催化降解水污染

1、光催化降解水中污染物的研究进展摘要：水资源污染是目前世界各国普遍面临而亟待解决的问题之一.许多有毒有害的有机污染物被水体和土壤自净的速度很慢而净化不彻底,并且在水体中存在时间长、范围广,对人类潜在影响很大。光催化技术是一种新兴、高效、节能的现代污水处理技术,开发能直接利用太阳光的光催化剂是环境领域的研究热点。关键词：光催化、水污染、二氧化钛、光源、工艺组合1. 前言光触媒于1967年被当时还是东京大学研究生的藤岛昭教授发现。在一次试验中对放入水中的氧化钛单结晶进行了光线照射，结果发现水被分解成了氧和氢。这一效果作为“本多藤岛效果"(Honda-FujishimaEffect)而闻名，

2、该名称组合了藤岛教授和当时他的指导教师东京工艺大学校长本多健一的名字。由于是借助光的力量促进氧化分解反应，因此后来将这一现象中的氧化钛称作光触媒。光触媒PHOTOCATALYST是光Photo=Light+触媒(催化剂)catalyst的合成词。1992年第一次二氧化钛光触媒国际研讨会在加拿大举行，日本的研究机构发表许多关于光触媒的新观念，并提出应用于氮氧化物净化的研究成果。因此二氧化钛相关的专利数目亦最多，其它触媒关连技术则涵盖触媒调配的制程、触媒构造、触媒担体、触媒固定法、触媒性能测试等。以此为契机，光触媒应用于抗菌、防污、空气净化等领域的相关研究急剧增加。中国13亿人口中，有70%饮用地

3、下水，660多个城市中有400多个城市以地下水为饮用水源。但是据介绍，全国90%的城市地下水已受到污染。而另一组数据亦表明，地下水正面临严峻挑战。2011年，北京、上海等9个省市对辖区内的857眼监测井进行过评价水质为I类、II类的监测井占比2%,而IV类、V类的监测井多达76.8%。自70年代末开始,利用光催化降解处理各类污染物废水的研究已有大量的报导。光催化降解法可以有效地降解多种有机污染物,并将有机物全部矿化为CO2、HO或毒性较小2的有机物,能彻底破坏有机物,达到无害处理的要求。本文总结了光催化降解技术的发展和研究现状,在分析讨论的基础上，探讨了光催化氧化技术的发展趋势,认为光催化降解

4、法是一种很有应用前景的水处理方法。2. 光催化降解机理当用光照射半导体光催化剂时,如果光子的能量高于半导体的禁带宽度,则半导体的价带电子从价带跃迁到导带,产生光致电子和空穴。如半导体TiO的禁带宽度为3.2eV,当2光子波长小于385nm时，电子就发生跃迁,产生光致电子和空穴(TiO2+hy、e-+h+)。光致空穴具有很强的氧化性,可夺取半导体颗粒表面吸附的有机物或溶剂中的电子,使原本不吸收光而无法被光子直接氧化的物质,通过光催化剂被活化氧化。光致电子具有很强的还原性,使得半导体表面的电子受体被还原。但是迁移到表面的光致电子和空穴又存在复合的可能,降低了光催化反应的效率。为了提高光催化效率,需

5、要适当的俘获剂,降低电子和空穴复合的可能性,这是近年来光催化研究的重点。对光催化反应的机理,不同的研究者对同一现象也提出了不同的解释。氘同位素试验和电子顺磁共振(ESR)研究均已证明,水溶液中光催化氧化反应主要是通过羟基自由基(OH.)反应进行的，OH是一种氧化性很强的活性物质。水溶液中的OH-、水分子及有机物均可以充当光致空穴的俘获剂,具体的机理如下：h+OH-fOHh+H2OOH+H+h+RedfRed+(Red表示还原性物质)光致电子的俘获剂则主要是吸附于催化剂表面上的O,具体的机理如下：2e-+O(ads)0-(ads)ab22O-(ads)+H+HO222HOO+HO2222HO+O

6、-(ads)OH+OH-+O2222可以看出,O既可以抑制光催化剂上电子和空穴的复合,提高反应效率,同时也2是氧化剂，可以氧化已羟基化的反应产物，是表面羟基自由基(0H)的另一个来源。Fox指出，液相条件下光催化反应主要通过羟基自由基反应进行，是因为催化剂的表面有大量的羟基存在。2.1纳米二氧化钛自1976年J.H.Cary等报道了，在紫外光照射下纳米TiO2可使难生化降解的有机化合物多氯联苯脱氯后，纳米TiO2光催化氧化法作为一种水处理技术就引起了各国众多研究者的广泛重视。至今，已发现有3000多种难降解的有机化合物可以在紫外线的照射下通过TiO2迅速降解，特别是当水中有机污染物浓度很高或用

7、其他方法很难降解时这种技术有着更明显的优势。美国、日本、加拿大等国已尝试将TiO2光催化技术应用于水处理，目前国内大都还只限于实验室研究水平，尚未有把该技术投入实际应用的报道。2.2二氧化钛光催化反应机理光催化反应机理类似于以OH基团为中介物的电催化反应机理。当以光子能量大于或等于TiO2的能带隙的光（久小于或等于388nm）辐射TiO2时，TiO2价带的电子可被激发到导带，生成电子-空穴对，并向TiO2粒子表面迁移，在TI02-H20体系中，就会在表面发生一系列反应，最终产生具有强氧化能力的OH自由基和02-,从而使有机化合物最终被降解为C02和H20。3. 光源3. 1人造光源理论上紫外光

