半导体光催化氧化反应降解废水中有机污染物的研究进展
光催化降解有机污染物的机理和反应动力学研究
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光催化降解有机污染物的机理和反应动力学研究近年来, 环境问题愈演愈烈,其中有机污染物的问题尤为严重。
而光催化降解有机污染物作为一种新型的环保技术,正逐渐成为研究的热点。
本文介绍了光催化降解有机污染物的机理和反应动力学研究的最新进展。
一、光化学反应机理光催化降解有机污染物是靠催化剂、光源和有机污染物之间的复杂反应来实现的。
通常,催化剂是指氧化性或还原性强的复合氧化物,例如TiO2、ZnO和Fe2O3等。
在催化物的表面,光催化反应被分为两个阶段,第一步是光激发,即光子被催化物中的电子吸收,使电子升级,催化剂的价带被填满,同时导带获得一个空穴。
在第二步中,空穴和电子被分离并移动至催化剂的表面。
该过程产生了一系列化学反应,包括氧化还原等。
最终生成水和CO2等无害物质。
二、反应动力学在进行光催化降解有机污染物的实验时,研究人员经常关注的是反应编号、曲线和速率等反应动力学参数。
实验结果表明,反应物浓度、光照强度、温度和催化剂种类均对反应动力学参数有影响。
通常情况下,反应速率常数k为反应动力学参数的衡量标准。
由于复杂的反应机理和外部机制的干扰,使得反应动力学的研究难度增加。
研究人员通常采用数学模型,包括反应速率常数、反应动力学方程和批处理反应等方法,来研究反应动力学。
最近几年,研究人员已经开发了新的研究技术,包括计算流体力学模拟、小角度散射、拉曼光谱、X射线光电子能谱等。
这些新的技术不仅使得反应动力学的研究更加精确,同时也能够提高反应的效率和稳定性。
三、研究进展随着科技的不断进步,光催化降解有机污染物的机理和反应动力学研究也取得了巨大的进展。
在反应机理的研究方面,未来的发展重点是寻找新型的催化剂,并探索新的反应机理;在反应动力学方面,将进一步探究反应条件和反应剂类型对反应速率的影响,并进一步提高光催化反应的效率和稳定性。
总之,在光催化降解有机污染物的机理和反应动力学研究方面,我们正处于不断发展的阶段。
未来的研究,将进一步深入挖掘光催化降解技术的内在机理和性质,以期实现更高效、更环保的光催化降解过程。
光催化技术在环境污染物降解中的应用及机理研究
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光催化技术在环境污染物降解中的应用及机理研究摘要环境污染已成为全球性的重大问题,光催化技术作为一种绿色环保的污染物降解技术,近年来得到了广泛的研究和应用。
本文综述了光催化技术的原理、应用及机理研究进展。
首先介绍了光催化技术的定义、发展历程以及其在降解污染物方面的优势。
其次,详细阐述了光催化降解污染物的机理,包括光生电子-空穴对的产生、氧化还原反应、活性物种的生成和参与反应等。
然后,针对不同类型的污染物,例如有机污染物、重金属离子、氮氧化物等,概述了光催化技术在环境污染治理方面的应用,并分析了其优缺点。
最后,展望了光催化技术未来的发展方向,包括新型光催化材料的研发、光催化反应体系的优化以及光催化技术与其他技术的协同应用等。
关键词:光催化技术;环境污染物降解;机理研究;应用;发展趋势1. 引言随着工业化进程的不断推进,环境污染问题日益突出,对人类健康和生态环境造成了严重威胁。
传统的污染物治理方法,例如焚烧、吸附、化学沉降等,存在能耗高、二次污染严重、处理效率低等缺点,难以满足日益严格的环境保护要求。
因此,开发高效、环保的污染物治理技术至关重要。
光催化技术是一种利用光能驱动催化剂发生氧化还原反应,从而降解污染物的技术,近年来得到了广泛的研究和应用。
光催化技术具有以下优点:*高效:光催化剂可以将光能转化为化学能,实现对污染物的深度降解,甚至可以将有机污染物彻底氧化成二氧化碳和水。
*环保:光催化过程不涉及高温高压,不产生二次污染,是一种绿色环保的污染治理技术。
*成本低:光催化剂可以循环使用,且光能来源丰富,因此具有较低的运行成本。
2. 光催化技术的原理光催化技术是利用半导体光催化剂在光照条件下发生的氧化还原反应,实现对污染物的降解。
其核心原理是光生电子-空穴对的产生和分离。
2.1 光生电子-空穴对的产生当光催化剂吸收能量大于其禁带宽度的光子时,价带上的电子被激发到导带,形成电子-空穴对。
价带上的空穴具有强氧化性,可以氧化还原反应中的还原剂,而导带上的电子具有强还原性,可以还原反应中的氧化剂。
高级氧化技术处理难降解有机废水的研发趋势及实用化进展
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高级氧化技术处理难降解有机废水的研发趋势及实用化进展高级氧化技术处理难降解有机废水的研发趋势及实用化进展随着工业化进程的加快和人们生活水平的提高,有机废水的大量排放已经成为严重的环境污染问题。
