光催化氧化技术精选课件.ppt

关于光催化氧化技术第一页，本课件共有73页什么是光催化什么是光催化?概括说来，就是光催化剂在光的作用下发生催化作用。概括说来，就是光催化剂在光的作用下发生催化作用。光光催催化化剂剂：一一种种在在光光的的照照射射下下，自自身身不不起起变变化化，却却可可以以促促进进化化学学反反应应的的物物质质。利利用用光光能能转转换换成成为为化化学学反反应应所所需需的的能能量量，产产生生催催化化作作用用，使使周周围围的的氧氧气气及及水水分分子子激激发发成极具氧化力的自由基或负离子。成极具氧化力的自由基或负离子。光光催催化化剂剂在在光光照照条条件件（可可以以是是不不同同波波长长的的光光照照）下下所所起起到催化作用的化学反应，统称为到催化作用的化学反应，统称为光催化反应。光催化反应。光催化一般是光催化一般是多种相态之间多种相态之间的催化反应。的催化反应。第二页，本课件共有73页光催化氧化 均相光催化氧化均相光催化氧化 非均相光催化氧化非均相光催化氧化第三页，本课件共有73页均相光催化氧化UV/Fenton试剂法一、一、Fenton试剂试剂 Fenton 试剂：试剂：Fe2+和和H2O2的组合。的组合。已已有有100多多年年的的应应用用历历史史，在在精精细细化化工工、药药学学化化工工、医药卫生、环境污染治理等方面都有应用。医药卫生、环境污染治理等方面都有应用。1964年年，Eisenhouser首首次次使使用用Fenton试试剂剂处处理理苯苯酚及烷基苯废水。酚及烷基苯废水。Fenton试试剂剂在在废废水水处处理理中中主主要要用用于于去去除除COD、色色度度和泡沫等。和泡沫等。第四页，本课件共有73页均相光催化氧化均相光催化氧化UV/Fenton试剂法试剂法二、二、Fenton氧化机理氧化机理 Fe2+H2O2 OH+OH OH+OH+Fe3+Fe3+H+H2 2O2 Fe2+HO2 2+H+操作条件：操作条件：pH=35三、三、Fenton试剂在废水处理中的应用试剂在废水处理中的应用单独作为一种处理方法氧化有机废水单独作为一种处理方法氧化有机废水与与其其他他技技术术联联用用，如如混混凝凝沉沉降降法法、活活性性炭炭法法、生生物物法法、UV第五页，本课件共有73页UV/Fenton反应体系反应体系均相光催化氧化均相光催化氧化UV/FentonUV/Fenton试剂法试剂法UV/Fenton法及反应机理第六页，本课件共有73页UV/Fenton的优点 降低降低Fe2+的用量，保持的用量，保持H2O2较高的利用率较高的利用率。UV和和Fe2+对对H2O2的的催催化化分分解解存存在在协协同同效效应应，即即：OH的的生生成成速速率率远远大大于于传传统统Fenton法法和和紫紫外外催催化化H2O2分解速率的简单加和。分解速率的简单加和。均相光催化氧化均相光催化氧化UV/FentonUV/Fenton试剂法试剂法第七页，本课件共有73页影响UV/Fenton反应的因素1.有有机机物物浓浓度度：污污染染物物的的去去除除率率均均随随其其起起始始浓浓度度的的增增加而降低。加而降低。2.Fe2+浓浓度度：Fe2+浓浓度度过过多多，不不利利于于 OH的的生生成成而而使使得得反反应应速速率率降降低低；Fe2+过过低低不不利利于于H2O2分分解解为为 OH。维持适当的维持适当的Fe2+浓度。浓度。3.H2O2浓浓度度：在在维维持持其其他他反反应应条条件件不不变变的的前前提提下下，增大增大H2O2投加浓度或投加量可以提高反应速率。投加浓度或投加量可以提高反应速率。均相光催化氧化均相光催化氧化UV/FentonUV/Fenton试剂法试剂法第八页，本课件共有73页4.载载气气：氮氮气气、空空气气和和氧氧气气三三种种载载气气的的比比较较，氧氧气气作作为载气效果最好。为载气效果最好。5.pH值和温度：温度影响不大；值和温度：温度影响不大；pH值控制在值控制在6以下。以下。6.反反应应时时间间：取取决决于于诸诸多多因因素素，最最显显著著的的是是催催化化剂剂剂剂量量和废水负荷。和废水负荷。7.光源：照射剂量越大，对有机物的矿化效果越好。光源：照射剂量越大，对有机物的矿化效果越好。均相光催化氧化均相光催化氧化UV/FentonUV/Fenton试剂法试剂法第九页，本课件共有73页非均相光催化氧化技术非均相光催化氧化技术TiO2光催化氧化技术光催化氧化技术第十页，本课件共有73页非均相光催化技术的发展概况非均相光催化技术的发展概况1972年年，Fujishima 和和Honda在在 半半导导体体TiO2电电极极上上发发现现了了水水的的光光催催化化分分解解作作用用，从从而而开开辟辟了了半半导导体体光光催催化化这这一一新新的的领领域。