光催化氧化技術(shù)在造紙廢水處理中的應(yīng)用

王 絢

（濰坊市昌邑生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，山東 濰坊 261300）

引言

光催化技術(shù)作為一種新興的廢水處理技術(shù)，其能夠利用光照條件下催化的氧化物處理造紙廢水中的有機(jī)污染物。相對(duì)于傳統(tǒng)的生物法或者化學(xué)法，該技術(shù)的應(yīng)用不僅處理效果好，而且工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)還能避免潛在的二次污染問(wèn)題，因此在造紙廢水處理中具有非常顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 造紙廢水和光催化氧化技術(shù)的特點(diǎn)

1.1 造紙廢水的特點(diǎn)

造紙廢水作為在造紙生產(chǎn)中產(chǎn)生的大量廢水，其具有廢水量大、成分復(fù)雜等特點(diǎn)。由于在造紙生產(chǎn)過(guò)程中需要大量的水用于紙漿制備、洗滌、漂白、涂布等環(huán)節(jié)，造紙廢水的排放量也相對(duì)較大，而且廢水中保護(hù)的還含有大量的有機(jī)物質(zhì)、無(wú)機(jī)鹽類、顏料等等物質(zhì)讓廢水處理面臨著巨大挑戰(zhàn)。畢竟造紙生產(chǎn)較為復(fù)雜，在生產(chǎn)中使用的化學(xué)藥劑、漂白劑等會(huì)在廢水中殘留，導(dǎo)致造紙廢水中的COD（化學(xué)需氧量）、BOD（生化需氧量）等污染物濃度較高。而且造紙廢水中還包含有復(fù)雜的充分，像是生產(chǎn)中使用的不同原料、藥劑和助劑等會(huì)讓廢水中存在多種有機(jī)物質(zhì)、無(wú)機(jī)物質(zhì)和重金屬離子等污染物，導(dǎo)致廢水處理面臨著復(fù)雜的化學(xué)充分。除此之外，造紙廢水中還會(huì)含有懸浮物、纖維素碎片、顆粒物等固體物質(zhì)，這些固體物質(zhì)在廢水處理過(guò)程中會(huì)對(duì)處理設(shè)備和工藝造成一定的影響，因此處理難度和成本也會(huì)增加。若是這些污染物若是未經(jīng)處理或者處理不當(dāng)就排放，會(huì)對(duì)水環(huán)境乃至整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)造成非常嚴(yán)重的破壞和干擾［1］。

1.2 光催化氧化技術(shù)的原理

光催化氧化技術(shù)是一種利用光催化劑在光照條件下催化產(chǎn)生活性氧化物，并且利用活性氧化物氧化有機(jī)污染物等有害物質(zhì)的技術(shù)。在使用光催化氧化技術(shù)的過(guò)程中，首先要選擇合適的光催化劑，常用的光催化劑包括鈦酸鹽類、半導(dǎo)體氧化物、納米金屬等，這些光催化劑具有良好的光吸收性能和電子傳輸性能，可以有效地吸收可見光或紫外光能量，并將光能轉(zhuǎn)化為電子或空穴。其次則是光源選擇，為了能夠具有足夠能力讓光催化劑產(chǎn)生氧化反應(yīng)，可以根據(jù)催化劑性質(zhì)選擇可見光燈、紫外燈和太陽(yáng)光等設(shè)備，以確保光催化劑能夠充分吸收光能并發(fā)揮作用。在整個(gè)光催化氧化反應(yīng)中，光催化劑通過(guò)吸收光能產(chǎn)生電子和空穴，這些電子和空穴可以分別參與氧還原反應(yīng)和有機(jī)污染物的氧化反應(yīng)，在光催化劑受到光照影響后，其電子會(huì)激發(fā)到導(dǎo)帶上，形成活性電子，而且光催化劑形成的空穴與溶液中的水或氧氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生具有氧化能力的羥基自由基（·OH）或超氧自由基（O2·-）等。這一反應(yīng)所生產(chǎn)的活性氧化物的生成對(duì)于有機(jī)污染物的降解非常重要，當(dāng)有機(jī)污染物進(jìn)入光催化系統(tǒng)后，活性氧化物與有機(jī)污染物會(huì)發(fā)生反應(yīng)，讓有機(jī)污染物分子中的鍵斷裂，產(chǎn)生小分子化合物或無(wú)機(jī)鹽等物質(zhì)，而且活性氧化物還可以通過(guò)一系列的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)來(lái)快速地氧化有機(jī)污染物，從而提高光催化氧化的效率。

