太陽能技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用研究

陳煌林

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 漳州 363000）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人類活動的增強(qiáng)，水污染問題日益突出，人們對水質(zhì)問題給予了更多的關(guān)注，污水處理相關(guān)技術(shù)越來越被重視。當(dāng)前，人們可以以二氧化鈦作為催化劑進(jìn)行太陽能光催化污水處理。由于太陽能屬于再生能源及綠色能源，并且二氧化鈦化學(xué)穩(wěn)定性高、無毒、氧化能力強(qiáng)，可重復(fù)利用，在光催化降解處理污水領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，光催化氧化技術(shù)近年來逐漸成為最受重視的污水治理新技術(shù)。但是，TiO2的能隙較寬，較難被太陽光激發(fā)，使得TiO2光催化技術(shù)難以高效地利用太陽能，進(jìn)而影響了它的光催化性能。因此，本文引進(jìn)一種新型光催化劑以提高其利用太陽能進(jìn)行光催化降解的效率[1-4]。

1 反應(yīng)機(jī)理

太陽能技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用主要是利用光催化劑進(jìn)行太陽能光催化污水處理，當(dāng)太陽光入射光催化劑表面，光催化劑受激而產(chǎn)生自由電子-空穴對，自由電子傳遞給電子受體而將其還原，空穴可以從電子給體獲得電子而將其氧化，因此光催化劑具有較強(qiáng)的氧化還原能力。并且，沒有被復(fù)合的光生自由電子、空穴被顆粒表面的水或羥基所俘獲形成強(qiáng)氧化性的自由基HO·。最后，自由基將污染物降解為CO2、H2O等[5]。

2 日光下TiO2污水處理

光催化劑TiO2吸收太陽光入射光，將在表面產(chǎn)生自由電子-空穴對，該自由電子-空穴對分離后各自向表面遷移，在遷移過程中存在重新復(fù)合而失去活性，沒有被復(fù)合的光生自由電子、空穴被顆粒表面的水或羥基所俘獲形成強(qiáng)氧化性的自由基HO·。這一過程機(jī)理方程如下：

自由基HO·具有很強(qiáng)的氧化性，可以將污染物降解，完成有機(jī)物的礦化。過程如下：

為了解太陽能光催化的優(yōu)勢，本試驗在中性狀態(tài)下將亞甲基藍(lán)（MB）置于暗處、太陽光下及太陽光下的TiO2催化劑環(huán)境中，并對三者的降解效果做比較，結(jié)果如圖1所示。

圖1 亞甲基藍(lán)（MB）在（a）暗處，（b）太陽光，

由圖1可知，MB在pH值為中性狀態(tài)下，經(jīng)過180 min后，發(fā)現(xiàn)MB于暗處沒發(fā)生自然降解，如曲線（a）所示；MB在pH值為中性狀態(tài)下，經(jīng)過太陽光照射180 min后，發(fā)現(xiàn)MB的太陽光直接光解率約為30%，如曲線（b）所示；MB在pH值為中性狀態(tài)下，添加100 mg/L的TiO2催化劑，經(jīng)過太陽光照射180 min后，發(fā)現(xiàn)MB的太陽光TiO2光催化降解率約為77%，如曲線（c）所示。由于太陽光直接光解受光強(qiáng)、反應(yīng)溫度的影響，光解率僅為30%，而添加光催化劑TiO2后，降解率有了顯著的提高[6]。

3 日光下ZnWO4/TiO2污水處理

由于TiO2的禁帶寬度較大（約3.2 eV），無法充分利用太陽光能量激發(fā)光催化活性。因此有必要研究通過改性或修飾方法拓展了光譜吸收范圍，使光催化劑在可見光區(qū)具有光催化活性。

本文采用溶膠-凝膠法制備的ZnWO4/TiO2催化劑，在TiO2中催化劑中引入ZnWO4，使得光催化劑光譜吸收范圍紅移到可見光區(qū)，對MB的降解效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單純的TiO2，如圖2所示。

圖2 光催化劑的紫外-可見吸收光譜

為了解新型光催化劑的優(yōu)越性，本試驗在pH值中性、太陽光充足條件下，分別用單純的TiO2、ZnWO4/TiO2光催化降解亞甲基藍(lán)（MB），對比效果如圖3所示。

圖3 TiO2、ZnWO4/TiO2的太陽能光催化效果

4 結(jié)語

研究表明，ZnWO4/TiO2可以更好地利用太陽能進(jìn)行光催化降解，具有較強(qiáng)的光催化降解能力，具有較好的應(yīng)用前景[7]。因此，對ZnWO4/TiO2復(fù)合光催化材料的礦化效率、活性穩(wěn)定性的探討，將是本課題組接下來的研究重點。