域。1977年年，Yokota 等等发发现现在在光光照照条条件件下下,TiO2对对丙丙烯烯环环氧氧化化具具有有光光催催化化活活性性，从从而而拓拓宽宽了了光光催催化化的的应应用用范范围围，为为有有机机物氧化反应提供了一条新的思路。物氧化反应提供了一条新的思路。近近三三十十多多年年来来，光光催催化化技技术术在在环环保保、卫卫生生保保健健、有有机机合合成成等等方方面面的的应应用用研研究究发发展展迅迅速速，半半导导体体光光催催化化成成为为国国际际上上最最活活跃跃的研究领域之一。的研究领域之一。第十一页，本课件共有73页有机物有机物催化剂催化剂光光源源光降解产物光降解产物烃：脂肪烃、芳香烃烃：脂肪烃、芳香烃TiO2紫紫外外CO2、H2卤卤代代物物：卤卤代代烷烷烃烃、烯烯烃烃、脂脂肪肪酸卤代芳香族化合物酸卤代芳香族化合物TiO2紫紫外外HCl、CO2羧羧酸酸：乙乙酸酸、丙丙酸酸、丁丁酸酸、戊戊酸酸、乳酸、乙酰丙酸乳酸、乙酰丙酸TiO2紫紫外外CO、H2烷、烃、醇烷、烃、醇表面活性剂：表面活性剂：DBS、SDS、BS、4-氯酚氯酚Fe2O3、ZnO、TiO2等等日日光光灯灯CO2、HCl、SO32-染染料料：酸酸性性红红、直直接接耐耐酸酸大大红红、活活性性艳艳红红、酸酸性性艳艳蓝蓝、阳阳离离子子艳艳红红TiO2紫紫外外CO2、H2O、无、无机离子等机离子等含含氮氮有有机机物物：磷磷酸酸四四丁丁基基铵铵、阿阿特拉津、苯丙氨酸特拉津、苯丙氨酸TiO2紫紫外外CO32-、NO3-、NH4+等等有机磷杀虫剂：有机磷杀虫剂：DDVP、DEPTiO2紫紫外外Cl-、PO43-、CO2不同类型有机物的光催化降解不同类型有机物的光催化降解第十二页，本课件共有73页 TiO2光催化氧化的原理光催化氧化的原理 光催化剂光催化剂 光催化反应器光催化反应器 TiO2光催化技术的应用光催化技术的应用 展望展望第十三页，本课件共有73页TiO2光催化氧化原理光催化氧化原理第十四页，本课件共有73页TiO2光催化氧化原理光催化氧化原理图中所反映的机理涉及的基本的反应式表达如下：图中所反映的机理涉及的基本的反应式表达如下：第十五页，本课件共有73页在在光光照照下下，如如果果光光子子的的能能量量大大于于半半导导体体禁禁带带宽宽度度，其其价价带带上上的的电电子子（e-）就就会会被被激激发发到到导导带带上上，同同时时在在价价带带上上产产生生空空穴穴（h+）。当当存存在在合合适适的的俘俘获获剂剂、表表面面缺缺陷陷或或者者其其他他因因素素时时，电电子子和和空空穴穴的的复复合合得得到到抑抑制制，就就会会在在催催化化剂剂表表面面发发生生氧氧化化-还还原原反反应应。价价带带空空穴穴是是良良好好的的氧氧化化剂剂，导导带带电电子子是是良良好好的的还还原原剂剂，在在半半导导体体光光催催化化反反应应中中，一一般般与与表表面面吸吸附附的的H2O，O2反反应应生生成成OH和和超超氧氧离离子子O2-，能能够够把把各各种种有有机机物物直直接接氧氧化化成成CO2、H2O等等无无机机小小分分子子，电电子子也也具具有有强强还还原原性，可以还原吸附在其表面的物质。性，可以还原吸附在其表面的物质。激激发发态态的的导导带带电电子子和和价价带带空空穴穴能能重重新新合合并并，并并产产生生热热能能或或其其他他形式散发掉。形式散发掉。TiO2光催化氧化原理光催化氧化原理第十六页，本课件共有73页光催化的技术特征光催化的技术特征 1.低温深度反应低温深度反应 光光催催化化氧氧化化可可以以在在室室温温下下将将水水、空空气气和和土土壤壤中中的的有机污染物氧化。有机污染物氧化。2.绿色能源绿色能源 光光催催化化可可利利用用太太阳阳光光作作为为能能源源来来活活化化光光催催化化剂剂，驱驱动动氧氧化化还还原原反反应应，而而且且光光催催化化剂剂在在反反应应过过程程中中并并不不消消耗耗。从从能能源源角角度度而而言言，这这一一特特征征使使光光催催化技术更具魅力。化技术更具魅力。第十七页，本课件共有73页光催化的技术特征光催化的技术特征 3.氧化性强氧化性强大大量量研研究究表表明明，半半导导体体光光催催化化具具有有氧氧化化性性强强的的特特点点，对对臭臭氧氧难难以以氧氧化化的的某某些些有有机机物物如如三三氯氯甲甲烷烷、四四氯氯化化炭炭、六六氯氯苯苯、都都能能有有效效地地加加以以分分解解，所所以以对对难难以以降降解解的的有有机物具有特别意义。