【《光电催化氧化技术研究的文献综述》3900字】

光电催化氧化技术研究的文献综述目前在工业生产和日常生活中常见的污水处理工艺技术主要分为物理法、化学法和生物法三种处理方法，在实际应用中这些方法都不同程度地被发现其存在一些缺点：其中物理法的处理方法只是简单将污染物与水进行分离，后续仍然必须进行处理，否则经过分离的污染物仍然会造成很大的环境污染，而且物理法的处理装置或者添加的活性炭等分离药剂为了节省成本常常都会需要进行阶段性的再生恢复；其次化学法虽然可以做到降解污染物，甚至是消除污染物，但是需要在处理过程中添加一些成本比较高的化学药品，而且这些投加的化学药品也很有可能会对水造成二次的污染；然后生物法则是一种利用微生物的代谢所产生的作用去除污染物，优点是省时、节能，并且价格相对来说比较低廉，但是会对微生物的生长习性依赖度大，并且还是受制于微生物代谢的能力，对含HPAM的油田废水进行处理是比较困难。相比之下，光电催化氧化工艺在该领域的应用局限性比较小，更适合被广泛应用于处理困难的有机物废水[3]。光电催化氧化技术在实际操作中又可以细分为光催化氧化技术、电催化氧化技术和光电协同催化氧化技术。1.1光催化氧化技术光催化技术基本的概念定义，是由于光催化剂在完全吸收和充分利用紫外光、可见光或其他红外光的发射的光子产生的能量后，导致催化剂表面的化学反应速率发生改变，或者在化学反应初始时的状态以及其中涉及所用到的其他化学反应成分之间产生变化的一个化学过程。从光催化技术推广到水污染控制领域的开始，光催化技术具备的氧化还原能力便已经被人们发现可以用于降解有机污染物，这也使光催化技术成为了解决水环境污染问题的可选路线，难降解的有机物废水也可以通过光催化水处理技术的氧化作用去实现废水的处理。大量研究报道表明，光催化氧化技术对环境产生的污染物有很好的去除效果，这主要取决于反应体系内产生的大量羟基自由基等活性物质，不但能破坏污染物的化学结构，还能增加它的可生化性，直至污染物彻底矿化至无毒产物。在高级氧化技术中光催化技术是比较常见的氧化技术。这个技术是指通过光的辐射作用导致电子和空穴分离的反应过程，这个过程可以称为为光催化反应。光催化是光和化学物质之间产生相互作用的形式之一，它处于催化化学和光化学的交叉领域。其中不可缺少的要素是光催化剂和光吸收以及由于光辐射而导致的光化学变化。根据研究发现，半导体发光材料本身由于具有良好的光催化性质，常被用作光催化剂。半导体电子材料大多由满载能量电子的低能价带和高能量导带两个部分结构组成，价带与导带之间有一个区域，般在2eV-3eV之间，这个区又被称为禁带。这样特殊的结构，就直接决定了半导体的光催化性质。光催化氧化处理技术的反应机制原理如下图1-1所示，当强光入射源中的光子能量大于或等于光催化剂本身具有的禁带宽度时，光催化剂材料价带（VB）上的活性电子就会被光子激发，电子跃迁至导带（CB），产生一个具有高活性的电子空穴-电子对。空穴本身就拥有极强的氧化能力，它可以直接将半导体表面接触的或溶液中所含有的有机化学物质氧化。图1-1光催化反应的基本原理1.2电催化氧化技术电化学氧化的选择性极强，可以完全降解工业废水中用其他处理方法不容易降解的有机化学物质，还可以降解对人体和其他生物有毒或者是会产生副作用的污染物，所以使用电化学氧化方法就明显地改善了污水的可生化性。因为这种处理方法对于有机物或者氨氮化合物都具有相当好的去除效果，所以它经常被应用于传统处理工艺方法的后续处理技术，句比如反渗透浓水的处理，在经过生化处理的流程后，再次对反渗透浓水进行电化学氧化处理，这样就能够有效去除浓水中难以通过微生物降解的物质。目前，电化学氧化技术主要就用于杀菌、灭藻等方面的污水处理。电化学氧化技术根据作用原理大致可以划分为电解氧化技术、电催化氧化技术。在污水处理过程中，水体中的各种污染物质会吸附于电极的表面，其中电化学直接氧化处理就是以活性电极为主要基底，在水体外加偏压的作用下，阳极会失去电子，使得这些污染物能够在阳极的表面就发生反应，被氧化或者转变成毒性很低、微生物容易降解的小分子物质，或者可以直接被降解成CO2及H2O等无污染的物质，进而实现了净化环境和水体的目标。与电化学直接氧化的过程不同，电化学的间接氧化反应主要是通过阳极的反应，生成对污染物具有氧化作用的中间副产物，或者是发生阳极反应以外的反应，来进行对污染物的氧化降解，从而同样达到把污染物转化为无污染的无机物或小分子物质的目的[4]。反应过程如图1-2所示：图1-2电解氧化过程示意图1.3光电催化氧化光电催化是指选用半导体材料作为电极，在电催化的过程中加入光场，光电协同催化，从而共同促进物质进行氧化还原反应[5]。在高级氧化方法中，光催化技术和电氧化技术是最为常见的两种氧化方法。为了达到较优异的氧化性能，将光催化技术和电化学氧化相互配合，以实现光电的协同作用。在一定的外加偏压条件下，加快光生电子在外电路中的导出，可以有效地抑制电子和空穴之间的复合[6]，从而利用光电的协同作用高速率且有效的降解污染物。具体过程如图1-3所示，光电催化氧化技术可有效去除水体中的有机污染物。图1-3光电催化作用机理示意图光催化过程和电化学过程中污染物的处理效率可以通过这两个过程的相互配合来提高的[7]。在光照射阳极的情况下，光生电子就转移到外部电路，并集中在阴极，而光生空穴在阳极不断积累，提高了污染物在阳极的氧化速率，并且在阴极和阳极上产生的自由基和高氧化性物质也可以和废水中的污染物进行氧化反应，再一次的提高了催化氧化的速率。下图1-4展示了光电催化降解污染物的总体机制[8]。图1-4光电催化降解机制的示意图1.4光电催化氧化技术的应用前景一、光电催化氧化技术处理染料废水染料工业废水主要产生于中国的印染加工行业.