2 光催化氧化技術(shù)在造紙廢水處理中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 能源消耗低

能源消耗低是光催化氧化技術(shù)最顯著的優(yōu)勢(shì)之一，由于采用光能和光催化劑來(lái)處理造紙廢水中的污染物，因此該技術(shù)能夠減少大量化學(xué)藥劑和氧化劑的應(yīng)用。同時(shí)也不需要通過(guò)額外能源輸出滿足催化所需的能量，這不僅能夠減少材料和能源消耗，同時(shí)也能減少潛在的二次污染等問(wèn)題。

2.2 操作簡(jiǎn)便

光催化氧化技術(shù)的整個(gè)操作流程非常簡(jiǎn)單，只需要選擇合適的光催化劑以及反應(yīng)器，做好廢水去除懸浮物、調(diào)整pH 值等預(yù)處理工作，在經(jīng)過(guò)光催化氧化反應(yīng)后進(jìn)行沉淀和過(guò)濾即可，若是需要?jiǎng)t可以根據(jù)需求進(jìn)而二次處理。而且該技術(shù)的設(shè)備也非常簡(jiǎn)單，只需要光源、反應(yīng)器和廢水處理系統(tǒng)即可，這些優(yōu)勢(shì)都有助于提高技術(shù)的應(yīng)用效率［2］。

2.3 成本較低

成本低也是光催化氧化技術(shù)非常顯著的優(yōu)勢(shì)，由于光催化氧化技術(shù)在應(yīng)用的過(guò)程中不需要選擇額外的化學(xué)藥劑，同時(shí)光催化氧化反應(yīng)環(huán)境也非常簡(jiǎn)單，加之光催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此在使用時(shí)不需要額外的設(shè)備等方面支出，同時(shí)整個(gè)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)，基本不會(huì)出現(xiàn)設(shè)備故障問(wèn)題，這也是減少技術(shù)應(yīng)用成本的主要因素。

3 造紙廢水處理中常見的光催化氧化技術(shù)

3.1 TiO2 光催化氧化

TiO2 是光催化氧化技術(shù)中非常常見的催化劑，其具有良好的污染物降解效果，在TiO2 暴露在紫外光或可見光下時(shí)，TiO2 表面可以吸收光子能量，從而激發(fā)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，并且形成電子-空穴對(duì)，而電子-空穴對(duì)可以參與氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生活性氧物種如羥基自由基（·OH），進(jìn)而對(duì)廢水中的有機(jī)物進(jìn)行降解。作為最常見的光催化劑，TiO2 在應(yīng)用過(guò)程中不需要額外的化學(xué)劑，因此適合存在大量有機(jī)物的造紙廢水處理工作，而且不會(huì)產(chǎn)生二次污染問(wèn)題，因此能夠滿足綠色環(huán)保的需求。在實(shí)際應(yīng)用中，TiO2 能夠有效去除造紙廢水中的色度物質(zhì)、漂白劑殘留物等難降解有機(jī)物，通過(guò)其優(yōu)勢(shì)有效降解廢水中的污染物質(zhì)，同時(shí)還可以通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)條件和光照強(qiáng)度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)廢水處理過(guò)程的精確控制，以確保造紙廢水的處理穩(wěn)定性和效果能夠得到有效保障［3］。

3.2 生物反應(yīng)器技術(shù)

生物反應(yīng)器是解決光催化氧化技術(shù)中光催化劑利用率低這一問(wèn)題的重要措施，生物反應(yīng)器是一種基于微生物代謝活性進(jìn)行廢水處理的技術(shù)，在光催化氧化技術(shù)中，生物反應(yīng)器能夠作為最后一道處理工序，以便于能夠進(jìn)一步降解光催化劑無(wú)法直接降解的有機(jī)物。生物反應(yīng)器技術(shù)一般采用生物膜反應(yīng)器或者懸浮生物反應(yīng)器，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，生物膜反應(yīng)器設(shè)備需要將生物膜固定在支撐材料上，通過(guò)生物膜上的微生物來(lái)降解廢水中的有機(jī)物，或者利用懸浮生物反應(yīng)器將微生物懸浮在廢水中，利用微生物的代謝活性來(lái)處理廢水，以確?？梢越到夤獯呋瘎╇y以直接降解的有機(jī)物。除了降解那些難以降解的有機(jī)物外，生物反應(yīng)器技術(shù)還可以去除廢水中的無(wú)機(jī)鹽，像是括鈉、鈣、鎂等無(wú)機(jī)鹽，可以通過(guò)生物反應(yīng)器中的微生物代謝活性將無(wú)機(jī)鹽轉(zhuǎn)化為沉淀物或氣體，以此達(dá)到深度凈化的效果。

