光催化技术在污水处理方面的应用版.docx

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1、光催化技术在污水处理公司标准化编码QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N光催化技术在污水处理方面的应用罗鸣山东大学化学与化工学院摘要：近年来，随着我国经济上的飞速发展，环境的污染也非常严重。国家相 继推出政策不允许继续以牺牲环境为代价来谋取经济利益。因此，如何让环境 恢复到原生态和保证现有的环境不被污染是现如今我们不得不面对的重要问 题。其中水资源是人类赖以生存的根本，如何处理污水就成为了重中之重。光 催化技术是近年的新兴的技术，有良好的发展前景。由于TiO有良好的光催 化性质，在污水处理方面被广泛使用。本文就光催化技术的原理以及在各种污 水处理方面的应用进行研讨。关键词

2、：光催化技术污水处理纳米TiO21.前言随着世界工业化发展，水污染日 益严重，水中的污染物也呈现出多样 化的趋势，常见的污染物包括有毒重 金属、自然毒素、药物、有机污染物 等。常见的净化技术有氯气、臭氧和 紫外线消毒以及过滤、吸附、静置 等，但是这些方法对新生的污染物往 往不是非常有效，并且可能导致二次 污染。包括我国在内世界范围内广泛 应用的氯气消毒法，可能在水中生成 对人类健康有害的高氯酸盐。臭氧消 毒是比较安全的消毒方法，但是所需 设备昂贵：而紫外线消毒法需要能源 支持，并且日常的维护都需要专业的 技术人员；吸附法普通需要消耗大量 的吸附剂，使用过的吸附剂普通需要 额外的处理。但是，随着

3、对水污染的 广泛关注，污水处理技术已经日益完 善。由于光催化技术无污染、安全等 特点，利用光催化技术处理与降解污 染物已经成为了环境领域的研究热 点。该技术可以不用此外的电子受体 进行操作，操作的条件比较容易控 制，结构也比较简单，氧化能力很 强，同时还没有二次污染。它可以把 水中包含的有机污染物彻底的降解成 为水或者二氧化碳等，把无机污染物 被还原成为了无害物或者被氧化。而 且所需的光催化剂有无毒、便宜、 稳定以及能够重复的使用等优点。 光催化机理光催化技术是使用n型的半导体 为催化剂的，其中TiO给我们的效果2最好，因此成为了最受人们关注的光 催化剂。TiO光催化的基本原理是：TiO22吸

4、收一个等于或者大于它的带隙能量 的光子，可以激发一个价带电子从它 的价带跃迁至导带，从而产生电子(e-)和空穴(h.)对。如图1 i 所示，带有负电荷的电子和带有正电 荷的空穴，可以与水以及水中的溶解 氧(0 )、氢离子出)、氢氧根离子2(0H-)发生反应生成氢氧自由基(0H)、超氧自由基(0-)、单2基态氧(10 )和双氧水(H 0 ),它 22 2们被统称为含氧自由基。此外为了降 低电子空穴对的重新结合，普通采用 向污水中通入氧气或者空气的方法， 氧气能够迅速与电子反应生成超氧自 由基，这样也能增强TiO的污水处理2 效率。3.光催化剂世界上能作为光触媒的材料众多，包括二氧化钛(TiO )

5、,氧化锌2(ZnO),氧化锡(SnO ),二氧化错 2(Titanium Dioxide)因其氧化能力 强，化学性质稳定无毒，在光电转 化、难降解有机污染物光催化氧化、 消毒杀菌、敏感元件等许多方面有重 要应用,成为世界上最当红的纳米 光触媒材料。在早期，也曾经较多使 用硫化镉(CdS)和氧化锌(ZnO)作为光 触媒材料，但是由于这两者的化学性 质不稳定，会在光催化的同时发生光 溶解，溶出有害的金属离子具有一定 的生物毒性，故发达国家目前已经很 少将它们用作为民用光催化材料，部 分工业光催化领域还在使用。早期光催化研究主要集中在紫外 光响应的TiO从20世纪70年代到2.现在，TiO是光催化领

6、域研究最深2入，最广泛的体系，研究的内容涉及催化剂颗粒(ZrO),硫化镉网等多聃2断雌降猫繇雕展啾那改性、理论计 2化物半导体，其中二氧化钛 算等方面。普通的TiO带隙能量是eV,所2以它需要紫外光激活。而自然光中的紫外线并不多，普通的TiO在作催化2剂的时候就必须要添加额外的紫外光 源，这样就无形增加了成本。为了缩 小成本，利用太阳光中的可见光，响 应可见光的TiO光催化剂也已经被开2发出来了。响应可见光的TiO材料降2低了价带与导带的带隙能量，电子的 跃迁再也不需要拥有很高能量的紫外 光。常见的可见光激发的TiO普通是 2通过掺杂非金属元素来实现，研究表 明氮掺杂TiO的效果最好。2此外，