在整个印染工业生产过程中，通常会排放大量的染料废水。在印染加工业废水中主要包括退浆染料废水，漂白染料废水和其他染料生产工艺废水，其组成较为复杂[9,10]。目前，染料工业中废水的降解和处理的主要方法包括微生物降解技术、生化降解技术和先进的微生物氧化降解技术，先进的微生物降解氧化技术是处理废水的主要方法。但是，该方法在染料废水处理中的应用相对较差，因为对染料废水中有机物和水溶性染料的降解和处理效率较低，不能达到良好的脱色效果。因此，越来越多的企业和研究人员开始尝试使用降解和处理效率高，又没有二次污染的光电催化处理方法来降解和处理染料工业废水。二、光电催化氧化技术处理农药废水农药对中国的发展以及促进现代农业的生产有很大的意义。实际上，中国是一个长期使用大量农药的国家。农药的大量使用就会直接导致农药的残留。因此，农药的生化处理得到了国内外人们的广泛重视和关注。目前，生化法在国内外处理农药废水上得到广泛的应用。但是，该方法在一定的条件下很可能会造成微生物的中毒，从而导致对农药和工业废水的消毒不彻底。相对而言，光电氧化催化技术，作为一种先进氧化反应技术，在农药和工业废水处理中具有氧化反应完全、消耗少等特点。同时，在后续的废水处理中对于微生物的降解效果也是相对更好，所以国内外越来越多的与农药相关专家都对此予以了关注。三、光电催化氧化技术处理含氮有机污染物从工业早期开始，苯酚和苯胺等有机化学污染物就已作为化学工业和生产中的重要原料应用于各个行业和领域。但是，它们的大量使用已经对环境造成了污染，严重的破坏了大气、水、土壤等生态环境和生态系统，这逐渐引起了国家和人民的关注。然而，通过传统的废水处理工艺和生化处理方法很难降解这种有机物废水。因此，探索一种安全、经济、高效的废水处理方法来降解这种高氮的、难降解的有机化合物已成为必然趋势。张燕等人[11]采用WO3纳米板阵列电极作为反应的负极，Pd/Cu电极作为反应的正极，运用光催化技术去除废水的总氮。研究结果表明，在90min内，废水中二氧化碳氨氮和硝酸盐氮的去除率分别达到91.5%和98.7%。李晓燕等人[11]使用通过羟基自由基和氯自由基来进行氧化的光催化氧化系统来处理含氮的废水，在2.5h内，总氮和总有机碳的去除率为99.2%和51.3%。最后，他们得出结论，基于自由基的光催化氧化过程中具有很高的氮选择性，可以有效降解废水中的含氮有机污染物。参考文献[1]LiZ，ZhangW，TangY，etal．Formationdamageduringalkaline-surfactant-polymerfloodingintheSanan-5blockoftheDaqingOilfield，China[J]．J．Nat．GasSci．Eng．，2016，35：826-835．[2]刘咚，储昭奎，王洪福，等.含聚丙烯酰胺类油田污水的电化学氧化处理[J].环境工程学报，2017，11（1）：291-296.[3]王鉴，朱立颖，孟庆明.Fe-F/TiO2复合微球的制备与光降解部分水解聚丙烯酰胺机制[J].复合材料学报，2017，34（6）：1367-1373.[4]陈禹彤.电/光电处理水中有机污染物及金属有机络合物的研究[D].大连工业大学，2017：.[5]华庆峰.小分子醇的光电催化氧化及光催化制氢研究[D].青岛科技大学，2020.[6]PanGW,JingXH,DingXY,etal.Synergisticeffectsofphotocatalyticandelectrocatalyticoxidationbasedonathree-dimensionalelectrodereactortowarddegradationofdyesinwastewater[J].JournalofAlloysandCompounds,2019,809.[7]Meng，X.；Zhang，Z.；Li，X.Synergeticphotoelectrocatalyticreactorsforenvironmentalremediation：Areview[J].J.Photochem.Photobiol.C，2015，24，83–101.[8]ElzbietaKusmierek.SemiconductorElectrodeMaterialsAppliedinPhotoelectrocatalyticWastewaterTreatment—anOverview[J].Catalysts，2020，10（4）：439-439.[9]褚衍洋，吕瑞薇．光电催化法处理有机废水的研究进展[J].轻工科技，2018，34（06）：94-96+130．[10]王纯，王文龙，刘鑫，等．印染废水处理过程中有机污染物及急性毒性变化规律研究[J]．环境科学学报，2019，39（10）：3434-3441．[11]YanZhang，JinhuaLi，JingBai，etal.Totalorganiccarbonandtotalnitrogenremovalandsimultaneouselectricitygenerationfornitrogen-containingwastewaterbasedonthecatalyticreactionsofhydroxylandchlorineradicals，2018，238（07）：168-176.[12]XiaoyanLi，JingBai，JinhuaLi，etal.EfficientTNremovalandsimultaneousTOCconversionforhighlytoxicorganicaminesbasedonapHotoelectrochemical-chlorineradicalsp