水的深度处理——光催化氧化技术

光催化氧化技术在水处理领域应用进展及存在问题

摘要:光催化氧化技术是近几十年来发展起来的一项深度氧化(AOP)污染治理新

技术，因其具有降解彻底、无二次污染等优点而倍受人们的瞩目。本文介绍了光催化氧化的机理，阐述了光催化氧化技术在降解水中有机污染物、无机污染物及饮用水净化和垃圾渗滤液处理中的研究进展，对光催化氧化技术的研究前景进行了展望，并对其目前存在的问题进行了简单的阐述。

关键词: 二氧化钛TiO2,光催化氧化,水处理,研究进展,存在问题

光催化氧化技术是一种新兴的水处理技术。1972 年，Fujishima和Honda报道了在光电池中光辐射TiO

可持续发生水的氧化还原反应，标志着光催化氧化水

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处理时代的开始。1976 年,Carey 等在光催化降解水中污染物方面进行了开拓性的工作。此后，光催化氧化技术得到迅速发展。光催化技术具有反应条件温和、能耗低、操作简便、能矿化绝大多数有机物、可减少二次污染及可以用太阳光作为反应光源等突出优点，在难降解有机物、水体微污染等处理中具有其他传统水处理工艺所无法比拟的优势，是一种极具发展前途的水处理技术，对太阳能的利用和环境保护有着重大意义。

一、光催化降解水中污染物的作用原理

光催化降解技术中，通常是以TiO2 等半导体材料为催化剂。这些半导体粒子的能带结构一般由填满电子的价带和空的高能导带构成，价带和导带之间存在禁带，当用能量等于或大于禁带宽度的光照射到半导体时，价带上的电( e-) 被激发跃迁到导带形成光生电子( e- )，在价带上产生空穴( h+ )，并在电场作用下分别迁移到粒子表面。光生电子( e-) 易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获，而空穴因具有极强的获取电子的能力而具有很强的氧化能力，可将其表面吸附的O 分子氧化成·OH 自由基，·OH 自由基几乎无选择地将水中

有机物或OH-及H

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有机物氧化，其反应机理如下:

TiO2+hv→h++e- h++e-→E H2O→H++OH- h++OH-→·OH h++H2O+O2-→·OH+H++·O2- h++H2O→·OH+H+ e-+O2→O2-·O2-+H+→HO2· 2HO2·→O2+H2O2 H2O2+·O2-→·OH+OH-+O2 H2O2+hv→2·OH Organ+·OH+O2→CO2+H2O+其他产物 M n++ne-→M 由上述反应可见, TiO2 光催化氧化降解有机物实质上是一种自由基反应。

二、TiO2 光催化氧化在水处理中的应用

1、工业废水处理

我国印染、农药、造纸等有机工业废水排放量大,其中难降解有机污染物的浓度高,采用传统的物化或生化法处理此类废水难以达标,对自然水体环境和人体健康产生了严重影响。因此,许多学者开始研究使用降解效率高,无二次污染的纳米TiO

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光催化氧化技术对此类废水中的难降解有机物进行处理。

（1）染料废水处理

染料废水碱度高、色泽深、臭味大,并且还含有苯环、胺基、偶氮基团等致癌物质,一般的生物化学法对于水溶性染料的降解效率很低,且易造成二次污染。

夏金虹采用溶胶 胶法制备TiO

2粉体,研究TiO

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粉体光催化降解印染废水的

可行性,结果表明: CODcr为268mg/L的印染废水,用125 W 荧光灯照射,初始pH= 3 时,脱色率最高;纳米TiO24g/L 的用量时,光降解效果最佳;光照距离为9 cm,光照时间2h对去除CODcr和脱色率效果最好; 综合起来纳米TiO

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降解印染废水可使CODcr为268 mg/L的印染废水脱色率达到96% ,CODcr去除率为86%。同时做了

TiO

2回收试验,结果表明: TiO

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催化性能比较稳定,可重复使用,且仍具有较好

的光催化性能。

(2) 农药废水处理

农药废水的特点是所含有机物毒性大,难以降解,并具有生物积累性。周波等以钛酸丁酯为原料,以天然沸石作载体负载TiO

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制备光催化剂; 并采用高压汞

灯为光源,用负载型TiO

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光催化降解敌敌畏和对硫磷。结果表明: 农药光照2h左右可完全被光催化氧化为磷酸盐。Misook Kang对除草剂百草枯进行了研究,采用

水热合成的纳米TiO

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薄膜与紫外光对其进行光催化分解,15h 后百草枯的转化率

约为100% ,其最终产物分别为CO

2、NH

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+、NO

3

- /NO

2

-、H

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0 和HC1 等。

(3) 制革废水处理

制革废水主要来自于皮革浸水、浸酸、加酯、染色等湿操作中的准备工段和鞣制段,废水的COD和色度严重超标,有极其难闻的气味,属污染严重且较难处理的工业废水。史亚君采用纳米TiO

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光催化氧化法进行制革废水处理的实验,实际废水取自宁波余姚某皮制件厂总排放口,在初始pH = 6,光照时间6h,催化助剂

FeC1

3的加入量3.36mg/L,纳米TiO

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加入量100mg/L条件下, 处理后出水COD和色

度去除率分别达到65.0% 和91.4% ,且可生化性大大提高。

(4) 造纸废水处理

造纸废水成分复杂,多含有苯酚、氯酚类、卤代烃类等难降解有机污染物,且COD 浓度高,色度大。伍胜等对造纸废水的光催化降解研究表明,在催化剂选择20%金红石和80%锐钛矿组成的混晶型TiO2 ,催化剂用量lg/L,曝气采用纯氧曝气, O

2

流速为0.5L/min的条件下,TMP废水、纸厂废水等低污染物废水比KP废水更适

宜于TiO

2光催化降解处理。H.D.Mansilla 等用O

2

/TiO

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(P25)/UV光催化氧化造纸

厂漂白阶段所排放废水中的酚与多酚化合物,废水初始色度为4510度,初始COD质量浓度为1787mg/L,反应1min即可使色度降低40% ,COD质量浓度下降50% 。