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    光催化氧化技術

    光催化氧化技術是一種環境友好型綠色水處理技術, 它能夠徹底氧化降解廢水中的有機污染物。該技術是利用易于吸收光子能量的中間產物首先形成激發態,然后再誘導引發反應物分子的氧化過程。1972 年 Fujishima A 和 Hongda 在Nature 上發表了關于在TiO2 電極上光解水的論文, 這是多相光催化氧化研究開始的標志之一。此后人們對光催化氧化進行深入的研究,探討其反應催化原理, 并致力于提高催化效率。1976 年 Carey等在光催化氧化降解水中污染物方面進行了開拓性的工作,顯示出光催化氧化技術在環保領域的應用前景。光催化氧化是光催化劑在特定波長光源的照射下產生催化作用,使周圍的水分子及氧氣激發形成極具活性的HO!自由基和!O-2 自由基。目前采用的半導體材料主要是TiO2、ZnO、 CdS、 WO3、 SnO2等。不同半導體的光催化活性不同, 對具體有機物的降解效果也有明顯差別。TiO2因其具有化學穩定性高、 耐腐蝕、 對人體無害、 價帶能級較深等特點, 特別是其光致空穴的氧化性極高,氧化電位可達+ 2. 53V, 還可在水中形成氧化電位比臭氧還高的HO!, 同時光生電子也有很強的還原性,可以把氧分子還原成超氧負離子, 水歧化成H2O2。所以 TiO2 成為半導體光催化研究領域中最活躍的一種物質,非常適合于環境催化應用研究。
    一、 TiO2光催化機理 
      納米TiO2是N型半導體,能帶和導帶之間的帶隙能為3.2eV,其能量相當于波長為387.5nm的紫外光,當被該紫外光照射時,處于能帶上的電子被激發到導帶上,生成高活性的電子e-,在能帶上產生帶正電荷的空穴h+。TiO2與水接觸,水分子和被溶解的氧與產生的h+,e-作用,生成強氧化性的 .OH-,.O2,并通過.OH-,h+和.O2等漸漸將有機物降解為CO2和H2O等無機物。同時,e-具有強還原性,還可將無機物高氧化態的氧化物或貴金屬離子還原成低氧化態的氧化物或單質,或將低價離子氧化成高氧化態的氧化物沉淀出來,達到治理和回收的目的。
    二、TiO2光催化氧化在水處理中的應用 
      2.1 廢水中有機污染物的降解 
      有機化合物廢水處理常規方法有吸附法、混凝 沉降法、生化法等,但這些常規的處理法目前很難達到去除難降解有機物的目的,即使降解了,也易造成二次污染?,F在正在發展中的TiO2光催化技術是一 種深度氧化技術,可以解決這個難題。大量研究證明,該技術對水中染料、鹵代脂肪烴、鹵代芳烴、有機酸、硝基芳烴、雜環化合物、烴類、酚類、表面活性劑、 農藥等都能有效地進行光催化反應,生成CO2和 H2O等無機小分子,可以完全達到無機化的目的,從而消除其對環境的污染。  
      2.1.1 染料廢水處理 
      2.1.2 農藥廢水處理 
      農藥廢水主要是除草劑、有機磷農藥、三氯苯氧 乙酸,DDVP、DDT等。其特性表現為:停留時間長、污染性大,是難于降解的有機物。采用光催化雖然不能使所有的污染物完全礦化,但不會產生毒性更高的中間產物,是其它方法無法相比的。    
      2.1.3 含油廢水處理 
      含油廢水是一種不溶于水且漂浮于水面上的油類和大量的有機物,TiO2光催化技術處理含油廢水,其降解率可達95%左右,一般不會像使用化學方法一樣產生二次污染。 
      2.1.4 鹵代芳烴處理 
      主要的鹵代芳烴污染物,均可在光催化過程中被完全降解。水中主要鹵代芳烴污染物在使用TiO2 光催化劑和近紫外光照射下的半衰期,大部分在15 min和1.5h之間,相應的完全轉化時間為1~6h。 
      對于鹵代芳烴的降解,由于中間物在催化反應中具有較強的吸附作用,反應過程中一般檢測不到中間物,并且鹵素取代程度比較低的污染物通常降解速度比較慢。 
      2.2 廢水中無機化合物的降解 
      廢水中雖然含有大量的有機污染物,但也存在不少的無機污染物,尤其是水中存在許多重金屬離子如汞、鉛等,會對人體健康產生極大的危害,所以降解無機污染物也是一個刻不容緩的問題。大量的研究表明:許多無機物在TiO2表面也具有光催化活性。因而,TiO2便可將貴金屬如金、銠、鈀、鍺等在其表面沉積下來,以便于回收貴金屬。同時,納米TiO2具有強還原性,可將Cr2O2-7還原成無毒的Cr2O-2;將SO2-4 和NOx還原成單質和無毒低氧化態氧化物;也可將水中汞、鉻、鉛及其氧化物等降解為無毒物質。 
    三、 光催化氧化發展前景
      TiO2 催化劑本身固有的特點,對利用太陽能和去除水體中的有機污染物有著非凡的潛力,特別是國際工業化進程的加快,水體有機污染物日益嚴重的今天, TiO2 光催化氧化具有更明顯的優勢 當前TiO2 在水處理技術研究上,還處于實驗室階段 要在實際工作中廣泛應用,未來的方向需要研究以下幾點:
      1、是繼續提高 TiO2 光催化劑的催化比表面積的同時,充分研究 TiO2 顆粒的循環利用,如利用表面活性劑反膠束微乳液法開發 SiO2 球粒吸附催化劑 
      2、是通過在催化劑中摻雜新的貴金屬和金屬離子等其它物質以降低 TiO2 的帶隙能,使其充分利用太陽能中波長較長的光,提高對太陽光的利用率 
      3、是負載和復合 TiO2 形成薄膜和制定新的復合材料,提高吸收光的激發效率,提高催化活性 
      4、是開發新型的光催化反應器,便于反應的循環高效運行評論目前,TiO2光催化氧化技術在廢水處理中的應用還停留在試驗性階段, 要投入應用還需要進一步研究。下一步該技術的改進方案將集中于提高對太陽光的利用率,研究催化劑固定技術以提高催化劑的利用率和回收率,減少光生電子和空穴復合,以及與其他處理技術聯用提高反應效率等方面。雖然 TiO2 光催化氧化技術發展還不是很完善, 還沒有達到工業化的程度, 但是由于其反應條件溫和、 操作容易控制、 氧化能力強、 無二次污染, 加之TiO2 化學穩定性高、 無毒等優點, 仍是一項具有廣泛應用前景的新型廢水處理技術。

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