光電催化技術在有機廢水處理中的應用

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光電催化技術在有機廢水處理中的應用

王欣（銳博環(huán)?？萍迹ū本┯邢薰?，北京100000）

光電催化技術應用于有機廢水處理，是在外部施加偏壓以減少光生電子以及空穴的復合率，最終提高水中有機污染物的處理效果。作者綜述了基于半導體光電催化的機理、TiO2光電催化在污水處理方面的應用等方面進行介紹。

光電催化技術；廢水處理；有機廢水

在高有機污染物的處理中，光電催化技術成為當前人們研究關注的熱點，其融合了光化學和電化學氧化法，大致可以分為光催化電芬頓工藝和半導體光電極輔助降解兩種。光電催化技術能夠有效將污水中的有機污染物化解成為無機小分子，或?qū)⒂袡C污染物轉(zhuǎn)化成有用的物質(zhì)。半導體有能帶結構，構成要素是空的導帶及填滿電子的價帶。這兩種要素之間存在禁帶。如果出現(xiàn)能量等于或者超過禁帶寬度的光照射半導體時，價帶上的電子就會被激發(fā)躍遷到導帶上產(chǎn)生空穴，使空穴具有極強的氧化性，一般會使用TiO2。在這個過程中電子會生成HO·，這種物質(zhì)能夠增強氧化劑反應活性，而且對作用物沒有選擇。因此，才能使水中的有機污染物全部降解成為無機物。本文將以基于半導體光電極上的電輔助講解為研究對象，以TiO2光電催化技術為例，研究其在有機廢水處理中的應用情況。

1　TiO2　光電催化技術的主要機理

二氧化鈦的外層電子結構較為特殊，一般具有很深的價帶能級。當它們接收到的能力超過袋洗能力的光照時，在其外部需要施加一定的偏壓，將價帶上的電子激發(fā)到導帶上，使得導帶上形成一種活性較強的電子，價帶上形成帶正電荷的空穴，以此構建出一個氧化還原系統(tǒng)。溶解氧及水分別與二氧化碳中的電子與空穴發(fā)生反應，使得產(chǎn)生活性較強，且氧化性也較強的HO·，以此氧化降解有機廢水中的難降解的有機物。但是因為二氧化鈦的導帶捕捉活性強的電子能力不足，因此很容易使活性強的電子和光生空穴發(fā)生再復合的現(xiàn)象。光電催化就是通過在外部施加電場陽極，捕捉活性強的電子，以此避免其余光生空穴再復合的現(xiàn)象，將電子轉(zhuǎn)移至電場陰極上，光生空穴則留在半導體的表面。以此提高光量子的反應效率。

2　TiO2　光電極的制備

光電極是構成光電催化反應器的關鍵，當前使用TiO2制備光電極，主要方法是懸浮態(tài)光電極、透明固定化膜電極和固定化膜光電極等方法。其中，固定化膜光電極的方法較為實用，且操作也較為簡單。催化劑固定化一般是通過溶膠-凝膠法、直接氧化法、熱膠粘合法、化學氣相沉積法、陽極氧化法等固定化方法實現(xiàn)的。如果固定床不同，那么光降解的效率也是不同的。特別是在外部施加電場的情況下，催化劑將負載與某個基體表面?；w不僅可以作為電催化劑的反應載體，也可以增強反應，降低催化劑的使用量，甚至和活性組分相瓦發(fā)生反應，以此影響電極表面的性能和結構。

3　TiO2　光電催化在水處理方面的應用

二氧化鈦光電催化技術是一種比較高級的氧化技術，和傳統(tǒng)的水處理技術相比，其能夠?qū)U水中的有機污染物完全降解，提高難降解有機物的應用效率，且不會發(fā)生再次污染，被廣泛應用于各種有機污染物的降解中。

3.1光電催化降解染料

Socha等人利用二氧化鈦薄膜電極對雙偶氮染料、三偶氮染料進行光電催化反應降解。其溫度要求是60攝氏度，電流密度是0.025A·com-2，降解時間為3小時，這兩種染料的降解速率能夠達到74%與31%，光電催化降解要比直接電解的效果好。姚清照等人應用納米結構的二氧化鈦膜作為工作電極，對水溶液中的鉻藍K、一品紅、鉻黑T進行光電催化降解，反應時間為3小時，其降解效率是光降解效率的2倍，比光催化降解高31%。吳永健等人利用單槽和雙槽反應器，光電催化降解水中的藍色染料，發(fā)現(xiàn)雙槽反應器的效果明顯要比單槽反應器好，當外部施加偏壓為0.6V，pH為7時，雙槽反應器中的光電催化降解效率能夠達到最大。

3.2光電催化降解甲酸

Anderson與Kim利用二氧化鈦薄膜電極光電催化降解水中的甲酸，考慮薄膜厚度、氧通量、外部施加偏壓等因素，系統(tǒng)深究了甲酸濃度、pH值、傳質(zhì)過程、Ag+效應等對光電催化降解甲酸效率的影響。試驗證明，當pH值為3.4的時候起降解率達到最大，當pH值大于6的時候，光電催化降解反應將不再繼續(xù)，這主要是因為受甲酸的離解常數(shù)和二氧化鈦表面的電荷性質(zhì)限制。甲酸初始濃度對光電催化降解的效率影響不大，但是其傳質(zhì)過程卻對光電催化降解效率影響比較大。

3.3光電催化降解酚類

Kesselman等人針對溶液不同濃度和pH值下二氧化鈦對4-氯酚的光電催化降解效率，實驗證明，4-氯酚的降解屬于一級反應動學。Taghizadeh等人研究了4-氯間苯二酚和4，6-鄰苯二酚等弱吸附質(zhì)，以及3，4-二羥基苯甲酸和1，2，4-三羥基苯等強吸附質(zhì)在二氧化鈦表面進行光電催化降解試驗，發(fā)現(xiàn)強吸附質(zhì)與弱吸附質(zhì)降解反應較大，整個實驗受吸附的化學鍵、電極性質(zhì)以及反應物的極性影響。Waldner等人研究了二氧化鈦薄膜對草酸和4-氯酚降解的不同效果，發(fā)現(xiàn)光電催化降解草酸的效率要高于4-氯酚的效率，這是因為4-氯酚在降解的過程中生成了中間物。

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