有机废水中含有各种难降解有机污染物,传统的废水处理方法难以彻底降解这些有机物质,因此需要开发新的高级氧化技术来处理这些难降解有机废水。
高级氧化技术是指一类利用高能量的氧化剂在适当的条件下,产生自由基或其他氧化性物质,通过反应与有机废水中的有机污染物进行氧化分解的技术。
近年来,随着科学技术的不断发展和进步,高级氧化技术在处理难降解有机废水中展现出了巨大的潜力。
一种常用的高级氧化技术是光催化氧化技术。
在光催化氧化技术中,通过使用半导体材料(如二氧化钛)吸收紫外光,在光催化剂的表面产生光生电子-空穴对,从而产生氧化性物质,对有机污染物进行氧化降解。
研究表明,光催化氧化技术能够高效地去除废水中的有机污染物,并且具有较低的运行成本和环境风险。
然而,该技术的应用受到光催化剂稳定性和光催化剂的光吸收能力等因素的限制。
为了克服光催化氧化技术的局限,近年来研究者们提出了一种新型高级氧化技术——等离子体催化氧化技术。
该技术利用等离子体在高能量激励下产生极化电离现象,形成高能量的自由基和激发态离子,用于分解难降解有机废水中的有机物质。
等离子体催化氧化技术具有高度活性、无需添加化学试剂、适应性强等优点,被认为是一种有潜力的高级氧化技术。
除了光催化氧化技术和等离子体催化氧化技术,还有其他一些高级氧化技术也得到了研究和应用,如臭氧氧化技术、过氧化氢氧化技术等。
这些技术在处理难降解有机废水中都具有一定的优势和适用性,对于提高废水处理效率、降低处理成本具有重要意义。
然而,尽管高级氧化技术在实验室中显示出了很好的处理效果,但在实际应用中仍面临一些挑战。
首先,高级氧化技术的工程化应用仍存在技术难题和经济问题,需要进一步优化和改进。
其次,高级氧化技术在实际应用中面临的废水样质量和水质波动性等问题也需要解决。
光催化氧化技术在难降解有机废水处理中研究进展-精品文档
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三、 光催化氧化在处理难降解有机废 水中的应用
目前采用的半导体材料主要是TiO2、ZnO、CdS、WO3、SnO2 等。TiO2因其 具有化学稳定性高、耐腐蚀、对人体无害、价带能级较深、可利用太阳能作为光源
等优点, 特别是其光致空穴的氧化性极高, 氧化电位可达+ 2. 53V, 还可在水中形成
氧化电位比臭氧还高的· OH , 同时光生电子也有很强的还原性, 可以把氧分子还原成 超氧负离子, 水歧化成H2O2 。(EPA统计的光催化可降解有机物,2019年.如图1)
浮其中的自制纳米级TiO2微粒充分得混
合,有机物在内置的紫外灯照射下发生 降解,经光催化处理后排出。该组合工 艺COD、BOD去除率分别达到了96%、
98%,色度和浊度也得到了显著降低。
C&C
2.造纸废水
造纸废水污染物浓度高、排放量大、难降解有机物浓度高、色度深、
气味难Байду номын сангаас、成分复杂, 除了原料溶出物外, 还含有大量的纤维、木质素、
C&C
光催化氧化处理难降解废水的应用
制革废水 染料废水 制药废水 农药废水
造纸废水
应用 范围
含油废水
焦化废水
垃圾渗滤液 食品添加剂废水 表面活性剂废水
C&C
1.染料废水
染料废水有机污染物含量高、色度深、毒性大,难生物降解的有 机物成分高,并且还含有苯环、胺基、偶氮基团等致癌物质,是我国 目前几种难治理的行业废水之一。光催化氧化对废水的色度有很好的 净化效果,染料废水色度高,适于用光催化氧化法处理。
张辉等采用序批式自制光催化膜反应器和低温酸性溶胶法制得的锐钛矿型TiO2 催化剂,250 W紫外灯光源对活性艳红X-3B进行光催化降解实验。实验结果表 明反应起始pH和催化剂用量对光催化膜反应器运行性能影响很大,该耦合体系 的最佳pH为4,染料和催化剂最佳浓度比为2︰1,0.45和0.22μm的混合纤维素 膜对TiO2颗粒截留率可达96.5 %以上。 邱祖民等在H2O2处理酸性大红GR染料废水的实验研究结果表明,H2O2催化氧 化处理酸性大红GR染料废水有比较好的效果,在最佳工艺条件下COD和色度的
光催化技术降解污水中有机污染物的研究进展
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电子在 电场作用下发生有效分离并分别迁移 的颗粒表面 , 可与
颗 粒 表 面 吸 附 的 有 机 物 发 生 氧 化 还 原 反 应 。 原 因在 于 光 生 空
穴 能 与 周 围 的 OH 和 H O 分 子 生 成 ‘ 一 OH 自由 基 。 ‘ OH 自 由
23 农药 废 水 .
【 酸 阐速. 辛 i 委】
24 表 面 活 性 剂 废 水 .
