二氧化鈦在廢水處理中的應(yīng)用

汪金晶

中圖分類號：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-5811（2013）03-0182-01

摘要：介紹了近年來光催化劑Ti02在不同類型水處理中的應(yīng)用成果及現(xiàn)狀。從Ti02光催化反應(yīng)機(jī)理、在水處理方面的應(yīng)用，指出Ti02可見光催化技術(shù)的獨特之處，最后對Ti02可見光催化技術(shù)的研究趨勢進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：二氧化鈦 納米材料 光催化 廢水處理

1.引言

Frank S N[1]等于1977年率先將半導(dǎo)體材料用做催化劑，光解污染物并取得了突破性的進(jìn)展。至此以來，以半導(dǎo)體為催化劑的光催化氧化處理方法受到包括環(huán)境在內(nèi)的各領(lǐng)域廣泛關(guān)注，并運用到廢水處理中，展開了大量的研究。二氧化鈦光催化技術(shù)是一種新興的，具有清潔、無二次污染和工藝簡單等優(yōu)點的節(jié)能高效現(xiàn)代廢水處理技術(shù)，目前這項技術(shù)在進(jìn)一步研究完善中，尚未走出實驗室得到廣泛的應(yīng)用。

2.二氧化鈦光催化反應(yīng)原理

Ti02的帶隙能為3.2 eV，相當(dāng)于波長為387.5nm光子的能量，當(dāng)Ti02受到波長小于387.5nm的紫外光照射時，處于價帶的電子就會被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，從而分別在價帶和導(dǎo)帶上產(chǎn)生高活性的光生空穴和光生電子[2]。光生電子和光生空穴都有很高的能量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出一般有機(jī)污染物的分子鏈的強(qiáng)度，可以輕易將有機(jī)污染物分解成原始的狀態(tài)。同時光生空穴還能與空氣中的水分子反應(yīng)，產(chǎn)生羥自由基（-OH），亦可分解有機(jī)污染物并且殺滅細(xì)菌、病毒。

3.二氧化鈦在廢水處理中的應(yīng)用

3.1 處理造紙廢水

造紙廢水是最難處理的有有機(jī)工業(yè)廢水之一，它具有成分復(fù)雜、廢水產(chǎn)生量大、對環(huán)境污染嚴(yán)重的特點。解恒參[3]等利用溶膠一凝膠法制備了二氧化鈦粉體，并對其進(jìn)行了表征，最后將其應(yīng)用于光催化氧化處理紙廠廢水，在Ti02 0.01g、H2O2（30%）的量與廢水的體積比為2%、pH值為4.0用500W的紫外光照射9 h以上時，COD的去除率可達(dá)94%，出水CODcr=200 mg/L以下，滿足國家造紙污水排放標(biāo)準(zhǔn)（CODcr<400mg/L.GB3544—2001），濁度和色度的去除率分別為97%和98%。

3.2 處理甲醛廢水

甲醛廢水產(chǎn)生于樹脂的生產(chǎn)過程中，如脲醛樹脂、酚醛樹脂等，當(dāng)前我國每年約產(chǎn)生65000t，并且呈逐年增加的趨勢。傳統(tǒng)處理甲醛廢水的工藝都是基于吸附法、縮合沉淀法等，但處理效果都有十分局限。近年來，以半導(dǎo)體為催化劑的光催化氧化法成為最引人注目的廢水處理方法之一。該法具有氧化能力強(qiáng)、降解徹底、無二次污染等優(yōu)點，通過對催化劑的改性，還可以利用太陽能。

王玉軍[4]等用二氧化鈦作催化劑，對較低濃度甲醛廢水進(jìn)行了光催化氧化處理試驗。研究了催化劑用量、溶液pH、甲醛初始濃度及外加氧化劑等因素對光催化氧化的影響。試驗結(jié)果表明，增加催化劑用量可以顯著增加反應(yīng)速度，提高降解效率；增強(qiáng)溶液的酸性和堿性都可以加快甲醛的降解速度，且堿性條件更加有利；在試驗濃度范圍內(nèi)，甲醛的起始濃度對其降解反應(yīng)基本沒有影響；外加氧化劑雙氧水可以在沒有紫外光條件下，很快將甲醛氧化。

3.3 處理石油廢水

在石油開采運輸和使用過程中，大量廢棄的石油類物質(zhì)對水體及陸地環(huán)境造成嚴(yán)重污染，油輪海難造成的海洋污染更是令人觸目驚心。陳愛平等[5]用膨脹珍珠巖為載體擔(dān)載納米二氧化鈦用于水面浮油光催化降解時發(fā)現(xiàn)，較大的珍珠巖顆粒既可以吸附浮油，又不會完全被油包覆而影響受光激勵。經(jīng)約7h的太陽光照射，癸烷浮油的降解率在96%以上。

3.4 處理染料廢水

全球每年染料消耗量巨大，其中很大部分混入污水中，這類廢水色澤深、堿度高、臭味大，大多含有苯環(huán)、胺基、偶氮基團(tuán)等致癌物質(zhì)，對人類生命健康和生態(tài)環(huán)境造成巨大無威脅。由于其生物降解性低，常用的生物化學(xué)法降解效率低。李志林[6]等采用自制混晶Ti02納米材料為光催化劑，研究了pH、光催化反應(yīng)時間、Ti02納米材料用量及晶型、光源等因素對活性大紅BES模擬印染廢水和實際印染廢水的處理效果。結(jié)果表明，在對30mL活性大紅BES模擬印染廢水，在溶液pH為4、催化劑添加量為0.090g時，紫外燈照射1h，COD去除率可達(dá)86%。對30mL實際印染廢水，在溶液pH為9、催化劑添加量為0.15g時，紫外燈照射1h，COD去除率可達(dá)57%。

4.結(jié)束語與展望

Ti02光催化氧化技術(shù)是一種節(jié)約能源、環(huán)境友好的水處理技術(shù)。它既可單獨使用，也可聯(lián)合其他水處理技術(shù)應(yīng)用。適用于混合廢水及給水的處理，這種水處理新技術(shù)具有應(yīng)用潛力。然而由于普遍存在效率低、費用高、裝置復(fù)雜等問題，限制了該技術(shù)在實際水處理中的應(yīng)用與推廣。Ti02光催化氧化技術(shù)的研究熱點主要聚焦在以下幾個方面：

（1）開發(fā)高效催化劑；

（2）提高Ti02對可見光或太陽光的利用；

（3）探索催化劑用量、廢水初始濃度、pH、光照強(qiáng)度及光源類型、溫度等因素的影響；

（4）光催化與超聲波、電、微波和生物技術(shù)等多種水處理技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅一菁，張忠智，趙樹英，等.聚合物驅(qū)采油污水處理研究進(jìn)展[N].石油化工高等學(xué)校學(xué)報，2003，16（1）：9-13。

[2]苑寶玲，王洪杰.水處理新技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[3]解恒參，朱亦仁，李愛梅，等.二氧化鈦粉體在紙廠廢水處理中的應(yīng)用[J].感光科學(xué)與光化學(xué)，2006，24（4）：312-314.

[4]王玉軍.光催化氧化法處理甲醛廢水的研究[J].化工環(huán)保，2003，23（6）：311-313.

[5]陳愛平，盧冠忠，楊陽，等.TiO2/膨脹珍珠巖漂浮光催化劑的成膜和浮油降解機(jī)理[N].華東理工大學(xué)學(xué)報，2004，30（1）：57-60，77.

[6]李志林，喬淑靜，范亞維.混晶納米TiO2光催化劑處理印染廢水的研究[J].化學(xué)與生物工程，2008，25（2）：54-56.