纳米TiO2处理环境污染问题

纳米TiO2处理环境污染问题随着科技的快速进展，环境污染问题日益严峻，而半导体TiO2的多相光催化技术可以降解污染物，这引起了人们的广泛关注。多相光催化技术是指在反应体系中加入肯定量的光敏半导体材料，同时结合肯定能量的光照耀，使光敏半导体在光的作用下激发产生电子一空穴对，吸附在半导体材料表面上的溶解氧、水分子等与电子一空穴对作用，产生0H、。2等氧化性极强的自由基，与预催化的分子发生一系列的反应。在多相光催化技术中，光敏半导体材料是关键影响因素。常用在讨论中的半导体材料有TiO2、CdS和SnO等，但由于Ti02化学性质稳定，耐酸碱性好，无毒性，来源丰富成本低，催化效率高，对难降解有机物如苯系化合物、氯系有机物等的处理都特别有效，使得「02成为当前最有应用潜力的一种光催化剂。目前用作光催化剂的TiCh主要有两种晶体结构：锐钛矿型、金红石型。纳米光催化技术由于具有极强的化学氧化性，可以与污染物发生彻底反应而且不产生二次污染。近年来，TiCh作为耐久的光催化剂在环保、卫生等领域得到了广泛的应用。下面，我们从三个方面了解TiO2的光催化性质。一、纳米Ti02的光催化反应原理Ti02是一种宽禁带半导体，其能带结构是不连续的，通常状况下是由一个布满电子的低能级价带和一个空的高能级导带构成，它们之间被禁带隔开。TiO2的禁带宽度为3.2eV,半导体的光汲取阈值入g与禁带宽度Eg有着亲密的关系，其关系式为：Ag(nm)=hc/Eg(eV)式中h为普朗克常数，h=4.13566743*1015eV.s,c为光速，入g为光的波长。上式也可写成入g（nm）=1240/Eg（eV）当用波长小于或等于387.5|jm的光照耀时,纳米半导体材料TiO2的活性被激发，电子（e-）就会被从价带（VB）激发到导带（CB）,留下空穴（h+）在价带，从而形成电子一空穴对，二者之间也存在着复合的可能性，假如缺少适当的电子和空穴的俘获剂，激发态的导带电子和价带空穴又能重新合并，使光能以热能或其它形式散发掉。价带的空穴是良好的氧化剂（+L0〜3.5V）,而导带的电子是良好的还原剂（+0.5~1.5V）,大部分有机物的降解反应不是直接就是间接地采用了空穴氧化剂的能量。当TiO2表面存在合适的俘获剂或表面存在缺陷时，电子（e-）和空穴（h+）的重新复合就会得到抑制，在它们复合前，就会在TiO2的表面发生氧化还原反应。空穴具有很大的反应活性，与表面吸附的水（出0）或0H-离子反应形成具有强氧化性的羟基自由基（QH工电子与空气中的氧气（02）发生还原反应，生成超氧离子（Q-2）,还可以催生羟基自由基。详细反应原理如图1所示：图1二氧化钛光催化原理图二、纳米Ti02在环境污染治理中的应用由于光催化作用长久、化学性质稳定、无二次污染、对人体和环境无害、资源丰富价格低等优点，使纳米TiCh光催化技术的研讨成为环境工作者关注的一个焦点。（1）分解污水中的有机物随着工业的不断进展，环境污染日益加重，高浓度有毒有机污染物成为水处理过程中的难点。光催化技术作为较突出的一种高级氧化技术。同传统的化学氧化法相比，纳米Ti02具有氧化力量强、氧化过程无选择性、反应彻底等优点。工业污水和生活污水中含有大量的有机污染物，尤其是工业污水中有大量的有毒、有害物质。美国环保局公布了114种有机污染物，其中有60多种是卤代有机物，这些污染物用生物处理技术是难以消退的。而采纳光催化技术，在人造光源的激发下，实现了水中三氯甲烷、四氯化碳、四氯乙烯的高效氧化；油类及其衍生物引起的污染问题近年来不断消失，这些物质具有较长的半衰期，是对环境危害最大的一类物质。目前清除水面油污主要采纳机械清除法、吸附法、油层分散法、生物法及膜技术等。但是这些技术一般效率不高，操作时间长，费用高，简单造成二次污染等。而采纳溶胶一凝胶一浸涂法制备的锐钛型纳米TiO2漂移空心玻璃球载体，连续光照后能使甲苯被完全去除，正十二烷去除率达93%,(正十二烷、甲苯是石油中的代表物)，加入微量的H2O2还可以大大提高二者的光催化效率，目前正在进行光催化去除石油中其它组分的状况讨论，为实际应用奠定基础；农药中大部分是有机磷、有机氯和含氮化合物，对于农药的降解讨论一般以细菌或真菌为降解媒介，也有采纳稀释生化法处理的，但往往会造成二次污染。而纳米光催化技术降解农药的优点是不会产生毒性更强的中间产物，这是很多方法无法比拟的。在降解含农药的污水中，为提高氧化效率，一般可投加H2O2和在通氧条件下进行。在光照时间足够长的状况下，可以完全氧化敌敌畏、有机磷。假如在制备载体时使用的是TiO2/SiO2纳米复合材料，其对敌敌畏的光降解速率明显优于纯TiO2；染料是在纺织、印染、塑料等行业常常使用的一类材料。