光催化技術(shù)在水處理中的應(yīng)用研究

孫曉蕊 楊威

【摘要】水資源的匱乏，已成為限制人類社會(huì)高速發(fā)展的重要因素。利用半導(dǎo)體納米材料的光催化氧化技術(shù)以其環(huán)保、高效的有點(diǎn)，現(xiàn)已成為環(huán)保工作者重點(diǎn)研究之一。本文介紹光催化技術(shù)在水處理中對多種有機(jī)污染物的降解研究應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】光催化；有機(jī)物；降解

1 前言

我國人均水資源量相當(dāng)匱乏，盡管水資源總量位列世界第六位，但人均占有量僅為世界的四分之一。并且水污染情況日益嚴(yán)重。工業(yè)等排放的廢水含有大量有毒的和生物難以降解的有機(jī)污染物，如酚類、有機(jī)染料等，傳統(tǒng)的污水處理方法在脫色方面以及COD的去除方面均不能達(dá)到很好的效果，現(xiàn)有的環(huán)保技術(shù)也難以徹底降解這些污染物。因此，光催化氧化技術(shù)逐步進(jìn)入環(huán)保研究者的視野。

2 半導(dǎo)體納米材料的光催化性能

半導(dǎo)體納米材料在結(jié)構(gòu)上具有獨(dú)特的性能，可以催化體相材料所不能催化的反應(yīng)，且活性更高。其一，半導(dǎo)體納米材料具有量子尺寸效應(yīng)，導(dǎo)帶與能帶能級不同，當(dāng)受到能量激發(fā)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子躍遷現(xiàn)象，為氧化還原反應(yīng)提供可能。其次，半導(dǎo)體納米材料的粒子尺寸小，與體相材料相比，同等質(zhì)量條件下，擁有更大的比表面積，這對于光及污染物的接觸吸收更加有利。

3 光催化機(jī)理

目前對于光催化機(jī)理的解釋，多從能帶理論出發(fā)。因納米半導(dǎo)體光催化劑的特殊結(jié)構(gòu)，且能帶具有不同的能量，分為高能導(dǎo)帶和低能價(jià)帶。當(dāng)催化劑受到光能量激發(fā)時(shí)，價(jià)帶與導(dǎo)帶之間會(huì)發(fā)生電子躍遷現(xiàn)象，形成光生電子一空穴對，與OH-、H2O等反應(yīng)生成具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基（·OH），最終將有機(jī)污染物降解成H2O、CO2等小分子。

4 光催化技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的水處理技術(shù)但對低濃度可溶性有毒、有害物質(zhì)的處理效率相對較低，有時(shí)甚至應(yīng)用極高的成本卻沒有任何處理效果。

4.1 在工業(yè)廢水處理的應(yīng)用

光催化氧化技術(shù)可以有效降解多種有機(jī)物（如烴類、醛、鹵代烴等），甚至做到徹底分解成無毒害的無機(jī)小分子。大量研究表明，在光照條件下，納米TiO2可光催化氧化水中苯、氯仿、甲醛等有機(jī)污染物。

4.2 在農(nóng)藥廢水處理的應(yīng)用

大量研究表明，光催化技術(shù)可以有效降解有機(jī)農(nóng)藥。以TiO2為光催化劑，經(jīng)紫外光照射，有機(jī)磷農(nóng)藥和有機(jī)硫農(nóng)藥可以完全無機(jī)化，并能定量地被氧化成PO43-及SO42-。曹連秋應(yīng)用制備的AC/TiO2催化劑，光催化降解三氮苯類有機(jī)農(nóng)藥一阿特拉津，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TiO2可均勻分散于活性炭微孔中，對阿特拉津的降解率高于88%。

4.3 在印染廢水處理中的應(yīng)用

染料廢水大多含有苯環(huán)、胺基、偶氮基團(tuán)等致癌物質(zhì)，不僅對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，同時(shí)危害人類身體健康。實(shí)驗(yàn)證明，在以納米TiO2為光催化劑、溶解氧存在的條件下，水溶性偶氮染料易發(fā)生光催化降解反應(yīng)。金偉等利用水熱法制備出的Mn/ZnO，在紫外光催化反應(yīng)4h，羅丹明B的降解率可達(dá)92%。李霞等利用直接沉淀法制備了納米ZnO，光催化降解甲基橙溶液120min，降解率可達(dá)88%。

4.4 在抗生素廢水處理中的應(yīng)用

醫(yī)療水平的不斷提高，藥物日新月異，抗生素的生產(chǎn)及使用量也越來越大。城市污水處理廠很難徹底清除抗生素，流入江河中的抗生素將對生態(tài)系統(tǒng)以及人類健康造成嚴(yán)重危害。李耀中等以Ti02為催化劑，在光催化反應(yīng)器中降解制藥廢水，僅15分鐘COD去除率可達(dá)80%以上。郭佳以TiO2為催化劑，紫外光催化降解廢水中頭孢曲松，去除率高達(dá)90%以上。

4.5 在造紙廢水處理中的應(yīng)用

Pintar等以納米TiO2和Ru/TiO2為催化劑，光催化降解牛皮紙漂白廢水。結(jié)果表明，以納米TiO2為催化劑進(jìn)行光催化時(shí)，廢水中的有機(jī)總碳（TOC）大幅度降低。以納米Ru/TiO2為催化劑進(jìn)行光催化時(shí)，TOC含量進(jìn)一步降低。

4.6 在石油廢水處理中的應(yīng)用

隨著石油的開發(fā)與應(yīng)用，石油流人海洋中，對海洋生物及沿岸環(huán)境造成污染危害。針對石油密度低于水而漂浮于水面的情況，武漢大學(xué)研究室將納米TiO2偶聯(lián)在兩種硅鋁陶瓷空心微球上，制備出了能飄浮在水面的TiO2光催化劑，對漂浮于水面的辛烷進(jìn)行光催化降解，降解率高達(dá)90%。

4.7 在無機(jī)廢水處理中的應(yīng)用

無機(jī)廢水的處理，主要是通過氧化低價(jià)態(tài)毒性物質(zhì)和還原高價(jià)態(tài)毒性物質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)物質(zhì)毒性的降低，甚至無毒。重金屬水污染就是有毒無機(jī)廢水的一大代表。納米TiO2可以將Cr6+還原轉(zhuǎn)化為Cr3+，此時(shí)Cr6+的強(qiáng)致癌毒性大大降低降低。

5 存在的問題

盡管光催化氧化技術(shù)在降解有機(jī)污染物上存在高效、環(huán)保等優(yōu)勢，但走出實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化仍然很難。主要因?yàn)槭艿綆追矫嬉蛩氐南拗疲浩湟?，光催化反?yīng)中，催化劑表面的光生電子一空穴對復(fù)合速率過快，造成量子效應(yīng)過低；其次，目前研究中的光催化劑多對紫外光反應(yīng)，對可見光的吸收較低，這就導(dǎo)致對太陽光的利用率過低；除此之外，對于投加到廢水中的固體催化劑，如何有效的實(shí)現(xiàn)固液分離，也是今后研究的一大重點(diǎn)。

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