机物具有特别意义。4.寿命长寿命长理论上，光催化剂的寿命是无限长的。理论上，光催化剂的寿命是无限长的。第十八页，本课件共有73页5.广谱性广谱性光光催催化化对对从从烃烃到到羧羧酸酸的的众众多多种种类类有有机机物物都都有有氧氧化化效效果果，美美国国环环保保署署公公布布的的九九大大类类114种种污污染染物物均均被被证证实实可可通通过过光光催催化化氧氧化化法法降降解解，即即使使对对有有机机物物如如卤卤代代烃烃、染染料料、含含氮氮有有机机物物、有有机机磷磷杀杀虫虫剂剂也也有有很很好好的的去去除除效效果果，一一般般经经过过持持续续反反应应可可达达到到完完全全净净化。化。光催化的技术特征光催化的技术特征 第十九页，本课件共有73页光催化剂（Photocatalyst）光催化剂光催化剂=光光 Photo=Light+催化剂催化剂 catalyst光光催催化化剂剂是是一一种种在在光光的的照照射射下下，自自身身不不起起变变化化，却却可可以以促促进进化化学学反反应应的的物物质质。光光催催化化剂剂是是将将光光能能转转换换成成为为化化学学反反应应的的能能量量，产产生生催催化化作作用用，使使周周围围水水分分子子及及氧氧气气激激发发成成极极具具氧氧化化力力的的 OH及及O2-。用用其其分分解解对对人人体体和和环环境境有有害害的的有有机机物物质质及及部部分分无无机机物物质质，加加速速反反应应，不不造造成成资资源源浪费，且不形成附加污染。浪费，且不形成附加污染。第二十页，本课件共有73页常见的光催化材料PhotocatalystEbg eV)PhotocatalystEbg(eV)Si1.1ZnO3.2TiO2（Rutile）3.0TiO2(Anatase)3.2WO32.7CdS2.4ZnS3.7SrTiO33.4SnO33.5WSe31.2Fe2O32.2a-Fe2O33.1金属硫化物在水溶液中不金属硫化物在水溶液中不稳稳定，定，会会发发生阳极光腐生阳极光腐蚀蚀，且有毒！，且有毒！铁的氧化物会发生阴极光腐蚀铁的氧化物会发生阴极光腐蚀ZnO在水中不稳定，会在粒子表面生成在水中不稳定，会在粒子表面生成Zn(OH)2第二十一页，本课件共有73页TiO2光催化剂光催化剂 TiO2有三种不同的晶体结构：锐钛矿（有三种不同的晶体结构：锐钛矿（anatase）结构、）结构、金红石（金红石（rutile）结构和板钛矿（）结构和板钛矿（brookite）结构。）结构。金红石最稳定，从低温到熔点都不会发生晶相转变；锐金红石最稳定，从低温到熔点都不会发生晶相转变；锐钛矿次之，在室温下稳定；板钛矿很少见。钛矿次之，在室温下稳定；板钛矿很少见。具有光催化作用的主要是锐钛矿结构和金红石结构，其中以具有光催化作用的主要是锐钛矿结构和金红石结构，其中以锐钛矿结构的催化活性最高。锐钛矿结构的催化活性最高。锐钛矿型锐钛矿型TiO2吸收小于吸收小于387nm的光，金红石型的光，金红石型TiO2吸收吸收小于小于413nm的光。的光。第二十二页，本课件共有73页TiO2光催化材料的特性光催化材料的特性合适的半导体禁带宽度。合适的半导体禁带宽度。具有良好的抗光腐蚀性和化学稳定性。具有良好的抗光腐蚀性和化学稳定性。廉价，原料来源丰富，成本低。廉价，原料来源丰富，成本低。光催化活性高（吸收紫外光性能强；禁带和光催化活性高（吸收紫外光性能强；禁带和导带之间的能隙大，光生电子的还原性和空导带之间的能隙大，光生电子的还原性和空穴的氧化性强）。穴的氧化性强）。对很多有机污染物有较强的吸附作用。对很多有机污染物有较强的吸附作用。第二十三页，本课件共有73页影响影响TiO2光催化性能的因素光催化性能的因素晶晶粒粒尺尺寸寸：纳纳米米量量级级的的TiO2作作为为光光催催化化剂剂将将有有利利于于提提高高光降解效率光降解效率粒粒径径的的减减小小，纳纳米米级级光光催催化化剂剂的的表表面面原原子子数数迅迅速速增增加加，光吸收效率提高，从而增加表面光生载流子的浓度；光吸收效率提高，从而增加表面光生载流子的浓度；晶晶粒粒越越小小，表表面面原原子子比比例例增增大大，表表面面OHOH基基团团的的数数目目也随之增加，从而提高了反应效率；也随之增加，从而提高了反应效率；晶晶粒粒尺尺寸寸的的减减小小，比比表表面面积积增增大大，有有利利于于反反应应物物的的吸附，增大反应几率。