对于染料废水活性污泥法并不是很有效的方法。通常认为活性炭吸附和化学絮凝是比较有效的方法。但这些方法只是把染料从液相转移到固相中，还需要进一步处理，否则会造成二次污染。而在用一般TiC>2粉末对染料进行脱色、降解讨论中，发觉纳米TiO2对提高染料的脱色率和降解率有肯定的效果。(2)水体中重金属离子的光催化降解讨论金属类无机物与有机污染物存在着完全不同的性质，它不行能发生结构的变化，对于污染水体的重金属，最环保的方法是回收重金属，否则很简单造成二次污染。Cr是工业废水中常见的有毒重金属，目前主要通过添加化学还原剂的形式进行处理，以使其毒性降低,但此方法存在一些明显的不足之处。采用纳米TiO2、ZnO为光催化剂，在400W紫外线下初始浓度为100mg/L的Cr在90min光催化还原一沉淀处理后快速降为0.47mg/L,完全达到我国废水排放标准，其中ZnO的催化效果优于TiO2o含氟废水的排放对环境是一个严峻威逼,采用纳米TiO2光催化氧化法可降解NaCN水溶液，能使其降解为无毒无害的CNOo汞是重金属污染水的另一个主要成分，不论是无机汞还是有机汞都具有极强的神经毒累计效应，纳米TiCh光催化技术被认为是从污染水中去除汞的有效方法之一。在大量的讨论后可总结为：光催化技术对金属离子，尤其是以低浓度存在的金属离子可以有效去除，Pb2+XMM+、TF+、Co2+在pt-TiO2表面的沉积速率大小为Pb2+>Mn2+>TI2+>Co2+,溶解氧可以提高四者的沉积速率。这一讨论结果为低含量金属的回收供应了肯定的理论基础。(3)大气及室内环境净化国内外专家讨论表明，继"煤烟型污染"、"光化学烟雾污染"之后，人们已经进入到以〃室内空气污染”为标志的第三污染时期。包括大型百货商场、学校教室、办公室、住宅等在内的室内空气质量，尤其是装修入住后对人员造成的身体损害案例，近年来成了人们的焦点。采用光催化技术净化空气具有以下优点：广谱性、经济性、杀菌消毒等特点，其效果都是单独采纳紫外光技术和过滤技术所无法比拟的。大气污染物主要是指汽车尾气与工业废气带来的氮氧化物和硫氢化物。将含纳米TiO2的涂料涂在建筑物外表面，其光催化作用可以将这些气体氧化成蒸气压低的硝酸和硫酸，伴随着降雨过程而除去，从而达到降低大气污染的目的。纳米TiCh光催化技术在清除挥发性有机物上具有独到之处，能将很多难于用其他方法降解的污染物最终达到无机化，一般生成二氧化碳和水，以及相应的化合物。例如在紫外线照耀下通过室内喷涂吸附力量强的锐钛型纳米TiO2涂层可以分解装修过的房间存在的大量游离甲醛、苯系物、酮类等有机挥发物，吸烟产生的乙醛、家庭灰尘产生的硫醇等有机异臭，还可分解油份和有机的表面污染。当在纳米TiCh光催化剂掺杂金属离子能转变晶格结构，可使其在可见光照耀下也能发挥作用。采纳溶胶一凝胶法制得含％3+的纳米r02光催化剂，以活性炭为载体，在波长254nm的紫外光下对甲醛进行吸附和光催化氧化，甚至可以达到97%以上的净化效率。纳米TiO2光催化剂具有很强的杀菌力量，对大肠杆菌、绿脓杆菌、葡萄球菌、化脓菌等具有很强的杀灭力量，其超强的氧化力量可破坏细胞的细胞膜使细胞组分流失造成细菌死亡。三、提高纳米二氧化钛的光催化活性纳米二氧化钛的光催化性也存在一些不足，如化学反应速度慢，催化效率低等。为了更好的采用其光催化性，可以从以下几个方面进行改善：(1)加氧化剂。常用氧化剂有。2、H20等，当反应体系中加入氧化剂后，催化剂表面的电子被氧化剂俘获，降低了空穴与电子复合几率。(2)掌握晶型。二氧化钛催化剂有3种晶态，其中锐钛矿型和金红石型具有催化作用。其中锐钛型的催化活性比较高。讨论发觉混晶催化剂的活性比单纯的锐钛矿催化剂更好，缘由是锐钛矿型晶体的表面生长成薄的金红石型结晶层，能有效地促进锐钛矿型晶体中电子与空穴的电荷的分别。因此考虑讨论晶型的混合是提高纳米二氧化钛活性的一个方向。(3)掺杂金属离子。纳米TiO2中掺杂不同价态的金属离子后，半导体催化性质可以被提高。从化学观点看,金属离子对电子的争夺，削减了TiO2表面光生电子和光生空穴的复合，从而使TiO2表面产生更多的，提高了催化剂的活性。但实际上只有少数过渡金属离子能阻碍电子空穴的复合，具有肯定的选择性有些金属离子掺入反而会降低光催化活性。(4)纳米二氧化钛与其他半导体化合物复合。不同的半导体的禁带宽度不同，将不同的半导体进行复合造成能级交叉，可以有效地扩大其对太阳光中可见光部分的汲取。因此近几年来，二元半导体复合在光催化方面的应用得到了普遍的讨论，已研制出大量的光催化性能优良的复合半导体材料。(5)表面贵金属沉积法。半导体表面贵金属沉积被认为是一种可以捕获激发电子的有效改性方法。在目前讨论中，Pt、Pd、Ag、Au、Ru等是较常用的惰性金