7、为了提高处理污水的效率，在具体应用中，现在普通采用纳米级别的TiO o纳米级别的TiO具有22以下两个优点：第一，粒径小、表面 积大、颗粒的表面可以接触到更多的 污染物。作为一种非均相光催化剂， 更大的接触面积，可以增加催化的效 率。第二，粒径小、颗粒表面的TiO2 增多，吸收的光子增多，并且能增加 光催化的量子产率。4.光催化反应的影响因素.催化剂性能锐钛型TiO是目前光催化氧化常2用的催化剂。但是，不同厂家的锐钛 型TiO都有所不同。催化剂粒子越 小，溶液中分散的单位质量粒子数目 就多，光吸附效率就高；光吸收不易 饱和，体系的比表面大，反应面积就 大，也有助于有机物的预吸附，反应 速率和效

8、率就大；粒径越小，电子与 空穴的简单复合几率就小，光催化活 性也就好。其他如孔隙率、平均孔 径、表面电荷、退火预处理、纯度等 都是影响光催化活性的因素，试验条 件（如波长、降解物等）不同，催化剂 的最佳投量也就不同。在半导体表面 附载体可提高TiO活性。2.光强和反应物浓度Bahanemann等的研究表明，光 强对催化氧化降解速率的影响程度与光强 的大小有关。在低光强下，降解速率 与光强呈线性关系；中等强度的光强 下，降解速率与光强的平方根存在线 性关系：当光强大于6X lOsEinstein 时，增大光强几乎不影响降解速率。 反应物浓度对降解速率的影响类似于 光强的影响。当反应物浓度很低时，

9、 降解速率与浓度成正比。当反应物浓 度增加到某一程度时，随着反应物浓 度的增加，反应速率的增加与反应物 浓度不存在正比关系；浓度达到某一 高度时，反应速率将不冉随浓度的变 化而变化。反应温度光催化反应的活化能较低，对温 度的变化不敏感。同时由于不同反应 物之间的降解过程不同，有些物质 （如，酚）开始的反应速率随温度的升 高略有增高，而另一些物质（如，三 氯甲烷）的反应速率随反应温度的增 加反而减少。故温度对光催化反应 的影响不大。溶液pH值同济大学李田等发现，中性条件 下三氯甲烷和六氯苯有较高的初始反 应速率和降解速率，据此，可不调节 pH值直接处理受污染水体。Bahnemann等的研究表明，

10、光催化反 应与溶液pH值有一定的依数关系， 随着溶液PH值的增大，光催化氧化 的速率有一定程度的增加，增加的程 度与光强有关。当光强较大时，随pH 值的增加，反应速率略有增加；光强 较小时（l（hEinstein）,反应速率随 pH值的增大急骤增大。因此，在考虑 pH值时应同时考虑光强大小的影响。5提高催化活性的途径 担载金属常见的担载金属有Pt、Pd、W、 Ag、Au等，其中Pt、W最常用。 Herrman .等发现，在光催化剂上， 当金属担载量低时，随金属量增加， 金属呈正效应，其解释是由于金属的 催化性质，以及电子在金属上的富 集，减少了半导体表面电子的浓度， 从而减少了电子与空穴在半导

11、体表面 的复合。无非，当超出担载最佳量 后，担我金属越多越有害。这是因为 过多的带有电子的金属微粒在半导体 颗粒上存在时，使光诱导产生的电子 与空穴的再复合。耦合半导体半导体耦合是提高光催化效率的 有效手段，因为半导体耦合可提高系 统的电荷分离效果，扩展对光谱吸收 范围。二元复合半导体TiO / SnO、22WO / CdS、TiO / AI 0 . CdS /322 3ZnO、WO / Fe 0等能够有效抑制光生 32 3我流子的复合，提高半导体-电解质 溶液界面的静电荷转移效率，从而提 高光催化活性耦合半导体有以下 优点：通过改变粒子的大小，易于调 节半导体的带隙和光谱吸收范围；半 导体微

12、粒的光吸收呈带边型，有利于 太阳能的有效采集；通过粒子的表面 改性可增加其光稳定性。离子修饰研究发现，在溶液中添加适量的 Fe*、Cu2+、Ag-等金属离子，能不同程 度地提高光催化分解效率。因为金属 离子能捕获导体中的电子，所以减少了 TiO表面的光致电子与空穴的复 2合，使TiO表面产生了更多0H 和 2兔，提高了催化活性。附加氧化剂在反应体系中附加输入氧气或者 加入等氧化剂可使光催化氧化效率 更 高，在其中作为光致电子浮获剂 0H 的另一个来源以及羟基化产物进 一步氧化反应的氧化剂U2J o 0另一个 2 特点是不会带来二次污染，因此使用 更为广泛。与其他方法相结合由于废水中污染物比较复

