催化劑在污水處理方面的應(yīng)用

朱 影，張林彬，陸 揚

（中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221008）

1 前言

隨著社會經(jīng)濟和城市化進程的發(fā)展，水資源緊缺和水環(huán)境污染已成為本世紀全球性問題并且日趨嚴重。［1］由此造成的水危機也成為制約我國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素。

現(xiàn)階段，造紙、印刷、醫(yī)藥、農(nóng)藥、紡織等行業(yè)每天都要排放大量的污水，另外大量生活污水也是主要污水來源。此類污水若直接排放，將對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的威協(xié)。污水中的有害物質(zhì)包括無機類的鉛、氟、砷、汞、銀、亞硝酸鹽等；有機類的三苯、苯酚，各種鹵代烴、苯胺、各種醇、醛、多環(huán)芳烴等。他們對人體、動植物的細胞都會造成不同程度的危害，其中許多有機物還是致癌物。［2］

近幾年，我國催化劑在污水處理的應(yīng)用的主要方法是光催化劑法、Fenton法試劑法以及非均相催化氧化和電催化處理污水、酶催化處理污水等。

2 光催化劑處理污水

光催化氧化是一種以n型半導(dǎo)體為敏化劑的特殊光敏化氧化。n型半導(dǎo)體在一定波長的入射光照射下被激發(fā)，其導(dǎo)帶和滿帶上分別產(chǎn)生自由電子和空穴。［3］由光產(chǎn)生的空穴有很強的得電子能力，可奪取半導(dǎo)體顆粒表面有機物或溶劑中的電子，最終生成氧化能力極強的·OH，使溶液中的有機污染物被氧化而分解。［4、5］以硫?qū)倩衔镄桶雽?dǎo)體（主要是TiO2）和多金屬酸鹽（POM）的兩類體系已顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

2.1 硫?qū)倩衔镄桶雽?dǎo)體型催化劑

半導(dǎo)體粒子是理想的光催化劑，TiO2有3種晶體結(jié)構(gòu)，其催化活性的次序為：銳鈦礦型>晶紅石型>板鈦礦型。TiO2的禁帶寬度隨晶型不同而不同，銳鈦礦型的禁帶寬度（E套）為3.2eV、金紅石為3.0eV，相對應(yīng)的光譜吸收閥值為387 nm和413 nm。［6、7］當(dāng)用波長低于上述波長的光照射TiO2時，將從TiO2體內(nèi)激發(fā)出自由電子（e－），從而在價帶上留下空穴（h＋），產(chǎn)生的電子（e－）和空穴（h＋）與其表面吸附的O2/H2O等作用生成的·OH/·O2－有極強的氧化性，可氧化分解多種有機物，并且產(chǎn)生的自由電子有較強的還原能力，可還原金屬離子，故TiO2光催化技術(shù)在下列污水處理中均表現(xiàn)出良好的光催化降解效果。

2.2 微孔納米多金屬氧酸鹽（POM）光催化凈化工業(yè)污水［8］

多金屬酸鹽是一種環(huán)境友好型催化劑，無任何毒副作用，它在光催化過程中不需添加額外的化學(xué)試劑，反應(yīng)條件溫和，不消耗熱能，并從根本上解決了 POM 在使用中溶脫、流失和難分離等問題，是一種經(jīng)濟和實用的污水處理新技術(shù)。

利用溶膠—凝膠技術(shù)制備包括載體與 POM 間新化學(xué)鍵生成的具有高比表面積（高活性）和均勻孔道結(jié)構(gòu)和納米尺寸的固載型多金屬氧酸（鹽）PS利用PS光催化劑，在常溫、常壓和中性條件下，用近紫外或可見光輻射實際工業(yè)污水與催化劑懸浮液，完全降解各種有機污染物，如鹵代烴、酚類、多氯聯(lián)苯、硝基化合物及有機氯和有機磷農(nóng)藥。

2.3 光催化氧化的優(yōu)勢

由于光催化氧化法［9］對于水中的烴、鹵代有機物（包括鹵代脂肪烴、鹵代羧酸、鹵代芳香烴）、羧酸、表面活性劑、除草劑、染料、含氮有機物、有機磷殺蟲劑等有機物，以及氰離子、金屬離子等無機物均有很好的去除效果，可達到完全無機化。所以半導(dǎo)體光催化氧化技術(shù)作為一種高級氧化技術(shù)，與生物法和其他高級化學(xué)氧化法相比，具有很大的顯著優(yōu)勢。同時，光催化降解不僅能用于治理有機污染，而且能還原某些高價的重金屬離子，使對其環(huán)境氧化穩(wěn)度變小。