但在 使用过程 中 , 应充分提高 太阳能 的利用率 。
( 按 光 源 的 照 射 方 式 可 分 为 非 聚 集 式 反应 器 和 聚 集 式 3)
反应器。
王君等[ 4 1 采用纳 米锐 钛型 TO 作 催化剂 , i 使用 低功率超声
半 导体 , 其能带不连续 , 在价带与导带之, 带上 的电子就 会被激发越迂到导 价
带 , 带 上 产 生 空 穴 ( ) 导 带 上 带 有 电 子 ( 一 , 空 穴 与 价 h 而 e)当
10 X1 mo/ . 0 l L邻 氯 苯 酚 水 溶 液 1 0 mi,降 解 率 达 到 5 n 1 0 ,在 O。 0% 的协 同效 应 下 ,降解 率 在 9 n即可 达 到 0mi
内完全被破坏 , 这种方法避 免了聚环产物 的生成 ; ) ( 降解没有 3
选择性 , 乎能降解任何有机 物 ; ) 机物可被矿化 为 C 几 (有 4 O 和
图 1 TO 催 化 降 解 污 染 物 的机 理 i 光
HO, , 消除二次污染 , 现代 生产的清洁工艺 , 是 并可能利用清洁
能 源 太 阳能 , 一 种 很 有 发 展前 途 的 水 处理 新技 术 。 是 随 着 经 济 的 发 展 , 会 的进 步 , 们 对 能 源 和 资 源 的 需 求 社 人 量 越 来 越 大 , 地 球 上 的能 源和 资 源 是 有 限 的 , 此 导 致 社 会 而 由 的发 展 与资 源 匮 乏之 间 的 矛盾 日益 严 重 , 理 开 发利 用 新 能 源 合 是 人 们 愈 来 愈 关 注 的 热 点 问题 。 太 阳 能 是 一 种 非 常 清 洁 的 能
光催化研究进展范文
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光催化研究进展范文光催化研究的核心在于光催化剂的设计与合成。
光催化剂是指能够吸收光能并将其转换为化学能的物质,常用的光催化剂有半导体纳米材料和金属有机骨架材料。
近年来,研究者通过调控光催化剂的结构、组成和形貌,不断提高其光吸收和光电转化效率,实现了一系列高效的光催化反应。
光催化研究的应用领域非常广泛,主要包括环境治理和能源转换两方面。
在环境治理方面,光催化技术可用于有机污染物的降解、废水处理和空气净化等。
光催化剂通过吸收光能产生电子和空穴,可利用其高度活性的电子和空穴参与有机物的降解和氧化反应,从而高效去除有毒有害物质。
在能源转换方面,光催化技术可用于光电催化水分解制氢、光电化学蓄能、太阳能电池等。
利用太阳能进行催化反应可以实现能源的可再生和可持续利用,有望解决当前面临的能源危机问题。
在光催化研究领域,近年来取得了一系列重要的进展。
例如,研究者通过合成一系列具有特殊结构的半导体纳米材料,如纳米线、纳米片等,提高了光催化剂的光吸收能力和界面活性。
通过改变材料的能带结构和表面修饰,可调控其电子和空穴的迁移和分离效果,从而提高光催化反应的效率。
此外,随着金属有机骨架材料的发展,对光催化剂的设计和合成提供了新的途径。
金属有机骨架材料具有大孔径、高表面积和丰富的活性位点等特点,可用于气态污染物的吸附和催化转化。
光催化研究还面临一些挑战和问题。
首先,光催化剂的稳定性和寿命是制约其应用的关键因素。
光催化剂在长时间的光照和反应过程中易发生晶格缺陷和表面上的活性位点疲劳,导致催化活性的降低。
其次,光催化剂的制备成本较高,且合成过程中存在一定的环境和安全隐患。
因此,如何降低光催化剂的成本、提高其稳定性和寿命,是当前光催化研究亟需解决的问题。
总之,光催化研究在环境治理和能源转换方面有着广阔的应用前景。
随着光催化剂的设计和制备工艺的不断进步,相信在不远的将来将会有更多的高效光催化剂问世,为解决环境污染和能源危机问题做出更大的贡献。
光催化降解废水技术研究进展
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光催化降解废水技术研究进展水是人类生存不可或缺的资源,然而近年来,环境污染日益严重,水污染问题也变得越来越突出。
废水的排放成为恶化水环境的主要因素,引起了各国政府和科学家们的高度关注。
光催化降解废水技术由于其环保、高效的特性,成为了研究的热点之一。
一、光催化降解废水技术原理光催化技术是利用半导体材料在光照条件下,通过电子-空穴对的形成、迁移与变化,将废水中的污染物在催化剂作用下氧化分解成为无害物质的过程。
在这个过程中,光线的能量被转化为化学能以达到催化降解废水的目的。
二、技术的应用领域相较于传统的水处理技术,光催化降解废水技术具有高效、环保的特点,已经被广泛应用于新材料、电子、化工、食品、制药等多个领域。
此外,光催化还可以应用于城市污水、医院污水、工业废水、农业废水等各个领域的水处理。