吸附，增大反应几率。第二十四页，本课件共有73页晶型：板钛型，锐钛矿，金红石型晶型：板钛型，锐钛矿，金红石型板钛型为不稳定的结构；板钛型为不稳定的结构；锐锐钛钛型型吸吸收收紫紫外外线线的的能能力力强强，其其表表面面对对O2的的吸吸附附能能力力较较强强，对对电电子子-空空穴穴对对的的捕捕收收能能力力强强，所所以以具具有有较较高高的的光催化活性；光催化活性；金金红红石石型型则则因因为为结结构构稳稳定定且且致致密密，具具有有较较高高的的硬硬度度、密密度度、介介电电常常数数及及折折射射率率，遮遮盖盖力力和和着着色色力力也也较较高高，但但表面电子表面电子-空穴对重新复合的速度较快，光催化活性差。空穴对重新复合的速度较快，光催化活性差。影响影响TiO2光催化性能的因素光催化性能的因素第二十五页，本课件共有73页形态：颗粒状与膜状形态：颗粒状与膜状颗颗粒粒状状的的光光催催化化剂剂在在溶溶液液中中呈呈悬悬浮浮状状态态，在在溶溶液液中中与与有有机机物物的的接触面积小，且容易发生团聚现象接触面积小，且容易发生团聚现象膜膜状状：防防止止粒粒子子的的流流失失；增增加加光光催催化化剂剂整整体体的的比比表表面面积积；光光催催化化剂剂表表面面受受到到光光照照射射的的催催化化剂剂粒粒子子数数目目增增加加，提提高高了了光光的的利利用用率率；一一些些载载体体可可同同光光催催化化剂剂本本身身发发生生相相互互作作用用，有有利利于于电电子子-空空穴穴对对的的分分离离；利利用用吸吸附附剂剂类类载载体体可可增增加加对对反反应应物物的的吸吸附附，提提高高催催化化剂剂的的光光催催化化活活性性，同同时时实实现现吸吸附附剂剂类类载载体体的的再再生生；用用载载体体将将光光催催化化剂剂固固定定，便便于于制制成成各各种种形形状状的光催化反应器。的光催化反应器。影响影响TiO2光催化性能的因素光催化性能的因素第二十六页，本课件共有73页TiO2光催化剂的制备方法光催化剂的制备方法（一）纳米（一）纳米TiO2粉体光催化剂的制备方法粉体光催化剂的制备方法 气相法：高温氧化原理气相法：高温氧化原理优点：优点：反应速度快，能实现连续生产，制得的产品纯度高、反应速度快，能实现连续生产，制得的产品纯度高、粒度小、分散性好、表面活性大。粒度小、分散性好、表面活性大。缺点：缺点：对反应器的构型、设备的材质、加热及进料方式等对反应器的构型、设备的材质、加热及进料方式等均有很高的要求。均有很高的要求。液相法液相法优点：优点：合成温度低、设备简单、成本低。合成温度低、设备简单、成本低。缺点：缺点：颗粒大小、形状不均，分散性差，影响产品的使用颗粒大小、形状不均，分散性差，影响产品的使用效果和应用范围效果和应用范围第二十七页，本课件共有73页粉体粉体TiO2光催化剂的制备方法光催化剂的制备方法 1.水解法水解法2.利利用用钛钛醇醇盐盐（钛钛酸酸丁丁脂脂）能能溶溶于于有有机机溶溶剂剂并并发发生生水水解解生生成氢氧化物或氧化物的特性制备纳米成氢氧化物或氧化物的特性制备纳米TiO2最简单的方法。最简单的方法。3.2.沉淀法沉淀法4.普普通通沉沉淀淀法法以以TiCl4、Ti(SO4)2等等无无机机盐盐为为原原料料，用用氨氨水水、NaOH和和Na2CO3等碱性物质沉淀。等碱性物质沉淀。5.均均匀匀沉沉淀淀法法是是在在溶溶液液中中加加入入某某种种物物质质如如二二乙乙醇醇胺胺，HN(CH2CH2OH)2，使使之之通通过过溶溶液液中中的的化化学学反反应应缓缓慢慢生生成沉淀剂制备粒度均匀的成沉淀剂制备粒度均匀的TiO2粉体。粉体。第二十八页，本课件共有73页粉体粉体TiO2光催化剂的制备方法光催化剂的制备方法 3.水热法水热法 在在加加有有聚聚四四氟氟乙乙烯烯内内衬衬的的筒筒式式高高压压釜釜中中以以TiCl4、偏偏钛钛酸酸或或钛钛酸酸丁丁脂脂为为前前驱驱体体制制备备。所所得得粉粉体体粒粒度度分分布布窄窄，团团聚聚程度低，纯度高，且制备过程污染小，成本较低。程度低，纯度高，且制备过程污染小，成本较低。4.溶胶溶胶-凝胶法法凝胶法法 以以钛钛醇醇盐盐或或钛钛的的无无机机盐盐为为原原料料，经经水水解解和和缩缩聚聚得得溶溶胶胶，再再进进一一步步缩缩聚聚得得凝凝胶胶，经经干干燥燥、煅煅烧烧制制得得。制制得得的的粉粉体体纯纯度度高高，粒粒度度细细，分分散散好好；但但烧烧结结性性不不好好，干干燥燥时时收收缩缩大大，易易发生团聚现象。发生团聚现象。