3 Fenton試劑催化法處理污水

3.1 Fenton法試劑法概況

1894年，法國科學(xué)家Fenton發(fā)現(xiàn)，在酸性條件下（pH＝2～5），F(xiàn)e2＋和 H2O2共存體系可以有效地將酒石酸氧化，因此將Fe2＋/H2O2組合體系命名為Fenton試劑，該方法稱為Fenton法。1964年加拿大學(xué)者Eisenhouser首次使用Fenton試劑成功處理苯酚及烷基污水，開創(chuàng)了Fenton試劑法在廢水處理中的先例。［10］

標(biāo)準(zhǔn)Fenton試劑是由Fe2＋和H2O2組成的組合體系，實質(zhì)上是在酸性條件下（pH＝2～5），H2O2在 Fe2＋催化作用下能產(chǎn)生具有高氧化活性的羥基自由基（HO·）。HO·的氧化電位達到2.8 V，僅次于氟的氧化電位（2.87 V），而大于臭氧（2.07 V）和二氧化氯的氧化電位（1.50 V）。HO·能使大多數(shù)有機物降解和礦化，尤其對毒性大、一般氧化劑難以氧化降解或生化難降解的有機廢水具有較強的氧化能力和較高的降解率。［11］

3.2 Fenton試劑的催化機理

Fenton試劑之所以具有非常高的氧化能力，是因為在Fe2＋離子的催化作用下 H2O2的分解活化能較低（34.9 kJ/mol），能夠分解產(chǎn)生羥基自基OH· 。與其他氧化劑相比，羥基自由基具有更高的氧化電極電位，因而具有很強的氧化性能。Fenton試劑產(chǎn)生OH·的機理12］為：

3.3 Fenton試劑法在污水處理上的發(fā)展

目前，在應(yīng)用Fenton試劑法處理污水中有機污染物的研究上，除了普通的Fenton試劑法外主要還有兩個研究方向：光化學(xué)Fenton與電化學(xué)Fenton。

3.3.1 光化學(xué) Fenton 法［13］

光Fenton試劑法是在Fenton法反應(yīng)的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型氧化技術(shù)，是普通Fenton法與UV/H2O2兩種系統(tǒng)的復(fù)合，當(dāng)有光輻射（如紫外光、可見光）時，F(xiàn)enton試劑氧化性能有很大的改善。其在處理有機污染物的過程中起主要作用的仍然是·OH自由基，即在紫外光的照射下，F(xiàn)e3+與水中的OH復(fù)合離子可以直接產(chǎn)生·OH自由基并產(chǎn)生Fe2+，F(xiàn)e2+可與H2O2進一步反應(yīng)生成·OH自由基，從而加速水中有機污染物的降解速度。

該體系的優(yōu)點在于降低了Fe2+用量，提高了H2O2的利用率；但其缺點主要是太陽能利用率仍然不高，能耗較大，處理設(shè)備費用較高等，同時UV/Fenton法只適宜于處理中低濃度的有機廢水。

3.3.2 電化學(xué)Fenton法的發(fā)展

電化學(xué)Fenton法的實質(zhì)是把用電化學(xué)法產(chǎn)生的Fe2+與H2O2作為Fenton試劑的持續(xù)來源，解決了普通Fenton試劑法在實際工程應(yīng)用中產(chǎn)生大量化學(xué)污泥和H2O2需要運輸?shù)葘嶋H問題，因此節(jié)約了成本。

總體上說，目前對電化學(xué)Fenton法的研究正處于試驗開發(fā)階段，與其他電解水處理技術(shù)一樣，電化學(xué)Fenton法的電流效率較低，這就限制了它的廣泛應(yīng)用。同時由于H2O2的成本遠高于 Fe2+，所以研究把自動產(chǎn)生 H2O2的機制引入電化學(xué) Fenton體系更具有實際應(yīng)用意義。［14］