3.3 光致Fenton 氧化

在利用TiO2 光催化技術(shù)的基礎(chǔ)上，可以再加入Fenton 試劑形成Fenton 體系，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑·OH 自由基，這也是提高造紙廢水處理效率的重要措施。光致Fenton氧化技術(shù)所產(chǎn)生的的大量·OH自由基是一種非常強(qiáng)效的氧化劑，能夠迅速氧化有機(jī)廢水中的有機(jī)污染物，并將這些污染物降解為無(wú)害的物質(zhì)，以此滿足水質(zhì)凈化的需求。而且光致Fenton 氧化技術(shù)還可以很好地解決造紙廢水中的色度、COD 等指標(biāo)超標(biāo)的問(wèn)題，光致Fenton 氧化技術(shù)的特性能夠有效加強(qiáng)對(duì)這些污染物的降解和處理，以確保造紙廢水能夠滿足環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)需求。

3.4 光催化膜分離技術(shù)

光催化膜分離技術(shù)是光催化氧化和膜分離兩種方法優(yōu)勢(shì)進(jìn)行廢水處理的重要技術(shù)，在發(fā)揮光催化氧化技術(shù)的基礎(chǔ)上，再利用膜分離技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)固液分離，并且提高水質(zhì)凈化效果。該技術(shù)融合了二者共同的優(yōu)勢(shì)，能夠有效做到對(duì)廢水中有機(jī)物的降解，同時(shí)也能通過(guò)固液分離，將懸浮物、顆粒物等固體污染物有效地過(guò)濾，提高水質(zhì)凈化效果。在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，需要在光催化反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置膜分離裝置，實(shí)現(xiàn)光催化氧化和固液分離的一體化操作，以確保既能夠優(yōu)化處理流程，也能減少占地面積，同時(shí)還能減少能源消耗，從而起到控制凈化成本的效果。

3.5 光電催化氧化

光電催化氧化技術(shù)是一種將光催化和電化學(xué)催化相結(jié)合的廢水處理技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，不僅需要選擇合適的光催化劑，還需要選擇合適的電極材料，以確保能夠在光照條件下引發(fā)光生電子并且產(chǎn)生活性氧物種，這對(duì)于處理廢水中的木質(zhì)素、纖維素和碎片紙漿等有機(jī)污染物有著非常重要的幫助。除了有機(jī)污染物外，該融合技術(shù)的應(yīng)用能夠通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)和光生電子的作用，將廢水中的銅、鉻、鋅等重金屬離子還原或氧化為固體沉淀物，從而減少重金屬污染物的污染風(fēng)險(xiǎn)。除此之外，在傳感器和智能控制系統(tǒng)的幫助下，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光電催化氧化技術(shù)的在線監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化控制，通過(guò)提前設(shè)置參數(shù)的措施，保障整個(gè)技術(shù)的穩(wěn)定性和可控性［4］。

3.6 光催化聚合物膜反應(yīng)器

光催化聚合物膜反應(yīng)器作為光催化和膜分離技術(shù)融合形成的高效廢水處理裝置，在提高廢水處理效率和效果方面的作用也非常明顯，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，可以通過(guò)反應(yīng)器中的光催化劑和合成的聚合物膜的合作，在氧化分解廢水中有機(jī)污染物的同時(shí)，還能利用聚合物膜阻隔廢水中的大分子有機(jī)物質(zhì)和顆粒物，讓光催化氧化反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)得到進(jìn)一步發(fā)揮，以此起到優(yōu)質(zhì)的凈化效果。該技術(shù)同樣具備能耗低、成本低的特點(diǎn)，因此適用于造紙工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)造紙廢水連續(xù)、長(zhǎng)期處理的需求。