第二十九页，本课件共有73页利用溶胶利用溶胶-凝胶法制备凝胶法制备TiO2，其反应过程为：，其反应过程为：水解：水解：失水缩聚：失水缩聚：失醇缩聚：失醇缩聚：工艺流程为：工艺流程为：溶胶凝胶法制备溶胶凝胶法制备TiO2原理原理第三十页，本课件共有73页钛酸四丁脂在酸性条件下，水解产物为含钛离子溶胶钛酸四丁脂在酸性条件下，水解产物为含钛离子溶胶 含钛离子溶液中钛离子通常与其它离子相互作用形成含钛离子溶液中钛离子通常与其它离子相互作用形成复杂的网状基团，最后形成稳定凝胶复杂的网状基团，最后形成稳定凝胶 溶胶凝胶法制备溶胶凝胶法制备TiO2原理原理第三十一页，本课件共有73页搅拌搅拌40水浴加热水浴加热无色凝胶无色凝胶80烘干烘干 热处理热处理 二氧化钛粉体二氧化钛粉体 溶胶溶胶-凝胶法制备粉体凝胶法制备粉体TiO2光催化剂工艺光催化剂工艺第三十二页，本课件共有73页（二）负载型（二）负载型TiO2光催化剂的制备光催化剂的制备将将TiO2固定到某种载体上固定到某种载体上使用前驱体，通过化学反应生成使用前驱体，通过化学反应生成TiO2，将其负载到光将其负载到光滑平整的载体上，形成一层连续的薄膜滑平整的载体上，形成一层连续的薄膜1.粉体烧结法粉体烧结法 将将TiO2球磨到一定程度溶于水或醇中，制成悬浮液，球磨到一定程度溶于水或醇中，制成悬浮液，然后进入载体，一定时间后取出，风干，在然后进入载体，一定时间后取出，风干，在600以下烧结制得。以下烧结制得。负载型负载型TiO2光催化剂的制备方法光催化剂的制备方法 第三十三页，本课件共有73页2.偶联法偶联法 在在TiO2中加入胶粘剂（如氟树脂、聚苯乙烯等）后涂覆中加入胶粘剂（如氟树脂、聚苯乙烯等）后涂覆在载体表面，而后烘干制得。在载体表面，而后烘干制得。3.离子交换法离子交换法 用于具有强离子交换功能的载体。通过载体中的易溶阳用于具有强离子交换功能的载体。通过载体中的易溶阳离子（离子（K+、Na+等）与易溶钛盐中的钛离子发生离子交等）与易溶钛盐中的钛离子发生离子交换，再经过煅烧或在潮湿的空气中暴露水解即成。换，再经过煅烧或在潮湿的空气中暴露水解即成。负载型负载型TiO2光催化剂的制备方法光催化剂的制备方法 第三十四页，本课件共有73页4.电泳沉积法电泳沉积法 以以TiO2悬悬浮浮液液为为电电泳泳液液，以以载载体体作作阴阴极极，用用等等面面积积的的导导体体做做阳阳极极，在在恒恒电电场场作作用用下下使使TiO2粒粒子子电电泳泳并沉积到阴极上，得到并沉积到阴极上，得到TiO2薄膜薄膜5.液相沉积法液相沉积法 将将载载体体浸浸渍渍在在包包括括钛钛的的无无机机盐盐和和有有机机盐盐等等TiO2前前驱驱体体溶溶液液中中，利利用用沉沉淀淀、水水解解、醇醇解解、微微乳乳液液化化等等化化学学反反应应直接将直接将TiO2沉积在载体上，再经洗涤、焙烧制得。沉积在载体上，再经洗涤、焙烧制得。负载型负载型TiO2光催化剂的制备方法光催化剂的制备方法 第三十五页，本课件共有73页6.物理气相沉积法（物理气相沉积法（PVD）用电弧、高频或等离子体等高温热源将原料加热，用电弧、高频或等离子体等高温热源将原料加热，使之汽化或形成等离子体，然后骤冷使之凝聚成纳使之汽化或形成等离子体，然后骤冷使之凝聚成纳米粒子。该法制得到米粒子。该法制得到TiO2纯度较高、分布均匀、粒径纯度较高、分布均匀、粒径大小可控。大小可控。7.化学气相沉积法（化学气相沉积法（CVD）以钛的无机或有机盐类为前驱体，用一定方式使前驱体激以钛的无机或有机盐类为前驱体，用一定方式使前驱体激发，并在载气的协助下沉积在载体表面，制得致密的发，并在载气的协助下沉积在载体表面，制得致密的TiO2膜。膜。8.溶胶溶胶-凝胶法凝胶法负载型负载型TiO2光催化剂的制备方法光催化剂的制备方法 第三十六页，本课件共有73页钛酸正四丁酯钛酸正四丁酯无水乙醇无水乙醇二乙醇胺二乙醇胺强烈搅拌强烈搅拌无水乙醇，硝酸，无水乙醇，硝酸，去离子水去离子水滴滴加加TiO2溶胶液溶胶液Ti(OC4H9)4:C2H5OH:H2O:NH(C2H4OH)2=1:26.5:1:1浸渍浸渍提拉提拉干燥干燥煅烧煅烧负载型负载型TiO2薄膜薄膜铝片、不锈钢、铝片、不锈钢、钛片、陶瓷、钛片、陶瓷、玻璃、铜片、玻璃、铜片、活性炭、锆石等等活性炭、锆石等等溶胶溶胶-凝胶法制备负载型凝胶法制备负载型TiO2光催化剂工艺光催化剂工艺第三十七页，本课件共有73页由图看出，由图看出，TiO2膜是由膜是由许多许多TiO2微小颗粒构成微小颗粒构成的呈交叉网状结构的多的呈交叉网状结构的多孔孔-微晶立体膜。