4 其他污水處理方法及發(fā)展趨勢［15～17］

4.1 非均相催化氧化

均相催化劑氧化的缺點是催化劑易流失，造成二次污染，需要處理回收催化劑，從而增加工藝復(fù)雜性和操作成本。目前的一個發(fā)展趨勢是將均相催化劑非均相化，將其載在載體上，載體可以是γ－Al2O3、硅膠、TiO2、活性炭等。非均相法催化劑容易和水分離，能有效控制催化劑流失和二次污染，工藝簡化，可降低成本。

4.2 電催化處理污水

電催化處理污水流程簡單、污染小，是發(fā)展動向之一。研究表明 Pt、Ti/PbO2、Ti/IrO2、Sb/SnO2等陽極材料可有效地脫除有機污水中的苯酚、苯胺、硝基苯、苯甲酸、萘磺酸、三聚氰胺等有害毒物。特別是摻雜Pt或Sb的SnO2陽極有很高的活性和穩(wěn)定性。電催化的機理被認為是SnO2電極表面存在的物理吸附的活性氧使有機物完全氧化為CO2和水。

4.3 酶催化處理污水

酶催化法處理污水由于污染小、效果好，是污水處理發(fā)展的主要方向之一。例如，用鐵氧化菌處理含亞鐵離子的污水，可將其中所含的2.5×10－3Fe2+完全氧化成Fe3+；用硝酸還原酶、亞硝酸酶可還原硝酸、亞硝酸成N2氣；用熱帶假絲酵母菌體可分解酚；用假單孢菌菌體可分解苯等。但酶催化在環(huán)保中應(yīng)用還處于研究階段，應(yīng)用推廣還需時日。

5 結(jié)束語

水資源的重要性已經(jīng)日益顯著，在科技高速發(fā)展的今天，我們將運用更多最新方法來不斷改善污水處理現(xiàn)狀，為全人類營造一個良好的生存環(huán)境。

1 陳 麗、康澤龍.略論我國污水處理現(xiàn)狀及發(fā)展對策.榆林學(xué)院學(xué)報，2008.7（18）

2 朱光中、金 真.環(huán)保催化技術(shù)研究進展.惠州學(xué)院學(xué)報，2005（6）

3 李曉平、徐寶琨、劉國范等.納米TiO2光催化降解水中有機污染物的研究與發(fā)展［J］.功能材料，1999.30（3）

4 魏 剛、黃海燕、熊榮春.納米二氧化鈦的光催化性能及其在有機污染物降解中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代化工，2003.23（1）

5 B Neppolian etc Solar/UV—induced photo catalytic degrada2tion of three commercial textile dyes ［J］ Journal of HazardousMaterial,2002.89（2002）1

6 張彭義、余 剛等.半導(dǎo)體光催化劑及其改性技術(shù)進展.環(huán)境科學(xué)進展，1997.5（3）：1

7 Berko A，Biro T，So lymosi F.Formation and migration on carbon produced in the dissociation of CO on Rh/Ti02（110）一（112）mod—el catalyst：A scanning tunneling microsco—PY microscopy study.J Phys Chem B，2000.104（12）：2506

8 郭伊荇、李學(xué)志.微孔納米多金屬氧酸鹽光催化凈化工業(yè)污水.科技創(chuàng)業(yè)月刊，2002（11）：61

9 靳立民、王鳳英、王連壽、唐 莉.光催化氧化處理難降解污水的應(yīng)用前景［J］.環(huán)境保護，2004（2）：l9～22

10 鄧南圣、吳 峰.環(huán)境光化學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：274～284

11 蒲麗媛、鄭廣宏.Fenton試劑處理含難降解有機物污水的研究進展.國科技信息，2008（19）：26～27、29

12 高迎新、楊 敏、王東升等.Fenton反應(yīng)中水解Fe（Ⅲ）的形態(tài)分布特征研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2002.22（5）：551～556

13 武 智、石晶晶、陳旭東.Fenton試劑氧化法在工業(yè)廢水處理中的研究及應(yīng)用進展［M］.河北化工，2009（01）

14 張乃東、鄭 威.Fenton法在水處理中的發(fā)展趨勢［J］.化工進展，2001（12）：1～3

15 陳涌英.環(huán)境友好催化［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，1999

16 孫錦宣.環(huán)保催化材料與應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002

17 RAMESH K S. Catalyst materials for high temperature process［M］.Westerville: The American Ceramic Society, 1999