光催化氧化技術(shù)在水處理中的應(yīng)用及研究進展

摘要：介紹了光催化氧化的機理,就TiO2固定化制備、改性、光催化氧化在降解廢水中有機污染物、無機污染物以及飲用水處理中的研究進展進行了闡述,提出了今后的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：納米二氧化鈦,光催化氧化,水處理,研究進展

光催化氧化技術(shù)是一種新興的水處理技術(shù)。1972年,Fu- jishima和Honda[1]報道了在光電池中光輻射TiO2可持續(xù)發(fā)生水 的氧化還原反應(yīng),標志著光催化氧化水處理時代的開始。1976年, Carey等[2]在光催化降解水中污染物方面進行了開拓性的工作。 此后,光催化氧化技術(shù)得到迅速發(fā)展。光催化技術(shù)具有反應(yīng)條件 溫和、能耗低、操作簡便、能礦化絕大多數(shù)有機物、可減少二次污 染及可以用太陽光作為反應(yīng)光源等突出優(yōu)點,在難降解有機物、 水體微污染等處理中具有其他傳統(tǒng)水處理工藝所無法比擬的優(yōu) 勢,是一種極具發(fā)展前途的水處理技術(shù),對太陽能的利用和環(huán)境 保護有著重大意義。

1　TiO2光催化劑的特性及光催化氧化機理

TiO2有銳鈦礦型、金紅石型和板鈦礦型三種晶型。同樣條件 下,銳鈦礦型的催化活性較好。在眾多光催化劑中,TiO2是目前 公認的最有效的半導(dǎo)體催化劑,其特點有:化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,能有效 吸收太陽光譜中弱紫外輻射部分,氧化還原性極強,耐酸堿和光 化學(xué)腐蝕,價廉無毒。目前對光催化的機理研究尚不成熟,一般 認為光催化氧化法是以N型半導(dǎo)體的能帶理論為基礎(chǔ)。TiO2屬 于N型半導(dǎo)體,其能帶是不連續(xù)的,在充滿電子的低能價帶(VB) 和空的高能導(dǎo)帶(CB)之間存在一個禁帶,帶隙能為3.2 eV,光催 化所需入射光最大波長為387.5 nm。當λ≤387.5 nm的光波輻 射照射TiO2時,處于價帶的電子被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶,生成高活性 電子(e-),同時在價帶上產(chǎn)生相應(yīng)的空穴(h+),從而形成具有高 度活性的電子/空穴對,并在電場作用下分離,向粒子表面遷移,既 可直接將吸附的有機物分子氧化,也可與吸附在TiO2表面的羥基 或水分子反應(yīng)生成氧化性很強的活性物質(zhì)氫氧自由基·OH。·OH 自由基是一種非選擇性的強氧化劑,可以氧化包括生物難以降解 的各種有機物,使之徹底氧化為CO2,H2O和其他無機物。

2　TiO2固定化制備及改性研究

2.1　TiO2固定化制備

針對TiO2粉末回收困難且不能有效利用可見光等缺點,催 化劑固定化不僅是解決催化劑回收利用的有效途徑,也是運用活 性組分和載體的各項功能,以改善催化劑功能的理想形式。 TiO2固定化制備方法主要有:1)粉體燒結(jié)法,此法簡單易行, 光催化活性較高,但存在牢固性欠佳、分布不均等問題。2)偶聯(lián) 法,這種方法將TiO2粉體與載體通過偶聯(lián)劑粘合在一起,適用于 制備TiO2復(fù)合涂料。3)溶膠—凝膠法制備TiO2薄膜,這是目前 常用的一種制備方法。此法制備的薄膜不僅均勻性和結(jié)晶性較 好,而且可以通過改變?nèi)苣z—凝膠參數(shù)來控制膜的表面積和孔結(jié) 構(gòu),制得高活性的催化劑,技術(shù)簡單,但多次浸漬、提拉使制備過 程歷時較長。國內(nèi)外研究中所應(yīng)用的載體主要有硅膠、玻璃、鋁 材、陶瓷、石英玻璃管和光導(dǎo)纖維等�？傊�,催化劑的固定化方式 很多,但都有不足之處,解決催化劑固定化問題仍是目前研究工 作的重點。