膜的微晶立体膜。膜的真实比表面积很大，对真实比表面积很大，对光的吸收十分有利光的吸收十分有利。TiO2膜的表面形貌膜的表面形貌第三十八页，本课件共有73页溶胶溶胶-凝胶法与传统方法相比，有以下的优点：凝胶法与传统方法相比，有以下的优点：样样品品的的均均匀匀度度比比较较高高：尤尤其其是是多多组组分分的的制制品品，其其均均匀匀度度可达分子或原子尺度；可达分子或原子尺度；样样品品的的纯纯度度高高：因因为为所所用用原原料料的的纯纯度度高高，而而且且溶溶剂剂在在处理过程中易被除去；处理过程中易被除去；反反应应温温度度比比传传统统方方法法约约低低400500，因因为为所所需需生生成物在烧成之前已部分形成，且凝胶的比表面积很大；成物在烧成之前已部分形成，且凝胶的比表面积很大；反应过程易于控制，可大幅度减少副反应。反应过程易于控制，可大幅度减少副反应。第三十九页，本课件共有73页TiO2光催化剂载体的特点光催化剂载体的特点 光光催催化化剂剂载载体体要要求求能能改改善善所所担担载载的的物物质质的的组组织织结结构构（如增加孔隙、表面积等）；有利于光催化剂再生。（如增加孔隙、表面积等）；有利于光催化剂再生。良好的光催化剂载体应具有的特点：良好的光催化剂载体应具有的特点：1.具具有有良良好好的的透透光光性性；2.在在不不影影响响光光催催化化活活性性的的前前提提下下，与与TiO2颗颗粒粒间间具具有有较较强强的的结结合合力力；3.比比表表面面积积大大；4.对对被被降降解解的的污污染染物物有有较较强强吸吸附附性性；5.易易于于固固液液分分离离；6.有有利利于于固固液液传传质质；7.化化学学惰惰性和光稳定性；性和光稳定性；8.材料易得，价格便宜。材料易得，价格便宜。第四十页，本课件共有73页TiO2光催化剂载体种类光催化剂载体种类 1.天天然然矿矿物物类类：具具有有一一定定的的吸吸附附性性，且且耐耐高高温温，耐耐酸酸碱碱。例例：硅藻土、高岭土、天然沸石和膨胀珍珠岩等。硅藻土、高岭土、天然沸石和膨胀珍珠岩等。2.吸吸附附剂剂类类：多多孔孔性性物物质质，比比表表面面积积较较大大。例例：活活性性炭炭、硅硅胶胶等等。吸吸附附剂剂类类载载体体可可以以获获得得较较大大的的负负载载量量，可可以以将将有有机机物物吸吸附附到到TiO2粒粒子子周周围围，增增加加界界面面浓浓度度，从从而而加快反应速度。加快反应速度。3.玻玻璃璃类类：价价廉廉易易得得，良良好好的的透透光光性性，便便于于设设计计成成各各种种形形状状。例例：玻玻璃璃片片、玻玻璃璃纤纤维维网网（布布）、空空心心玻玻璃璃珠珠、玻玻璃璃螺螺旋旋管管、玻玻璃璃筒筒、石石英英玻玻璃璃管管（片片）、普普通通（导导电电）玻璃片、有机玻璃等。玻璃片、有机玻璃等。第四十一页，本课件共有73页TiO2光催化剂载体种类光催化剂载体种类 4.陶陶瓷瓷类类：多多孔孔性性物物质质，对对TiO2颗颗粒粒具具有有良良好好的的附附着着性性，耐耐酸酸碱碱性性和和耐耐高高温温性性较较好好。在在日日常常使使用用的的陶陶瓷瓷上上负负载载TiO2，可可以以制制成成具具有有良良好好自自洁洁功功能能的的陶陶瓷瓷，起到净化环境的作用。起到净化环境的作用。5.有有机机类类：某某些些高高分分子子聚聚合合物物，如如饱饱和和的的碳碳链链聚聚合合物物，有有较较强强的的抗抗氧氧化化能能力力，短短期期内内使使用用。例例：聚聚乙烯、聚丙烯等。乙烯、聚丙烯等。6.金属类：金属类：价格贵，负载困难而是用较少。价格贵，负载困难而是用较少。第四十二页，本课件共有73页光催化反应器光催化反应器 悬浮式光催化反应器悬浮式光催化反应器将粉体光催化剂直接加入待处理的废水中，通过搅拌，将粉体光催化剂直接加入待处理的废水中，通过搅拌，使之分散均匀，其催化剂表面积与反应器有效体积比使之分散均匀，其催化剂表面积与反应器有效体积比很高，同时反应液和催化剂之间几乎不存在传质的限很高，同时反应液和催化剂之间几乎不存在传质的限制，光催化降解效率高制，光催化降解效率高 负载式光催化反应器（镀膜式和填充床式）负载式光催化反应器（镀膜式和填充床式）将光催化剂负载于反应器上，即通过物理和化学方将光催化剂负载于反应器上，即通过物理和化学方法将催化剂粉末固定在较大连续表面积的载体上，法将催化剂粉末固定在较大连续表面积的载体上，反应液在表面连续流过。反应液在表面连续流过。