13、杂，只 使用单一的技术效果有不少局限性， 优化组合多种单一的处理技术是一种 新的有效途径。刘惠玲等通过阳极氧 化法，在钛网表面制成TiO膜，将该 2TiO膜作用于光电催化氧化体系的催 2化剂来降解若丹明B,结果表明，外 加偏压可以有效地提高有机物的光催 化降解效率，若丹明B几乎彻底被矿 化，并且，在UV的激发下，若丹明B 在光电催化过程中，生色基团的破坏 与脱乙基几乎同时发生。6. TiO光催化剂在污水处理方面的2 应用纳米Ti02等半导体光催化降解 水中的污染物的研究已成为环境科学 领域的一个热点，被认为是最有前 途、最有效的处理方法之一。Ti02光 催化降解技术在常温常压下就可以进 行，能

14、有效地将有机污染物转化为 H 0、CO“ P0 、SO 、NO -、卤素离2443子等无机小份子，达到彻底无机化的 日的。许多难降解或者用其他方法难 以去除的物质，如氯仿、多氯联苯、 有机磷化合物、多环芳烧等可利用 此法去除。此外。还可用于无机污 染废水的处理。总的来说，目前Ti02处理废水 主要是用悬浮法和固定法。含油污水的处理油墨是最主要的印刷材料之一， 也是目前国内外印刷业最大的污染源 之一。油墨产生的污水主要是由更换 油墨、换活儿时清洗印刷相关设备等 导致的。此外，石油开采也是含油污 水产生的重要方面。张宗伟等回研究了含油污水的初 始浓度、催化剂TiO的投加量及不同2掺杂TiO对含油污

15、水的光催化氧化降 2解效果的影响。实验发现，TiO对含2油污水的光降解效率较高;采用Fe-TiO催化剂，紫外光照射30min后，2含油污水的降解率可达到%而当光源 选用氛灯时，降解率有所下降。可 见，光催化降解必须选用可见光作为 光源。当 TiO 掺杂 Fes , Cea- , Tlw ,Las，Dy3+后,可见光照射下，水中油 的去除率明显增加，掺杂使TiO可见 2 光的响应范围得到了有效拓展。造纸废水的处理纸厂的漂白废水中含有多种氯化物，其中2/3以上是有机氯化物.许多是毒 性很强、对人体和动物有三致效应的 （15. o沈文浩等的研究（装置如图 2m）在pH值为4、TiO用量（纯TiO 2

16、2质量分数）为0. 025%的条件下对污 水进行絮凝处理，然后在pH值为3、 TiO用量为0. 050%的条件下进行光 2催化处理时，水样COD从909. 7mg/L 降至 103. 0 mg/L,总的 COD 去 除率为88. 7%,得出平均粒径为 13. 5 nm的TiO胶体粒子具有良好的 2光催化活性。图2光催化反应实验装置示意图无机废水的处理许多尤机物在TiO表面也具有光2化学活性，Miyaka等早在1977年就 用TiO悬浮粉末光解Cr 0 2一产还原为22 7Cm的研究。利用二氧化钛催化剂的 强氧化还原能力，可以将污水中汞、 格、铅、以及氧化物等降解为无毒物 质。Frank等研究了

17、TiO等为催化剂2将CN氧化为OCN ,再进一步反应生 成CO、N和N0 -的过程。Serpone等223报导了用TiO光催化法从Au（CN）24.中还原Au,同时氧化CN为NH和3co的过程，指出该法用于电镀工业废 2水的处理，不仅能还原镀液中的贵金 属，而且还能消除镀液中甄化物对环 境的污染，是一种有实用价值的处理 方法。7发展和展望随着全球工业化的进行，环境问 题越来越引起人们的重视。利用太阳 能处理环境问题，对于可持续发展具 有重要意义。相比于以前的处理方 法，光催化的方法显然更加具有优 势，具有将污染物降解到底、无选择 性、本身不产生二次污染等优点。尽管如此，光催化技术还是一项 不成

18、熟的技术。对于寻求更高效的催 化剂、寻觅合适的载体和固定化方 法，还有基础理论的完善都还需要进 一步研究和讨论。可以预见，随着光催化技术的发展，该技术将会在未来 的水处理领域发挥更加重要的作用。参考文献1崔玉民，范少华.洛阳工业学报，2002, 23(6)： 85-872吕未然，姜文君.科技经纬，2022, 26 (3)： 52-533 Zazeeruddin Md K, Humphry-Baker R, Liska P, et al. Phys Chern B,2003, 107:8981 4 Ziolli R L, Jardim W F. Photochem Photobio A, 200

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