三、技术的研究进展随着科学技术的不断发展,光催化降解废水技术的研究逐渐深入。
科学家们不断探寻更优异的催化材料和光源,以提高光催化降解废水技术的效率和使用寿命。
1. 催化材料方面催化材料是光催化降解废水技术中至关重要的一环。
目前,二氧化钛(TiO2)是最常用的催化材料之一。
科学家们不断尝试改良二氧化钛的物理性质,如形貌、结晶、晶体缺陷等,以改善催化剂的络合情况、光催化性能和稳定性。
此外,除了TiO2之外,过渡金属氧化物、碳基材料、半导体材料、金属有机框架材料等也都在光催化领域中应用,并展现出了较优越的光催化性能。
2. 光源方面对于光催化降解废水技术而言,光源的选择也非常关键。
自然光源和人工光源是目前光催化技术最常用的两种光源。
其中自然光源,包括太阳光、室内光和紫外线。
太阳光更能保证催化剂的活性,但在云天气和晚上会受到限制。
因此,人工光源在实际应用中更加广泛。
针对不同污染物和光源选择,研究者们已经开发了多种光源调节技术,包括可见光响应、紫外可调控LED和全光谱模拟光源等。
四、技术的未来展望随着全球环保意识的不断增强,光催化降解废水技术也将不断迈向更高的阶段。
二氧化钛光催化降解废水中污染物的研究进展
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气相 法是直 接利 用气体 或通 过各种 手段将 物质
C ry等较详 细描述 了 TO 光降解废 水 中污染物 的 ae i
历程 : 光催 化剂在 光照下产 生 电子 一孔穴对 ; 表面羟
孔穴有很强 的得 电子能 力,表现 出很 强的氧 化性 , 故 可 与颗粒表面吸 附的有机物质发生氧化还原反应 。 其 结果是有机物被孔 穴氧化而 电子受体得 以被还 原, 所
以 N型半 导体材料 光催化 主要是利 用光生 电: 和孔
穴来还原和氧化 吸附在其表面 的物质 。以 TO 为例 , i
2 i T O 光催化剂的研 制
实验证 明,纳米级 T O 较 T O 块 体材 料有更好 i i
1 光催 化作 用机 理
N型半导体材料 的能带不连续 , 在其 价带和 导带
的催化活 性。 因其表面积 大、 吸光范围宽 、 电子一孔穴
的复合率 低 、 相应 的氧 化还 原 电势 较高 , 具有 更高 的 量 子产 率 , 现 出更优 良的光催化 降解性能 。 而表 2 1 T 0 纳米粉体的研制 . i 目前制 各 T O 纳米微 粒 的方法 有很 多种 ,根据 i
张 玲
高秀哲: 二氧化钛光催化降解废水中污染物的研究进展
・5 6・
高、 粒子呈球形、 凝聚粒子小、 可见透光性好及吸收紫 外线以外的光能力强等特 点, 但产率低、 成本高。因 而, 制备纳米 T O 光催化剂多采用液相法 。 i
2 I2 液相 法 ..
为基材, 制备 TO 薄膜对苯酚进行光催化降解, i。 发现 其中以 A 为基材的TO 薄膜光催化活性最大。 l i 武正
光催化氧化还原反应在环境污染治理中的应用进展评价
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光催化氧化还原反应在环境污染治理中的应用进展评价近年来,环境污染问题日益受到全球范围内的关注,其中光催化氧化还原反应作为一种环境治理技术备受瞩目。
它通过利用光催化材料吸收光能,并通过红外释放催化剂进行氧化还原反应,从而有效净化和降解环境中的有机污染物。
本文将从光催化氧化还原反应的原理、应用案例和存在的挑战等方面对其在环境污染治理中的应用进展进行评价。
光催化氧化还原反应的原理是基于光物理、光化学和催化化学的综合理论。
当特定波长的光照射到催化剂表面时,能够产生电子-空穴对,并通过电子传递过程引发化学反应。
光催化的关键是光催化剂的选择,常用的材料包括氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、二氧化锌(ZnO)等。
在环境污染治理中,光催化氧化还原反应已经得到广泛应用。
以水污染治理为例,通过光催化技术可以降解水中有害物质,如有机物和重金属离子。
光催化氧化还原反应还可以应用于空气污染治理,特别是对于有机污染气体的净化效果显著。
同时,光催化技术也可用于净化土壤和废水处理等领域,取得了显著的效果。
然而,光催化氧化还原反应的应用仍面临着一些挑战。
首先,催化剂的研发和制备仍是一个关键问题。
目前常用的光催化剂在实际应用中存在反应效率不高、稳定性差等问题,限制了其在环境治理中的应用。
其次,光催化反应需要较高的能量输入,因此在实际应用中还存在着能源消耗过大的问题。
此外,光催化反应的反应速率较慢,需要进一步提高催化剂的活性以及反应条件的优化。
然而,尽管存在一些挑战,光催化氧化还原反应在环境污染治理中仍然具有广阔的应用前景。
