30min。此条件下得到的纳米氧化锌较纯。原理图如下：力ILT土军二卜Zn(NO3)2+NaOH=Zn(OH)2(沉淀)+2NaNO3光催化本身就意味着光化学与催化剂两者的有机结合，因此光和催化剂是引发和促进光催化氧化反应的必要条件。半导体材料之所以能作为催化剂，是由本身光催化特性所决定的。根据定义，半导体粒子含有能带结构。通常情况下是由一个充满电子的低能价带结构和一个空的高能导带构成的，他们之间由禁带分开。当能量大于或等于禁带宽度的光照射半导体时，其在能带上的电子被激发，越过禁带进入导带，同时在价带上产生相应的空穴。TiO2(ZnO,WO3)+hv3e-(cd)+h+(vb)光产生的空穴h+(vb)具有很强的得电子能力，可夺取半导体颗粒表面有机物或溶剂中的电子，使原本不吸光的物质被活化，而电子受体则可以通过接受表面上的电子被还原。Cr(VI)+e-(cd)3Cr(III)四、 仪器、试剂722型分光光度计，恒温磁力搅拌器；所用化学仪器均为分析纯或化学纯，水位一次蒸馏水，废液为实验溶液，1mol/lZn(NO)3：2mol/lNaoH;离心机，恒温十燥箱，基本化学仪器。五、 实验步骤《1》纳米ZnO的制备用电子天平准确称取5.0gZn(NO3)2固体溶解于去离子水中形成26ml溶液；用量筒量取26ml2mol/lNaoH溶液。倒入烧杯中混合。(可增加一组样品，以防实验失败)。将烧杯置于恒温磁力搅拌器中，并在烧杯中放置一颗磁石，在烧杯上盖上一个表面皿。控制仪温度为60r。搅拌60min。准备2只相同的用于离心机的试管，将上述溶液倒入其中约2/3,控制两试管等质量，置于离心机中，两试管对称放置。过滤约10分。过滤过程中应逐加快转速。过滤完成后，倒去上层悬液，置于烘干箱中，控制80r，干燥3-4小时。

《2》用纳米氧化锌光催化处理含铬废水（1）首先配置稀释5倍的废水溶液（铭浓度为c）,取20ml含铭废水于烧杯中，再加水至100ml（铭浓度为0.2c）。将上述得到的氧化锌粉末用玻璃棒拨出试管，再用电子天平准确0.5g氧化锌，加入所得废液中。将烧杯置于磁力搅拌器搅拌30min。（2）搅拌完成后，过滤所得溶液（多层纸过滤），测量器吸光度D后。（3） 绘制溶液的吸光度曲线---将原始废液稀释一系列倍数，分别为0.01,0.02,0.03,0.04,0.05,0.06,0.07,0.08,0.09,0.1倍。用分光光度计测量每个溶液的分光度，测量时，控制波长为460nm。记录每个数据后绘制含铭废水溶液吸光度曲线。将D后对应到曲线中，可找到一个对应的浓度x*c。得到催化效率为n=（1-x/0.200）*100%。六、原始数据记录、处理及其分析（1） 反应所得氧化锌粉末为1.3g（2）0.140.120.10.080.060.040.020.05♦不同浓度溶液的吸光度0.140.120.10.080.060.040.020.05♦不同浓度溶液的吸光度线性（不同浓度溶液的吸光度）相对于原溶液的浓度倍数0.15含格废水相对原浓度的倍数0.010.020.030.040.050.060.070.080.090.10溶液的吸光度0.0190.0390.0480.070.0870.0980.1180.1380.1540.168460nm波长光下的吸光度一溶液浓度的对应曲线此处关于浓度的稀释倍数与波长的选取是经过尝试、遭遇挫折、解决问题后决定的，一下是几个问题的产生与解决过程：《1》首先要去测量废水溶液吸光度，遇到了关于波长选择的问题，由于我们测的是六价铭的吸光度，于是我们用一定浓度的含铭废水溶液，在不同的波长下册其吸光度，得到六价铭的最大吸光波长为350nm。于是我们选择350nm来测量已经准备好的各废水溶液浓度。《2》在绘制吸光度曲线时，我们首先配置的浓度稀释倍数为0.1,0.2,0.3 ——0.9,1。但是在测量过程中，吸光度显示基本为3.012，起初以为机器坏了，后来询问了老师和上次做这个实验的小组，得知含铭废水浓度太大了，导致吸光度超过了其测量范围，显示的数值就一直是3.012。于是我们更改了稀释倍数，变为稀释10—100倍，即浓度变为原始废水溶液浓度的0.01,0.02,0.03 0.1。《3》由于控制的废水溶液稀释倍数为10—100倍，我们选用来加氧化锌的废水溶液稀释倍数为10倍，但是当我们测量其吸光度时，发现其处理后(即已加氧化锌)的吸光度大于未处理废水溶液的吸光度，这看似是于理论不符的，因为氧化锌只会催化六价铭反应为三价铭，而我们测得是六价铭的吸光度，它一定是减小的。于是我们去问老师，老师也感到很疑惑，给我们提了许多建议，我们也问了上次做这个实验的小组，老师建议理论上应在册吸光度时加入显色剂，这样所用的测量波长为540nm，但是我们组员经过讨论，发现显色剂能够减小误差，但不会更改实验结果，即处理后得到的废水吸光度一定是小于处理前的，这与我们的实验结果不符，经过激烈讨论，我们发现三价铭也有吸光度，它的存在势必会影响六价铭的吸光度，而我们在氧化锌和废水同业反应后只是过滤了氧化锌，而未除去三价铭，同时我们在限定时间内又无法搜寻方法除去三价铭，所以我们要考虑最佳波长来尽量减少三价铭对六价铭吸光度的影响。当我们将分光光度计调到540nm来测不同浓度的废水溶液的吸光度时发现，分光光度计上显示的值出现负值，而且经过分光光度计的多次调试，数值仍为负值。按理论来说，溶液的吸光度小于0是不可能的。我们问了老师和其他同学，也未能得到解决方法，事后经查阅得知可能是仪器的破损或者是有其他光进入影响了实验。所以我们更换了分光光度计的波长，既要保证处理后溶液的吸光度小于处理前，又要保证吸光度大于0，最后确定波长为460nm(虽然在这个波长中Cr3+的影响还是存在的，但是还是可以对纳米ZnO的光催化特性有一定的定性的分析)。(3)D后二0.179,对应浓度曲线可得其相对应原溶液的浓度倍数为0.106倍。可得催化效率n二(1-0.106/0.200)*100%二47%。七、结论:在制备氧化锌时，控制锌盐和强碱的浓度比为2:1,同时控制反应温度为60度，反应时间为30min。此条件下得到的纳米氧化锌较纯。用纳米氧化锌处理废水时，控制磁力搅拌时间为30min，以太阳光为光源，反应效率较高。八、思考题与实验的扩展（1） 为什么在使用恒温搅拌器时，需在烧杯上方盖一个表面皿？答：以防液体飞溅。（2） 得到氧化锌和废水混合后的溶液后，要测量器吸光度，为什么要先过滤？答：氧化锌以固体形式悬浮于溶液中，会影响其吸光度，同时，经试验验证，用双层滤纸过滤效果好于用离心机的方法，因为用离心机处理后的溶液在倒掉上层清液时，底部的固体容易随