2.2　TiO2的改性

TiO2吸收波長狹窄,對太陽光的利用率低。為擴展TiO2吸 收波長范圍和提高光催化活性,對TiO2進行改性研究是十分必 要的。目前對TiO2的改性研究主要集中在以下幾個方面:1)半 導(dǎo)體復(fù)合。通過兩種不同禁帶寬度的半導(dǎo)體復(fù)合可提高系統(tǒng)的 電荷分散效果,擴大TiO2的光譜響應(yīng)范圍。復(fù)合方式有簡單的 組合、摻雜、多層結(jié)構(gòu)和異相組合等。例如,復(fù)合體系CdS-TiO2[3] 中,由于CdS(Eg2.5 eV)可能被波長短于500 nm的可見光激發(fā), 從而使得CdS-TiO2復(fù)合體系的激發(fā)波長達到可見光區(qū)。2)摻雜 金屬離子。金屬離子摻雜可捕獲導(dǎo)帶中電子,改變TiO2結(jié)晶度, 減少TiO2表面光生電子—空穴對的復(fù)合,提高了活性,而且還可 使TiO2的吸收波長擴展,以達到充分利用可見光的目的。Choi 等[4]系統(tǒng)考察了21種金屬離子摻雜的TiO2納米晶,發(fā)現(xiàn)在晶格 中摻雜0.5%的Fe3+,Mo5+,Ru2+,Re2+或Rh2+,增加了光催化 活性,其中Fe3+摻雜的TiO2納米晶光催化活性增加最明顯。3) 表面光敏化。將一些光活性化合物,如葉綠素、玫瑰紅等吸附于 半導(dǎo)體表面,從而擴大激發(fā)波長范圍,增加光催化反應(yīng)效率。

3　光催化氧化技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

3.1　廢水處理

光催化反應(yīng)的強氧化性能是其在有機污染控制方面的技術(shù) 優(yōu)勢所在。1)含鹵衍生物。有機氯化物是水中最主要的一類污 染物,毒性大,分布廣,其治理是水污染處理的一個重要課題。光 催化過程在處理有機氯化物方面顯示出了較好的應(yīng)用前景,目前 關(guān)于這方面的研究已有許多報道,研究認為鹵代烴、鹵代脂肪酸 等均可完全降解,氯酚、氯苯等經(jīng)過一系列中間產(chǎn)物生成CO2和 HCl。2)染料廢水。印染廢水進入水體會造成嚴重的環(huán)境污染, 其中有的還含有苯環(huán)、胺基、偶氮基團等致癌物質(zhì)[5]。3)農(nóng)藥廢 水。農(nóng)藥廢水中含有機磷農(nóng)藥,三氯苯氧乙酸,DDVP,DTHP, DDT,三氮硝基甲烷等,毒性大,難降解,易生物積累。利用TiO2 光催化去除農(nóng)藥雖然不能使所有的污染物最終達到完全礦化,但 不會產(chǎn)生毒性更高的中間產(chǎn)物,這是其他方法無法相比的。4) TiO2光催化對含油廢水、含表面活性劑的廢水、垃圾填埋場滲濾 液的處理等均具有良好的效果,關(guān)于這方面的研究報道[6,7]也很 多。除有機物外,許多無機物在TiO2表面也具有光化學(xué)活性,目 前的研究較多集中在含鉻廢水[8]、含氰廢水的處理以及對貴金屬 的回收，同時也可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多關(guān)于光催化氧化的技術(shù)文檔。