首先,光催化技术具有高效、无毒、无二次污染等特点,能够在较短时间内降解和去除有机物污染物,大大提高了环境污染治理的效率。
其次,光催化技术可以与其他技术相结合,如超声波、电化学等加强处理效果,实现协同治理。
此外,光催化技术还具有资源利用的优势,可将有机废水中的有机物转化为高附加值的化学品。
在实际应用中,近年来光催化氧化还原反应已经取得了一些成功的应用案例。
光催化降解废水中有机污染物的研究
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光催化降解废水中有机污染物的研究光催化降解废水中有机污染物是一种利用光催化剂将光能转化为化学能,然后利用化学能将废水中的有机污染物分解为无害物质的技术。
光催化技术具有高效、环境友好等优点,在废水处理领域具有重要的应用前景。
本文将探讨光催化降解废水中有机污染物的研究现状和发展趋势。
光催化降解废水中有机污染物的原理是通过光催化剂吸收光能并激发电子至导带上,形成活性氧和自由基,然后利用这些活性物质降解废水中的有机污染物。
在光催化过程中,催化剂的选择以及光照条件的控制对降解效果有着重要的影响。
研究发现,光催化剂的种类对降解效果有着重要的影响。
目前常用的光催化剂有TiO2、ZnO、CdS等。
这些催化剂能够吸收可见光或紫外线光,并产生活性自由基,对污染物进行降解。
其中,TiO2是最常用的光催化剂之一,具有高光催化活性和化学稳定性。
此外,光照条件的控制也对光催化降解有机污染物的效果至关重要。
光照强度、波长和照射时间等因素均会影响光催化反应的速率和效果。
因此,为了提高光催化降解效果,需要对光照条件进行优化和控制。
在光催化降解废水中有机污染物的研究中,还存在一些问题和挑战。
一方面,光催化技术在实际应用过程中受到了光照条件的限制,尤其是天然光的波动和变化。
另一方面,一些有机污染物在光催化过程中难以完全降解,产生的中间产物对环境具有潜在的危害性。
因此,提高光催化降解的效率和选择适当的光催化剂对于提升技术的实用价值和效果至关重要。
综上所述,光催化降解废水中有机污染物是一种环境友好、高效的废水处理方法。
通过优化光催化剂的选择和光照条件的控制,可以提高降解效果和处理效率。
随着研究的进一步深入,相信光催化技术将在废水处理领域发挥更大的作用,为构建清洁、可持续的社会环境作出贡献。
光电催化降解抗生素废水的研究进展
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光电催化降解抗生素废水的研究进展首先,抗生素废水的特点。
抗生素废水的主要特点是复杂的组分、高浓度的有机物、持久的生物毒性和难以降解的性质。
这些特点使得传统的物理化学方法难以彻底降解抗生素废水,因此需要新的技术来解决这一问题。
接下来,介绍光电催化技术。
光电催化技术是将光催化和电催化相结合的一种新型催化技术。
这种技术利用半导体材料的光生电化学性质,通过光催化和电催化促进废水中有机物的降解。
光催化通过光照激发半导体材料表面的电子空穴对,并进一步促使有机物的氧化降解。
电催化则是通过施加电势,利用电子和电荷传递过程来加速有机物的降解。
光电催化技术具有高效、可控、环境友好等优点,因此在抗生素废水的降解研究中具有广阔的应用前景。
然后,介绍光电催化降解抗生素废水的机制。
光电催化降解抗生素废水的机制主要包括两个方面:光催化和电催化。
光催化过程中,半导体材料的表面形成电子空穴对,这些电子和空穴在半导体表面进行迁移并发生一系列的光化学反应,产生活性氧物种(ROS),如羟基自由基(•OH)、超氧自由基(•O2-)等,从而导致有机物的降解。
电催化过程中,施加的电势可调控半导体材料表面的电子结构和状态,增强有机物的降解效率。
最后,总结。
目前,研究者们通过调控半导体材料的结构和组成,探索催化剂的制备技术和装置的优化,进一步提高了光电催化降解抗生素废水的效率和稳定性。
此外,研究者们还将光电催化技术与其他技术相结合,如吸附、生物学方法等,以提高抗生素废水的降解效果。
总之,光电催化技术作为一种高效、可控的降解废水技术,在抗生素废水的治理中显示出了巨大的潜力。
未来的研究需要进一步深入理解光电催化降解抗生素废水的机制、提高光电催化降解效率,并将该技术应用于工业实践中,以实现抗生素废水的高效、环保处理综上所述,光电催化技术在抗生素废水降解研究中具有广阔的应用前景。
光电催化降解机制主要包括光催化和电催化两个方面,通过产生活性氧物种实现有机物的降解。
光催化氧化降解有机废水的研究与应用
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光催化氧化降解有机废水的研究与应用第一章绪论随着工业化的不断加速和人类生活水平的提高,有机废水的排放和治理成为了一项十分重要和紧迫的问题。
