光催化氧化.doc

光催化氧化技术是一种环境友好型绿色水处理技术, 它能够彻底氧化降解废水中的有机污染物。该技术是利用易于吸收光子能量的中间产物首先形成激发态,然后再诱导引发反应物分子的氧化过程。1972 年 Fujishima A 和 Hongda 在Nature 上发表了关于在TiO2 电极上光解水的论文, 这是多相光催化氧化研究开始的标志之一。此后人们对光催化氧化进行深入的研究,探讨其反应催化原理, 并致力于提高催化效率。1976 年 Carey等在光催化氧化降解水中污染物方面进行了开拓性的工作,显示出光催化氧化技术在环保领域的应用前景。光催化氧化是光催化剂在特定波长光源的照射下产生催化作用,使周围的水分子及氧气激发形成极具活性的 HO!自由基和!O-2 自由基。目前采用的半导体材料主要是 TiO2、ZnO、 CdS、 WO3、 SnO2等。不同半导体的光催化活性不同, 对具体有机物的降解效果也有明显差别。TiO2因其具有化学稳定性高、 耐腐蚀、 对人体无害、 价带能级较深等特点, 特别是其光致空穴的氧化性极高,氧化电位可达+ 2. 53V, 还可在水中形成氧化电位比臭氧还高的HO!, 同时光生电子也有很强的还原性,可以把氧分子还原成超氧负离子, 水歧化成H2O2。所以 TiO2 成为半导体光催化研究领域中最活跃的一种物质,非常适合于环境催化应用研究。1 TiO2光催化机理 纳米TiO2是N型半导体,能带和导带之间的带 隙能为3.2eV,其能量相当于波长为387.5nm的紫 外光,当被该紫外光照射时,处于能带上的电子被激 发到导带上,生成高活性的电子e-,在能带上产生 带正电荷的空穴h+。TiO2与水接触,水分子和被溶 解的氧与产生的h+,e-作用,生成强氧化性的 .OH-,.O2,并通过.OH-,h+和.O2等渐渐将有机物 降解为CO2和H2O等无机物。同时,e-具有强还原 性,还可将无机物高氧化态的氧化物或贵金属离子 还原成低氧化态的氧化物或单质,或将低价离子氧 化成高氧化态的氧化物沉淀出来,达到治理和回收 的目的。3 TiO2光催化氧化在水处理中的应用3.1 废水中有机污染物的降解有机化合物废水处理常规方法有吸附法、混凝 沉降法、生化法等,但这些常规的处理法目前很难达 到去除难降解有机物的目的,即使降解了,也易造成 二次污染。现在正在发展中的TiO2光催化技术是一 种深度氧化技术,可以解决这个难题。大量研究证 明,该技术对水中染料、卤代脂肪烃、卤代芳烃、有机 酸、硝基芳烃、杂环化合物、烃类、酚类、表面活性剂、农药等都能有效地进行光催化反应,生成CO2和 H2O等无机小分子,可以完全达到无机化的目的,从而消除其对环境的污染。3.1.1 染料废水处理3.1.2 农药废水处理农药废水主要是除草剂、有机磷农药、三氯苯氧 乙酸,DDVP、DDT等。其特性表现为:停留时间长、 污染性大,是难于降解的有机物。采用光催化虽然不 能使所有的污染物完全矿化,但不会产生毒性更高 的中间产物,是其它方法无法相比的。3.1.3 含油废水处理含油废水是一种不溶于水且漂浮于水面上的油 类和大量的有机物,TiO2光催化技术处理含油废 水,其降解率可达95%左右,一般不会像使用化学方 法一样产生二次污染。3.1.4 卤代芳烃处理主要的卤代芳烃污染物,均可在光催化过程中 被完全降解。水中主要卤代芳烃污染物在使用TiO2 光催化剂和近紫外光照射下的半衰期,大部分在15 min和1.5h之间,相应的完全转化时间为16h。对于卤代芳烃的降解,由于中间物在催化反应中具 有较强的吸附作用,反应过程中一般检测不到中间 物,并且卤素取代程度比较低的污染物通常降解速 度比较慢。3.2 废水中无机化合物的降解废水中虽然含有大量的有机污染物,但也存在不 少的无机污染物,尤其是水中存在许多重金属离子如 汞、铅等,会对人体健康产生极大的危害,所以降解无 机污染物也是一个刻不容缓的问题。大量的研究表明:许多无机物在TiO2表面也具有光催化活性。因 而,TiO2便可将贵金属如金、铑、钯、锗等在其表面沉 积下来,以便于回收贵金属。同时,纳米TiO2具有强 还原性,可将Cr2O2-7还原成无毒的Cr2O-2;将SO2-4 和NOx还原成单质和无毒低氧化态氧化物;也可将 水中汞、铬、铅及其氧化物等降解为无毒物质。 5 光催化氧化发展前景TiO2 催化剂本身固有的特点，对利用太阳能和去除水体中的有机污染物有着非凡的潜力 特别是国际工业化进程的加快，水体有机污染物日益严重的今天， TiO2 光催化氧化具有更明显的优势 当前TiO2 在水处理技术研究上，还处于实验室阶段 要在实际工作中广泛应用，未来的方向需要研究以下几点：一是继续提高 TiO2 光催化剂的催化比表面积的同时，充分研究 TiO2 颗粒的循环利用，如利用表面活性剂反胶束微乳液法开发 SiO2 球粒吸附催化剂 二是通过在催化剂中掺杂新的贵金属和金属离子等其它物质以降低 TiO2 的带隙能，使其充分利用太阳能中波长较长的光，提高对太阳光的利用率 三是负载和复合 TiO2 形成薄膜和制定新的复合材料，提高吸收光的激发效率，提高催化活性 四是开发新型的光催化反应器，便于反应的循环高效运行评论 目前,TiO2光催化氧化技术在废水处理中的应用还停留在试验性阶段, 要投入应用还需要进一步研究。下一步该技术的改进方案将集中于提高对太阳光的利用率,研究催化剂固定技术以提高催化剂的利用率和回收率,减少光生电子和空穴复合,以及与其他处理技术联用提高反应效率