TiO2光催化降解水體中有機(jī)污染物的動力學(xué)研究綜述

王茜張艷強(qiáng)

(1.北京中醫(yī)藥大學(xué)東方學(xué)院, 河北 廊坊 065001; 2.廊坊師范學(xué)院, 河北 廊坊 065000)

TiO2光催化降解水體中有機(jī)污染物的動力學(xué)研究綜述

王茜1張艷強(qiáng)2

(1.北京中醫(yī)藥大學(xué)東方學(xué)院, 河北 廊坊 065001; 2.廊坊師范學(xué)院, 河北 廊坊 065000)

近年來，環(huán)境污染尤其是水污染問題日益嚴(yán)重，推動了人們對光催化技術(shù)的研究熱潮。而半導(dǎo)體多相催化法能有效的將污染物徹底礦化，從根本上消除了對環(huán)境的二次污染。TiO2由于具有較高的光催化效率被人們?nèi)找嬷匾?，而其光催化降解污染物的動力學(xué)方式也成為了人們的研究焦點(diǎn)。

TiO2；光催化；有機(jī)污染物；動力學(xué)

1 前言

半導(dǎo)體多相催化法作為一種污染治理新技術(shù)與其他方法相比具有高效節(jié)能、清潔無毒、無二次污染和工藝簡化等優(yōu)點(diǎn)，能有效地將有機(jī)污染物氧化并徹底礦化為為H2O、CO2、N2等無機(jī)小分子，達(dá)到完全無機(jī)化的目的，從而消除對環(huán)境的污染[1,2]。因而在空氣凈化、各種生物難降解有機(jī)廢水處理、綜合廢水處理及生活用水的深度處理等方面有著很廣闊的應(yīng)用前景，越來越受到人們的重視。許多難降解或用其它方法難以去除的物質(zhì)，如氯仿、多氯聯(lián)苯、有機(jī)磷化合物、多環(huán)芳烴等也可利用此法有效降解[3-5]。TiO2由于具有合適的能帶結(jié)構(gòu)、光催化活性高、無毒、價廉、原料易得等優(yōu)點(diǎn)，而成為人們研究的熱點(diǎn)[6,7]。

2 TiO2光催化降解水體中有機(jī)污染物的動力學(xué)研究

2.1 TiO2光催化降解茜素黃R動力學(xué)研究

偶氮染料是應(yīng)用最廣泛的一類合成染料，有些偶氮染料在光催化分解過程中可能會產(chǎn)生具有致癌作用的芳香胺，陳強(qiáng)[8]等人的研究中，以茜素黃R為研究對象，采用實(shí)驗(yàn)和理論手段，并通過檢測光催化過程中生存的CO2量，研究了完全光催化降解茜素黃R的動力學(xué)規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，獲得不同初始濃度茜素黃R的動力學(xué)曲線后，用Langmuir-Hinshelwood(L-H)動力學(xué)模型對動力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合，所得理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高度吻合，相關(guān)度R2≥0.995。這表明，茜素黃R的光催化降解動力學(xué)規(guī)律符合L-H動力學(xué)模型,反應(yīng)物濃度C與反應(yīng)速率常數(shù)k之間存在較好的線性關(guān)系，反應(yīng)速率常數(shù)k隨茜素黃R初始濃度增大而增大。這是因?yàn)殡S著反應(yīng)物濃度的增加，占據(jù)催化劑表面活性位的反應(yīng)物分子數(shù)增加，故反應(yīng)加快。隨著C增加，吸附平衡常數(shù)K減小，推斷其原因?yàn)檐缢攸SR降解生成的中間產(chǎn)物多，不同物質(zhì)在TiO2表面的吸附不同。

2.2 TiO2光催化降解硝基酚類污染物動力學(xué)研究

硝基酚類化合物廣泛存在于焦化及煤氣生產(chǎn)企業(yè)排放的廢水中,具有排放量大、難降解以及“致癌、致畸、致突變”等特點(diǎn),并被美國環(huán)保局列入優(yōu)先控制的污染物。常江[9]等人選擇了幾種典型的硝基酚類物質(zhì)為目標(biāo)模型物，對它們的光催化動力學(xué)行為進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，各硝基酚反應(yīng)濃度隨時間的下降遵循L-H方程，相關(guān)系數(shù)R2在0.944～0.991。吸附平衡常數(shù)（KL）隨著表觀速率常數(shù)（kapp）的加快呈現(xiàn)遞減的趨勢。經(jīng)分析，這主要是由于硝基酚類物質(zhì)光催化降解多發(fā)生在溶液中或TiO2顆粒的近表面處，因此較低吸附平衡常數(shù)（KL）的酚表現(xiàn)出較高的降解速率。對于吸附平衡常數(shù)（KL）較大的酚，由于在降解過程中，母體分子與中間產(chǎn)物分子都較強(qiáng)地吸附于催化劑表面，減少了表面活性位的數(shù)目，阻止了羥基自由基的產(chǎn)生，所以降解速率較低。

2.3 TiO2光催化降解甲基橙動力學(xué)研究

景曉輝[10]等人的研究表明，TiO2光催化反應(yīng)在催化劑表面發(fā)生，遵循Langmiur-Hinshelwood(L-H)動 力 學(xué) 模 型，相 關(guān) 系 數(shù)R2=0.9913。將不同初始質(zhì)量濃度下甲基橙的降解曲線進(jìn)行一元線性擬合，可得不同質(zhì)量濃度甲基橙的降解速率，在實(shí)驗(yàn)質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，甲基橙的降解速率總體趨勢隨初始質(zhì)量濃度的升高而升高。

2.4 TiO2光催化降解甲醛廢水動力學(xué)研究

侯苛山[11]等人的研究表明，隨著催化劑投加量增大，k值也在增大，；隨著甲醛初始濃度的增大，k值在降低。數(shù)據(jù)表明，ln(C0/C)與時間t呈良好的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)均大于0.99，因此認(rèn)為不同TiO2/AC復(fù)合材料投加量和不同初始濃度的甲醛廢水，其降解反應(yīng)符合一級動力學(xué)規(guī)律，且表觀反應(yīng)速率的大小與實(shí)驗(yàn)光催化反應(yīng)快慢結(jié)果一致。

2.5 TiO2光催化降解亞甲基藍(lán)動力學(xué)研究

徐小勇[12]等人的研究表明，氮摻雜納米二氧化鈦光催化氧化亞甲基藍(lán)反應(yīng)符合Langmuir-Hinshelwood等溫吸附規(guī)律，光催化速率的變化隨著催化劑用量呈現(xiàn)飽和現(xiàn)象。

3 結(jié)語

研究發(fā)現(xiàn)，TiO2光催化降解水體中的有機(jī)污染物均符合Langmiur-Hinshelwood(L-H)動力學(xué)模型，反應(yīng)物濃度C與反應(yīng)速率常數(shù)k之間存在較好的線性關(guān)系，而反應(yīng)速率常數(shù)k隨污染物初始濃度的增大而增大，為以后TiO2光催化降解污染物的實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

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