传统物理和化学方法难以对有机废水进行彻底的降解和处理,而光催化氧化技术作为一种高效、环保的新型处理方法,已经被广泛应用于有机废水的处理领域。
本文将分析光催化氧化降解有机废水的原理、方法和应用现状,为实际生产应用提供参考。
第二章光催化氧化原理光催化氧化是一种利用吸附在半导体催化剂表面的光反应活性位点吸收太阳光等电磁波源产生的电子空穴对有机废水进行氧化降解的过程。
在光催化氧化过程中,光催化剂通过吸收紫外线光子激发生成电子和空穴,电子和空穴随后被吸附在催化剂表面,与被吸附在催化剂表面的有机废水物质进行反应。
电子和空穴的再组合过程会释放出能量,这种能量的释放可以促进反应过程,加速催化剂表面对有机废水的降解作用,从而使废水中的有机物质被顺利氧化降解。
第三章光催化氧化方法1. 催化剂选择催化剂是光催化氧化反应发生过程中的关键因素。
不同催化剂的选择对反应的效率和特性有着决定性的影响。
常用的光催化剂包括二氧化钛、铁、锌、锡、铜、胶凝硅等,其中二氧化钛是最常用的光催化剂之一。
2. 光源选择光催化氧化反应需要充足的光源能够提供足够的能量促进反应的进行。
可供选择的光源包括紫外线灯、日光灯、氙灯、汞灯等,其中紫外线灯是最常用的光源之一。
3. 反应条件优化反应条件如温度、时间、反应物质浓度、催化剂用量等都会对反应结果产生重要影响。
反应条件的优化是保证光催化氧化反应效率的关键因素之一。
第四章光催化氧化应用现状光催化氧化技术已经广泛应用于有机废水的处理、空气净化、新能源等领域。
目前,国内外许多企业和研究机构都在积极探索光催化氧化技术在有机废水处理领域的应用,已经形成了较为成熟和完善的技术体系。
第五章结论与展望光催化氧化技术作为一种高效、环保的新型处理方法,有望成为有机废水处理领域的重要手段。
光催化降解废水的研究进展
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光催化降解废水的研究进展随着现代工业化的高速发展,废水污染问题也日益突出,成为了大气、水、土壤三大环境污染之首。
废水中的有机物、无机离子、重金属离子等对环境和人类健康都有很大的危害,因此,寻找一种高效的处理废水的方法是非常必要的。
光催化技术正是一种有前景的废水处理方法,其通过光激发催化剂在表面上形成氧化物簇,从而将有机污染物氧化分解成无害物质。
光催化技术具有无毒、无害、易操作等优点,因此在废水处理领域中备受瞩目。
一、光催化废水处理原理光催化技术主要分为三个步骤:催化剂的激活、光催化作用、降解产物的处理。
催化剂的激活是指催化剂在光照下吸收能量,从而提高其在表面上的化学反应能力。
光催化作用是指污染物在光照下吸收足够的能量,从而激发其光化学反应过程,产生一系列多种的中间产物。
降解产物的处理则是指将有毒有害的中间产物降解成无毒无害的产品,从而避免对环境和人体的危害。
1、催化剂的激活光催化反应需要一个催化剂来激活,常用的催化剂有二氧化钛、氮化硼和碳化硅等。
其中二氧化钛是最常用的催化剂,其表面上的电子结构能够吸收可见光和紫外光,从而激发出高活性的电子和正孔。
2、光催化作用光催化反应发生在催化剂表面上,其原理为:在光照下,催化剂表面上的电子被激发成电子激子和正孔,电子激子具有强氧化能力,而正孔在两相界面上具有缺陷态,可以吸附有机物和水分子。
当有机物分子被光激活的电子吸附后,也会被快速地氧化分解成较小的中间产物。
3、降解产物的处理在光催化作用下产生的中间产物是有机酸、CO2、H2O等,这些产物必须通过一些方法进行降解处理。
目前最常用的方法是利用生物处理技术,将其降解成无毒无害的物质。
二、光催化废水处理的优势和局限性与传统的废水处理技术相比,光催化技术具有以下优势:1、高催化效率,寿命长光催化废水处理技术特别适合在有机废水处理和高有毒废水处理方面应用。
光催化可使有毒物质被彻底分解、降解。
2、操作简单,工艺流程短光催化废水处理技术具有易操作,工艺流程简单等优点,不需要使用高压、高温和特殊的反应器设备。
电催化氧化技术降解水中有机物的研

电催化氧化技术的应用局限性
不溶性电极PbO 不溶性电极PbO2 的氧化能力虽然 高于石墨电极, 高于石墨电极,但是因为其电催化性 能较低, 能较低,对难氧化分解的有机物的效 果也不理想。 果也不理想。来自电催化氧化技术的应用局限性
目前用于废水处理的电极种类不多, 目前用于废水处理的电极种类不多,而 种类不多 且也因电极材料的限制致使其使用寿命不长 使用寿命不长, 且也因电极材料的限制致使其使用寿命不长, 即便是氧化物修饰电极, 即便是氧化物修饰电极,虽然在废水处理中 的效果良好,但其工作寿命也只有几天。 的效果良好,但其工作寿命也只有几天。这 些都进一步限制了电催化氧化方法在生物难 降解水中有机物的广泛应用。 降解水中有机物的广泛应用。