第四十三页，本课件共有73页挡板式光催化反应器挡板式光催化反应器悬浮式悬浮式第四十四页，本课件共有73页鼓泡床式光催化反应器鼓泡床式光催化反应器悬浮式悬浮式第四十五页，本课件共有73页平板式光催化反应器平板式光催化反应器负载式负载式第四十六页，本课件共有73页管式光催化反应器管式光催化反应器负载式负载式第四十七页，本课件共有73页多叶转盘式光催化反应器多叶转盘式光催化反应器负载式负载式第四十八页，本课件共有73页旋转式光催化反应器旋转式光催化反应器负载式负载式第四十九页，本课件共有73页光催化技术应用领域第五十页，本课件共有73页TiO2光催化作用在水处理中的应用光催化作用在水处理中的应用 1.染料废水处理染料废水处理染染料料废废水水碱碱度度高高、色色泽泽深深、臭臭味味大大，并并且且还还有有苯苯环环、胺胺基基、偶偶氮氮基基团团等等致致癌癌物物质质，一一般般的的生生物物化化学学法法对对于于水水溶溶性性染染料料的的降解效率很低，且易造成二次污染。光催化降解染料效果好。降解效率很低，且易造成二次污染。光催化降解染料效果好。2.农药废水处理农药废水处理农农药药废废水水主主要要是是除除草草剂剂、有有机机磷磷农农药药、三三氯氯苯苯氧氧乙乙酸酸、DDVP、DEP等等。其其特特性性表表现现为为：停停留留时时间间长长、污污染染性性大大、难难于于降降解解。采采用用光光催催化化方方法法虽虽然然不不能能使使所所有有的的污污染染物物完完全全矿矿化化，但但不不会会产产生毒性更高的中间产物。生毒性更高的中间产物。第五十一页，本课件共有73页3.含油废水处理含油废水处理含含油油废废水水是是一一种种不不溶溶于于水水且且漂漂浮浮于于水水面面上上的的油油类类，含含有有大大量量的的有有机机物物，TiO2光光催催化化技技术术处处理理含含油油废废水水的的降降解解率率可达可达95%，且不会像使用化学方法一样产生二次污染。，且不会像使用化学方法一样产生二次污染。4.卤代芳烃处理卤代芳烃处理主主要要的的卤卤代代芳芳烃烃污污染染物物均均可可在在光光催催化化过过程程中中被被完完全全降降解解。水水中中主主要要卤卤代代芳芳烃烃污污染染物物在在使使用用TiO2光光催催化化剂剂和和近近紫紫外外光光照照射射下下的的半半衰衰期期大大部部分分在在15min到到1.5h，完完全全转转化化时时间间为为16h。TiO2光催化作用在水处理中的应用光催化作用在水处理中的应用 第五十二页，本课件共有73页5.无机废水的处理无机废水的处理 TiO2可可以以将将贵贵金金属属如如金金、铑铑、钯钯、锗锗等等在在其其表面沉积下来，便于回收。表面沉积下来，便于回收。纳纳米米TiO2具具有有强强还还原原性性，可可将将Cr2O72-还还原原成成无无毒毒的的Cr2O22-，将将NOX还还原原成成单单质质和和无无毒毒低低氧氧化态氧化物。化态氧化物。TiO2光催化作用在水处理中的应用光催化作用在水处理中的应用 第五十三页，本课件共有73页6.饮用水处理饮用水处理 一一般般常常规规水水处处理理工工艺艺只只能能去去除除水水体体中中的的悬悬浮浮物物及及大大部部分分有有机机物物，而而水水中中含含有有的的溶溶解解性性有有机机物物及及大大量量细细菌菌无无法法通通过过常常规规工工艺艺去去除除，致致使使供供水水水水质质无无法法保保证证，影影响响生生活活饮饮用用水水的的供供水水安安全全。TiO2既既能能降降解解有有机机物物，又又能能降降解解无无机机物物，同同时时具具有有杀杀菌菌功功能能，TiO2光光催催化化对对自自来来水水中中的的三三氯氯甲甲烷烷、四四氯氯化化碳碳、芳芳香香族族化化合合物物、五五氯氯苯苯酚酚等等污污染染物物和和细细菌菌都都有有好好的的去去除除效效果果，且且不不产产生生中中间间产产物物，造造成成二次污染。二次污染。TiO2光催化作用在水处理中的应用光催化作用在水处理中的应用 第五十四页，本课件共有73页7.含菌废水的处理含菌废水的处理废废水水中中含含有有大大量量的的有有害害细细菌菌，且且种种类类繁繁多多，严严重重危危害害人人体体健健康康。TiO2光光催催化化过过程程杀杀菌菌不不仅仅能能杀杀死死细细菌菌，还还能能降降解解由由细细菌菌释释放放出出的的有有毒毒复复合合物物，光光催催化化过过程程可可以以攻攻击击细细菌菌的的外外层层细细胞胞，穿穿透透细细胞胞膜膜，破破坏坏细细菌菌的细胞结构，达到彻底杀灭细菌的目的。的细胞结构，达到彻底杀灭细菌的目的。TiO2光催化作用在水处理中的应用光催化作用在水处理中的应用 第五十五页，本课件共有73页影响影响TiO2光催化效率的因素光催化效率的因素（一）催化剂（一）催化剂 1.