8、包括波长100400nm，实践中常用到180380nm的的波段。在光催化氧化研究中，高压汞灯、低压汞灯、杀菌灯、黑炽灯等均被广泛应用。刘刚的实验表明，对辛醇和PTA（对苯二甲酸）废水，高压汞灯和低压汞灯的CODcr去除率是一样的，高压汞灯对炭黑废水CODcr去除率较高，由于高压汞灯的有效弧长只有102mm，不便于在工业装置中应用，而且功率大，耗能高，实验一般选用低压汞灯。李丽洁等研究比较了水银灯（185nm）、杀菌灯（250260nm）、黑光灯（300400nm）对2,4-二硝基苯酚的降解效率，实验看出达到同样的降解效率所需时间为:水银灯杀菌灯黑光灯，表明光源的放射波长越小，反应器的降解效率越

9、高。3. 2自然光源目前，以净化水体为目的的高级氧化技术是以应用紫外辐射为主。此种方式对分解有机物效果显著，但需消耗电能，费用较高。而自然环境中一部分近紫外光（290400nm）极易被有机污染物吸收，在有活性物质存在时就发生强烈的光化学反应使有机物发生降解。因此，应深入开展利用自然光源或与工人光源相结合的技术研究。利用日光为驱动力的高级氧化技术在总体上尚处于实验研究阶段，但具有良好的应用前景。实验表明27可利用太阳光中波长直至388nm高压汞灯等)所发出的短波长的紫外光。太阳光中含有3%4%的这种近紫外光(300400nm)。尽管这只占太阳光的一小部分，但深入进行研究,开发有效利用太阳能处理有

10、机废水的新方法,具有十分重要的意义。4. 光催化氧化工艺组合水体中有机污染物呈现复杂性和多样性，单一的处理方法往往达不到预期目的，这时可以考虑几种技术的联合使用。把光催化氧化技术作为预处理或后处理与其它方法相结合，产生高效、经济的联用技术是行之有效的。4.1 与混凝沉降法联用刘刚探索了光催化氧化-混凝工艺处理化工废水的工艺条件，对十二烷基苯磺酸钠废水、苯酐废水、富马酸废水、邻苯二甲酸二辛酯废水、对苯二甲酸废水、对苯二甲酸二甲酯废水、腈纶废水、橡胶废水、印染废水等进行了处理，CODcr去除率为38%96%,出水BOD5与CODcr值大多有所提高，印染废水色度去除率96%。4.2 与超声法联用泽田

11、胜也等研究了单独Hg灯/TiO2光催化氧化、单独超声辐射、同时光催化氧化-超声辐照、先光催化氧化后超声辐照以及先超辐射照后光催化氧化五种不同工艺对1，2-二氯乙烯(DCE)的降解效果。研究认为，先超声辐照后Hg灯光催化氧化，超声辐照减小了Ti02颗粒粒径，并加快了DCE向Ti02粉末表面传质，有利于后续的Hg灯对DCE的光催化降解，从而大大提高了DCE的降解效率。4.3 与电极的联用姚清照制备了纳米结构TiO2膜及光透电极，以此作为工作电极和光催化剂，研究了光电催化方法对水溶液中染料的降解效果。试验表明，同光致分解、光催化降解相比，光电催化降解对三种染料一品红、铬蓝K、铬黑T溶液的降解效果最好

12、。4.4 与生物法联用光催化氧化技术可以将一些大分子的难降解有机物氧化成为小分子、易于生物降解的有机物。日本已有用光催化氧化法与活性污泥法相结合处理印染废水的实际应用。这也是难降解有机污染物处理技术的一个发展方向。5. 结语光催化氧化法降解、处理和净化受污染水体最重要因素是光源的应用.利用太阳光辐照作为激发光源具有经济、节能的优点，从长远的意义上来说，对环境保护、维持生态平衡和实现可持续发展具有重要意义.在受天气和气候限制的时间和地区采用自然和人工光源相结合也不失为一种有效的方法.光催化氧化法大规模工业应用的制约因素是处理、运行的费用和成本问题,但对高浓度、有毒有害、难生物降解的有机废水和水源

13、水中微量难降解有机污染物的处理,仍是一种较好且可行的处理方法.考虑到水中有机污染物的多样性和复杂性,将光催化氧化法于其它处理方法联用,可达到高效、经济和无害化的目的,并扩大光催化氧化法的应用范围。总之,光催化氧化技术作为一种极具前途的水处理技术,在基础理论到实际应用方面还有待于深入研究、探索并进一步完善。6. 参考文献1.董德贵、温青光催化降解水中污染物的研究J.应用科技，2004(3),3133.2李晓平、徐宝琨、刘国范.纳米TiO2光催化降解水中有机污染物的研究与发展J.功能材料，1999.30(3).3. 黄艳娥、琚行松.纳米二氧化钛光催化降解水中有机污染物的研究进展J.化工环保，2002.22(1).4. 黄进、王斌.光催化氧化降解水中有机污染物技术综述J.重庆环境科学,2001,23(5):30-34.5. 李宁、李光明、赵建夫.光催化氧化降解水中有机污染物的研究进展.韶关学院学报，2003.24(12).6. 朱春媚,陈双全,杨曦,等.几种难降解有机废水的光化学处理研究J.环境科学,1997,18(6):27-23.7李芳柏，古国榜，万洪富.多相光催化法在水处理上的应用简介J.重庆环境科学，1998,20(5):18