电催化氧化技术的应用局限性
目前常采用的电极仍然是石墨、 目前常采用的电极仍然是石墨、 石墨 铝板、铁板、不锈钢和一些 和一些不溶性 铝板、铁板、不锈钢和一些不溶性 电极如 及一些贵金属 Pt等 贵金属如 电极如PbO2,及一些贵金属如Pt等。
电催化氧化技术的应用局限性
石墨电极强度较差, 石墨电极强度较差,在电流密度 强度较差 较高时电极损耗较大,电流效率低。 较高时电极损耗较大,电流效率低。 铝板或铁板为可溶性电极 为可溶性电极, 铝板或铁板为可溶性电极,电极 本身材料消耗量大,成本高, 本身材料消耗量大,成本高,因此产 生的污泥量也大。 生的污泥量也大。
电催化氧化技术的应用
处理水中胺类有机物
在含胺废水中,一般采用PbO2作阳 在含胺废水中,一般采用PbO 苯胺很容易去除 很容易去除, 极,苯胺很容易去除,但想要进一步 则比较困难。 氧化成 CO2,则比较困难。
电催化氧化技术的应用
处理染料的装置
电催化氧化技术的应用
光催化降解有机污染物的研究与应用
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光催化降解有机污染物的研究与应用近年来,随着环境污染问题日益突出,寻找有效的治理手段成为全球环境领域的热点。
光催化技术作为一种具有潜力的治理方法,引起了广泛的关注和研究。
光催化技术利用光照下催化剂吸收光能,产生活性氧物种,在催化剂的作用下,将有机污染物分解为无害的物质。
本文将对光催化降解有机污染物的研究进展及应用进行探讨。
一、光催化降解有机污染物的原理光催化降解有机污染物的原理主要包括光吸收、载流子产生和催化反应三个过程。
首先,光催化剂通过吸收可见光或紫外光,将光能转换为化学能。
接着,在光催化剂表面发生光生电子和光生空穴的产生,形成活性氧物种。
最后,活性氧物种与有机污染物发生氧化还原反应,将有机污染物降解为无害的物质。
二、光催化降解有机污染物的催化剂光催化降解有机污染物的催化剂种类繁多,常见的包括二氧化钛、氮化铟、硫化镉等。
其中,二氧化钛是目前应用最广泛的催化剂之一。
它具有良好的光吸收能力、高的光电子转换效率和稳定性。
此外,钨酸盐和金属氧化物等复合催化剂在光催化降解有机污染物中也有重要的应用。
三、光催化降解有机污染物的影响因素光催化降解有机污染物的效率受多种因素的影响,包括催化剂类型、光源强度、溶液pH值、有机污染物浓度等。
催化剂的选择和使用条件的优化对光催化降解效果具有重要影响。
此外,光源的选择和光强度的调节也是影响光催化降解效率的重要因素。
四、光催化降解有机污染物的研究进展目前,光催化降解有机污染物的研究主要集中在两个方面:一是优化催化剂的性能,提高催化活性和稳定性;二是优化反应条件,提高光催化降解的效率和经济性。
一些研究者通过改变催化剂结构和制备方法,改进了催化剂的性能。
同时,一些新型光催化剂的研制也取得了重要进展。
此外,一些研究者还通过控制光催化反应条件,包括光源强度、光照时间和溶液pH值等,提高了光催化降解效率。
五、光催化降解有机污染物的应用前景光催化技术在有机污染物降解领域具有广阔的应用前景。
光催化降解有机污染物进展
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光催化降解有机污染物进展近年来,随着环境污染问题的日益严重,寻找高效且环保的处理方式成为了全球范围内的研究热点。
在这方面,光催化技术因其高效、可控和无污染等特点备受关注。
光催化降解有机污染物已取得了一系列重要的进展,本文将对这些进展进行综述。
1. 光催化技术的基本原理光催化技术基于一种特殊的光反应过程,其基本原理是利用半导体光催化剂在可见光或紫外光的照射下,通过光生电子-空穴对来催化物质的降解。
在这一过程中,光生电子和空穴对可以参与氧化还原和自由基反应,从而分解有机污染物为无害的物质。
2. 光催化降解有机污染物的机制在光催化过程中,光生电子和空穴对的生成和反应是实现有机污染物降解的关键。
光催化剂通常采用二氧化钛(TiO2)或氧化锌(ZnO)等半导体材料,它们具有良好的光催化性能和稳定性。
当光子能量大于光催化剂带隙宽度时,可激发电子从价带跃迁至导带,产生光生电子与空穴对。
光生电子具有较强的还原能力,可以还原有机污染物。
空穴对则具有强氧化性,可以氧化有机污染物,或与溶液中的氧分子产生氧化反应。
通过这些反应,有机污染物最终被分解为二氧化碳、水和无害的无机物。
3. 光催化剂的改性与优化为提高光催化降解效率,研究人员对光催化剂进行了改性与优化。
一方面,利用复合材料、掺杂和修饰等方法,可以增强光催化剂的光吸收性能,扩大光响应范围。
例如,将二氧化钛与石墨烯复合,可以提高光催化剂的电子传导性能,同时增强光吸收和光生电子的活性。