3.2　飲用水處理

3.2.1　處理微量有機污染物

目前地面水普遍受到污染,而常規(guī)的給水技術(shù)難以達到去除 溶解性有機物的效果,由此造成飲用水中總是存在一定量的有機 污染物。據(jù)報道,世界范圍內(nèi)飲用水中,已出現(xiàn)765種有機化合 物,其中117種是屬于致癌的或有關(guān)致癌的物質(zhì)[10]。此外,在飲 用水消毒尤其是氯消毒過程中往往產(chǎn)生具有毒性和“三致”效應(yīng) 的消毒副產(chǎn)物,如三鹵甲烷(THMs)、鹵乙酸(HAAs)和亞氯酸鹽 等[11],對人體健康造成嚴重危害。光催化降解飲用水中的有機 污染物較之降解廢水中的有機物其反應(yīng)機制并沒有本質(zhì)的差異 所不同的是飲用水中的有機污染物濃度比較低。研究表明,TiO 光催化對這些微量有機污染物以及消毒副產(chǎn)物的前體物質(zhì)如腐 殖酸、酚類等的去除都有著顯著的效果。如Bischof用溶膠—凝 膠法研制的TiO2光催化反應(yīng)裝置成功的去除了水中揮發(fā)性有機 物,而且可以完全將其礦化成為H2O,CO2[12]。王福平等[13]用合 成的具有層狀結(jié)構(gòu)的TiO2纖維作為光催化劑,在O3/TiO2/UV 體系處理含有腐殖質(zhì)的飲用水,1 h后腐殖質(zhì)去除率達97.1%。

3.2.2　滅活細菌

飲用水微生物污染會導(dǎo)致大面積的傳染性疾病的流行,TiO 光催化技術(shù)處理微生物污染的優(yōu)勢在于該技術(shù)不僅能殺滅飲用 水中的細菌、病毒并將其分解為CO2和H2O,同時能降解細菌死 亡后釋放出的有毒組分內(nèi)毒素,從而避免了采用銀系、氯系無機 殺菌劑處理帶來的副作用。楊亞麗等[14]研究了根據(jù)二氧化鈦光 化學(xué)反應(yīng)原理研制的飲水消毒桶對飲用水中微生物的殺滅效果 結(jié)果表明對大腸桿菌和f2噬菌體的殺滅率達100%。汪恂等[15 還比較了鐵摻雜納米TiO2膜和純納米TiO2膜的滅菌效果。試 驗表明,兩者均有較強的殺菌能力,但Fe3+/TiO2膜的殺菌作用 優(yōu)于純TiO2膜,對大腸桿菌殺菌率從87.4%提高至95.8%,對 金黃葡萄球菌殺菌率從79.4%提高至88.3%。

此外,TiO2光催化對水體中的藻類有同樣的滅活作用,而且 對藻類所釋放出的毒素(如微禳藻毒素)有降解作用[16],這是其 他任何一種滅菌方式所不具有的功能。

4　今后的發(fā)展方向

光催化氧化技術(shù)具有高效、節(jié)能、清潔無毒等突出優(yōu)點,是一項具有廣泛應(yīng)用前景的新型水污染處理技術(shù)。然而作為近30年發(fā)展起來的新的研究領(lǐng)域,光催化降解現(xiàn)在還基本上停留在實驗室水平,實際應(yīng)用很少。因此無論是在光催化機理的研究方面還是在工業(yè)實際應(yīng)用中都需要進一步的深入研究,主要表現(xiàn)在以 下幾個方面:1)制備高效率的催化劑,進一步完善催化劑的改性技術(shù),提高催化劑的催化活性。2)選擇合適的載體,研究催化劑固定技術(shù),制備負載型催化劑,使其易于回收,重復(fù)使用。3)光催化反應(yīng)機理的研究缺乏中間產(chǎn)物及活性物質(zhì)的鑒定,仍停留在設(shè)想與推測階段,進一步深入研究光催化反應(yīng)機理,掌握有機物降解規(guī)律,對光催化技術(shù)工業(yè)實用化意義重大。4)光催化技術(shù)與其他技術(shù)耦合,利用技術(shù)的協(xié)同作用來獲取最佳的處理效果,開拓更廣闊的應(yīng)用前景。

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