TiO2光催化在水处理中的研究现状

Posted 2023-01-12 有机物

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文章概述了近年来TiO2光催化在水处理方面的研究现状，并对光催化技术存在的问题进行了介绍。
水是人类赖以生存和发展的重要自然资源，是现代经济和社会进步的重要基础。随着全球经济的迅猛发展，工业及农业规模的迅速增加，水资源变得日益匮乏，缺水问题已经成为一个世界性的问题。同时，水污染也日趋严重，因此，对水质的净化与对污水的处理已成为人们关注的焦点。
1972年，A.Fujshima和K.da发现，受辐射的TiO2表面能发生水的光电催化分解作用，自此以后，用TiO2等半导体作为光催化剂处理污水中的有机物，引起了人们极大的兴趣和广泛的关注，为水处理技术的研究开拓了一个新的方向。TiO2光催化具有一些突出的优点：TiO2在近紫外线区吸光系数大，光活性高，光催化作用持久，而且化学性质稳定，对人体和环境无害，资源丰富，价格低；光催化作用不消耗氧化化学品，只使用空气中的氧气作为氧化剂；TiO2光催化中生成的氧化剂，具有很强的氧化能力，能将多种有机污染物彻底去除。
1.TiO2光催化的基本原理
TiO2属于一种n型半导体材料，它的禁带宽度为3.2 eV(锐钛矿)，当它受到波长小于或等于387.5Nm的光(紫外光)照射时，价带的电子就会获得光子的能量而跃迁至导带，形成光生电子(e-)，而价带中则相应地形成光生空穴(h+)。TiO2表面的光生电子e-易被水中溶解氧等氧化物质所捕获，而空穴h+则可氧化吸附于TiO2表面的有机物或先把吸附在TiO2表面的OH-和H2O分子氧化成.OH自由基，.OH自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化水中绝大部分的有机及无机污染物。
2.TiO2光催化在水处理中的研究
2.1染料废水
有机染料是纺织与其他生产染料如墨水、化妆品等产品在生产过程中所排放废水的主要污染物。随着化学工业和染料工业的蓬勃发展，大量难以生物降解的有机物被广泛地应用在印染行业。据统计，目前使用的染料有上万种，它们不仅具有特定的颜色、复杂的结构，而且大多难以生物降解，具有潜在的毒性。目前，对于利用光催化法降解有机染料的研究已有很多报道。李耀中等研究了流化床光催化氧化中试处理系统对高分子化学浆料CMC和偶氮染料4BS合成的模拟印染废水的处理，试验证明，该法取得了较好的处理效果。当光照74 min时，色度去除率可达80%以上；当光照150 min时，COD去除率超过了70%。
2.2农药废水
农药品种繁多，废水成分复杂，其中有机物具有较大的毒性，难以生物降解，生物积累性强，对人体和自然界的危害都十分巨大。E.Moctezuma等采用紫外光与纳米TiO2光催化降解百草枯，当pH值为9，光照时间为3 h时，百草枯完全降解。陈士夫等在研究TiO2光催化降解有机磷农药废水时得出：有机磷可完全降解为PO43-，COD去除率可达70%～90%。由此可见，利用TiO2降解农药废水效果显著。
2.3表面活性剂废水
近年来，随着表面活性剂被广泛的使用，它对环境的危害也越来越引起人们的重视。表面活性剂废水成分复杂，其中含有大量的难于自然降解或生物降解的污染物质，这些物质残留期长，对生态系统危害极大。表面活性剂的碳链结构不同，其光催化降解性能也有很大的差异，其中最具有代表性的是十二烷基磺酸钠(DBS)。C.Domnguez等利用TiO2作为催化剂，研究了400 W模拟日光照射下降解DBS，试验进行到150 min后DBS分解了30%，而在TiO2和FeCl3共同存在的条件下，150 min后DBS分解率达70%。冯良荣等采用纳米级TiO2作为催化剂，光催化氧化DBS，在500 W高压汞灯下照射5 h后，COD去除率高达91%。
2.4造纸废水
造纸废水含有卤代烃类、苯酚、氯代酚类等难以降解的有机污染物，成分复杂，且COD的含量高、色度大。I.AkmehmetBalcioglu等研究了光催化降解Seka Dalaman造纸厂的C/E-H阶段和D/E-D阶段的废水以及两者1∶1的混合废水。经光照5 h后，COD的去除率分别为24%、38%和30%。将经过生物预处理后的混合废水进行光催化反应，COD的去除率为57%，同时氯化物浓度也减少了42%。试验结果表明，光催化反应还具有脱卤作用。吴育飞利用紫外光照射造纸废水4 h，COD浓度降低了78.13%。
2.5含油废水
随着石油工业的迅猛发展，每年都会有大量的石油流入海洋，严重污染了水体及海岸环境。对于这种漂浮于水面上的油类及有机污染物的处理，也是近年来人们很关注的一个热点问题。Berry等利用环氧树脂将TiO2粉末黏附于木屑上，对水面油层进行了光催化降解。TeruhisaOhno等制备了一种能够漂浮于水面上的TiO2催化剂，并以辛烷作为模型化合物，对水面油膜污染物的光催化分解进行了研究，取得了十分满意的效果。
2.6酚类化合物废水
环境中的酚污染主要是指酚类化合物对水体的污染，含酚废水是当今世界上危害最大、污染范围广的工业废水之一。光催化在处理含酚废水方面显示出了较好的应用前景，目前，关于这方面的研究己有许多报道。国伟林等选取了邻硝基酚、邻氨基酚、邻苯二酚作为研究对象，以TiO2为催化剂，在高压汞灯的照射下研究其在水溶液中的降解情况，实验结果表明，这3种酚类物质易发生光催化降解，去除率均达到98%。
3.TiO2光催化在水处理应用中存在的问题
TiO2光催化在水处理领域取得了令人满意的研究成果，但还有许多不足限制了该技术的工业化推广应用，其问题主要集中在以下几个方面：
3.1光催化剂的研制
当前的研究主要集中在光催化剂的超细化、复合型或担载重金属。所选用的制备方法主要以溶胶凝胶为主，大多采用有机钛为原料。为了满足以后工业化的要求，研究采用现有工业原料来制备高效的光催化剂，具有很好的现实意义。
3.2光催化反应器的设计
光源和催化剂的利用率，都直接影响到有机物的降解效果。目前，光催化反应器只停留在实验室研究阶段。因而，设计高效、多功能、大型化的光催化反应器是现今研究的重点，也是一个难点。
3.3对有机物降解规律的研究
有机物光降解的最终产物并不都是无毒无害的，由于有机物的结构不同，其降解产物也是多种多样的。因此，研究不同种类有机物的降解规律，对以后该项技术的推广具有指导意义。
4.结术语
TiO2光催化作为一种新型的水污染控制技术，虽然在处理高浓度难降解有机废水的研究方面取得了较大的成果，但绝大多数尚处于实验室探索阶段。随着TiO2光催化应用研究的不断深入开展，TiO2光催化技术在水处理领域必将会有更广阔的应用前景，发挥愈来愈大的作用。