光催化氧化技术 - 郑州益源天泽环境科技有限公司
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光催化氧化技术

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。
一、 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。
二、TiO2光催化氧化在水处理中的应用 
  2.1 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。  
  2.1.1 染料废水处理 
  2.1.2 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。    
  2.1.3 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。 
  2.1.4 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1~6h。 
  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。 
  2.2 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。 
三、 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:
  1、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 
  2、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 
  3、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 
  4、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等方面。虽然 TiO2 光催化氧化技术发展还不是很完善, 还没有达到工业化的程度, 但是由于其反应条件温和、 操作容易控制、 氧化能力强、 无二次污染, 加之TiO2 化学稳定性高、 无毒等优点, 仍是一项具有广泛应用前景的新型废水处理技术。

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