粒径大小粒径大小从光催化机理来看，从光催化机理来看，TiO2光催化氧化有机污染物实际上是一光催化氧化有机污染物实际上是一种自由基反应。从反应过程看，物质的降解速度与光生载流种自由基反应。从反应过程看，物质的降解速度与光生载流子子e-和和h+的浓度有关。的浓度有关。TiO2粒径越小，表面原子增加，光吸粒径越小，表面原子增加，光吸收效率提高，而增加了表面光生载流子的浓度。因此，纳米收效率提高，而增加了表面光生载流子的浓度。因此，纳米级的级的TiO2是一种高效的光催化剂。是一种高效的光催化剂。第五十六页，本课件共有73页2.表面积表面积表面积是决定反应物吸附量的重要因素。光催化反应是由光表面积是决定反应物吸附量的重要因素。光催化反应是由光生生e-和和h+引起的氧化还原反应，在催化剂表面不存在固定引起的氧化还原反应，在催化剂表面不存在固定的活性中心。因此表面积是决定反应基质吸附量的重要因的活性中心。因此表面积是决定反应基质吸附量的重要因素，在晶格缺陷等其它因素相同时，表面积越大，吸附量素，在晶格缺陷等其它因素相同时，表面积越大，吸附量越大，活性越高。越大，活性越高。注：具有大表面积的注：具有大表面积的TiO2往往存在更多的复合中心，当复合过程起往往存在更多的复合中心，当复合过程起主要作用时，就会降低的光催化活性。主要作用时，就会降低的光催化活性。影响影响TiO2光催化效率的因素光催化效率的因素 第五十七页，本课件共有73页3.混晶效应混晶效应目目前前的的研研究究发发现现高高光光催催化化活活性性的的TiO2多多数数为为锐锐钛钛矿矿型型与与金金红红石石型型的的混混合合物物。混混晶晶可可以以有有效效地地促促进进锐钛矿型晶体中光生电子、空穴的电荷分离。锐钛矿型晶体中光生电子、空穴的电荷分离。影响影响TiO2光催化效率的因素光催化效率的因素 第五十八页，本课件共有73页（二）光源与光强（二）光源与光强 TiO2表表面面杂杂质质和和晶晶格格缺缺陷陷使使得得TiO2在在一一个个较较大大的的波波长长范范围围里里有有光光催催化化活活性性。因因此此，光光源源选选择择比比较较灵灵活活，如如高高压压汞汞灯灯、中中压压汞汞灯灯、低低压压汞汞灯灯、紫紫外外灯灯、杀杀菌菌灯灯等等，波波长长一一般般在在250400nm内内。光光强强过过强强，光光催催化化效效果果不不一一定定好好，因因为此时存在中间氧化物在催化剂表面的竞争性复合。为此时存在中间氧化物在催化剂表面的竞争性复合。影响影响TiO2光催化效率的因素光催化效率的因素 第五十九页，本课件共有73页（三）溶液（三）溶液pH值值在在低低pH值值和和高高pH值值时时，都都有有可可能能出出现现较较高高速速率率的的光光催催化化反反应应。pH值值的的变变化化对对不不同同反反应应物物降降解解的的影影响响也也不不同同。有有关关不不同同pH值值条条件件下下光光强强对对光光量量子子产产率率的的影影响响研研究究表表明明：光光强强大大于于110-6EinsteinL-1s-1，量量子子产产率率随随pH值值的的增增加加而而减减小小；光光强强小小于于110-8EinsteinL-1s-1时时，随随pH值值的的增增加加，量量子子产产率率急急剧剧增增大大。因因此此，在在选选择择光光催催化化反反应应的的最最佳佳pH值时，要考虑光强大小的影响。值时，要考虑光强大小的影响。影响影响TiO2光催化效率的因素光催化效率的因素 第六十页，本课件共有73页（四）有机物浓度（四）有机物浓度光光催催化化氧氧化化的的反反应应速速率率可可以以用用Langmuir-Hinshelwood动动力学方程式来描述：力学方程式来描述：r=KC/(1+KC)式式中中：r-反反应应速速率率；C-反反应应物物浓浓度度；K-表表观观吸吸附附平平衡衡常常数数；-发发生于光催化生于光催化剂剂表面活性位置的表面反表面活性位置的表面反应应速率常数。速率常数。低低浓浓度度时时，上上式式可可以以简简化化为为：r=KC=KC，即即反反应应速速率与率与浓浓度成正比，初始度成正比，初始浓浓度越高，反度越高，反应应速率越大。速率越大。影响影响TiO2光催化效率的因素光催化效率的因素 第六十一页，本课件共有73页（五）外加氧化剂（五）外加氧化剂光催化反应要有效地进行，需要减少光生电子和空穴的简光催化反应要有效地进行，需要减少光生电子和空穴的简单复合，这可以通过使光生电子、光生空穴或两者被