4 光催化氧化技術(shù)在造紙廢水處理中的應(yīng)用方向

4.1 光催化氧化技術(shù)在造紙廢水處理中的存在的問(wèn)題

雖然光催化氧化技術(shù)在造紙廢水處理中有著非常顯著的優(yōu)勢(shì)，不過(guò)由于該技術(shù)并不是非常成熟，在實(shí)際應(yīng)用方面依然存在需要關(guān)注和解決的問(wèn)題。例如光催化劑選擇與性能限制問(wèn)題，目前常用的鈦酸鹽類、二氧化鈦等光催化劑存在光吸收范圍狹窄、光生載流子壽命短等問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì)造成光催化活性和穩(wěn)定性較低，同時(shí)也影響了對(duì)污染物的降解效果。光源能量利用率低的問(wèn)題也非常明顯，雖然傳統(tǒng)的紫外光源能夠有效激活光催化劑，不過(guò)由于受到催化劑本身等因素的影響，其能量利用率較低，而且存在光照區(qū)域受限的問(wèn)題，因此能源浪費(fèi)問(wèn)題、設(shè)備投資成本高問(wèn)題依然難以控制。與此同時(shí)，光催化反應(yīng)速度通常較慢，需要較長(zhǎng)的處理時(shí)間才能達(dá)到理想的污水處理效果，對(duì)于規(guī)模較大的造紙廠來(lái)說(shuō)，會(huì)面臨著污水處理效率低等問(wèn)題。除此之外，工藝參數(shù)優(yōu)化難度大的問(wèn)題也非常明顯，在光催化氧化技術(shù)應(yīng)用的過(guò)程中，需要調(diào)整光照強(qiáng)度、光照時(shí)間、溶液pH 值等參數(shù)，才能滿足廢水處理需求，不過(guò)不同類型的廢水對(duì)于各項(xiàng)參數(shù)的需求存在較大差別，因此廢水處理難度也相對(duì)較大。

4.2 光催化氧化技術(shù)在造紙廢水處理中的應(yīng)用方向

雖然目前光催化氧化技術(shù)在造紙廢水處理中的應(yīng)用存在一定的問(wèn)題，不過(guò)由于其優(yōu)勢(shì)非常明顯，因此具有非常廣闊的發(fā)展前景，而想要進(jìn)一步推動(dòng)該技術(shù)在造紙廢水中的應(yīng)用，該技術(shù)應(yīng)當(dāng)朝著以下方向展開深度研究：首先是光催化劑開發(fā)方面，為了解決當(dāng)前光催化劑存在光吸收范圍窄、光生載流子壽命短等問(wèn)題，在發(fā)展過(guò)程中需要設(shè)計(jì)合成新型的光催化劑，提高光催化劑對(duì)可見光的吸收能力，增強(qiáng)光生電子和空穴的分離效率，讓降解效果能夠得到進(jìn)一步提升。其次則是對(duì)光源的選擇和優(yōu)化，在未來(lái)的發(fā)展道路上，可以積極探索利用可見光或太陽(yáng)光等更廣泛的光源，通過(guò)光源的選擇和優(yōu)化，讓光源能量的利用率能夠得到進(jìn)一步提升，同時(shí)還能進(jìn)一步減少該技術(shù)的應(yīng)用成本。與此同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)光催化反應(yīng)機(jī)理的深入研究也非常重要，尤其是對(duì)光催化過(guò)程中的光生電子和空穴行為、活性氧化物的生成和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等方面的研究，能夠有效對(duì)該技術(shù)展開深度優(yōu)化，以此提高技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果。除此之外，通過(guò)光催化氧化技術(shù)與其他廢水處理技術(shù)的集成應(yīng)用，也能提高造紙廢水的處理效果，例如將光催化氧化技術(shù)與生物處理、吸附等技術(shù)相結(jié)合，形成多技術(shù)聯(lián)合治理體系，確保能夠滿足不同造紙廢水的處理需求，讓多種處理方式的優(yōu)勢(shì)能夠得到共同發(fā)揮［5］。

5 結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，光催氧化技術(shù)在造紙廢水處理中具有非常良好的應(yīng)用效果，多類技術(shù)的應(yīng)用既能夠保障廢水處理質(zhì)量，同時(shí)也能避免二次污染、成本過(guò)高等問(wèn)題，因此在廢水難降解有機(jī)物處理方面有著顯著的優(yōu)勢(shì)和作用。不過(guò)由于光催化氧化技術(shù)目前應(yīng)用范圍較小，在長(zhǎng)效應(yīng)用方面依然存在技術(shù)等方面的難題，因此對(duì)光催化氧化技術(shù)展開進(jìn)一步優(yōu)化，確保能夠大規(guī)模應(yīng)用到造紙廢水處理當(dāng)中，成為了提高造紙廢水處理效果、進(jìn)一步控制廢水處理成本的重要措施。