另一方面,改变光催化剂的形貌结构和晶体结构,也能够增加其表面积和活性位点数量,提高光催化性能。
4. 光催化反应条件的优化除了光催化剂的改性,光催化降解有机污染物的反应条件也需要进行优化。
光催化剂的光照强度、反应温度和溶液pH值等参数对光催化反应的效果具有重要影响。
适当提高光照强度和反应温度,可以增加光生电子与空穴对的生成速率,进而提高降解速度。
调节溶液pH值,则能够影响光催化剂表面的电荷分布和吸附效果。
光电半导体材料的光催化降解技术在环境污染治理中应用前景
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光电半导体材料的光催化降解技术在环境污染治理中应用前景近年来,随着环境污染问题日益严重,寻找有效的治理方法成为全球关注的焦点。
光电半导体材料的光催化降解技术作为一种新兴、有效的环境治理方法,正逐渐引起人们的关注。
它利用光电半导体材料的光催化效应,通过光子能的激发,将有害污染物分解为无害的化合物,实现环境污染的净化和治理。
本文将对光电半导体材料的光催化降解技术在环境污染治理中的应用前景进行讨论。
首先,光电半导体材料的光催化降解技术具有广泛的应用前景。
光电半导体材料的光催化降解技术可以用于处理水污染、空气污染以及土壤污染等多种环境污染问题。
在水污染治理中,通过光催化降解技术可以高效地分解水中的有机物、有害毒素和重金属离子,从而净化水质。
在空气污染治理中,光催化降解技术可以利用阳光或人工光源激发光电半导体材料产生活性氧自由基,进而将空气中的有害气体如二氧化硫、一氧化氮和挥发性有机物等降解为无害物质。
在土壤污染治理中,光催化降解技术可以通过光催化材料吸附和分解土壤中的有害有机物,达到土壤修复和重金属离子去除的目的。
因此,光电半导体材料的光催化降解技术具有很大的应用潜力,在解决环境污染问题上展现出独特的优势。
其次,光电半导体材料的光催化降解技术具有高效和可再生的特点。
相对于传统的水处理和空气净化方法,光催化降解技术具有处理效率高、处理时间短的优势。
光催化降解技术通过光子能的激发,可以激发光电半导体材料表面的光生电子和空穴,从而产生活性物种如·OH自由基,这些活性物种具有较强的氧化还原能力,可以快速降解有害物质。
此外,光电半导体材料的光催化降解技术可通过太阳能等自然光源进行激发,具有可再生的特点,不需要外部能源供应,因此具有较低的运行成本和环境友好性。
这使得光催化降解技术成为一种极具潜力和可行性的环境治理方法。
然而,光催化降解技术在应用中仍面临一些挑战。
首先,光催化降解技术对光电半导体材料的选择较为严格,需要具备高的光催化反应活性和光稳定性。
光催化降解废水技术的研究与优化
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光催化降解废水技术的研究与优化随着工业化进程的不断加快和人们生活水平的提高,废水排放问题日益凸显。
废水中含有大量的有机物、重金属、色素等有害物质,对环境和人类健康带来威胁。
因此,如何有效降解废水中的有害物质,一直是环保领域研究的重要课题。
光催化降解废水技术是一种新型的治理废水的方法,其利用半导体光催化原理,通过吸收光子激活催化剂,达到降解废水中有害物质的目的。
该技术具有高效、环保、无二次污染等优点,近年来引起了广泛关注。
光催化降解废水技术的基本原理光催化技术是利用光催化剂吸收太阳光中的光子,进而激发电荷,使其具有氧化还原能力,从而实现有害物质的降解。
半导体是目前光催化剂中应用最广泛的一种,其具有较高的光吸收率和光电转化效率。
光催化降解废水技术的步骤包括废水预处理、光催化反应和废水后处理。
废水预处理主要是为了去除废水中的悬浮固体和杂质,避免对后续的催化反应造成干扰;光催化反应则是将经预处理后的水与光催化剂接触,利用光照使光催化剂激发电荷,通过氧化还原反应从而降解有害物质;废水后处理则是去除催化剂残留和产生的化学产物,保证废水达到国家环保标准。
优化光催化降解废水技术的因素光催化降解废水技术的效果和效率受到多种因素的影响。
光催化剂选择是影响光催化效率的关键因素之一,其中最常用的是二氧化钛。
二氧化钛具有较高的光吸收率和稳定性,被广泛应用于光催化降解废水技术中。
另外,光照强度和光照时间也是影响光催化效率的重要因素之一,针对具体废水的降解需求,可以合理调整这两个参数。
废水的pH值也是光催化效率的重要影响因素之一。
一般来说,废水的pH值在7-9之间时,降解效率最高。
此外,废水中的有机物质种类和浓度、温度和气氛等因素也会影响光催化效果。
因此,在具体操作过程中,需要综合考虑多个因素,并在不同情况下进行光催化效率的优化调整。
未来光催化降解废水技术的发展方向目前,光催化降解废水技术已经得到了广泛应用,并在不断完善优化中。
光催化氧化技术在油田废水处理中的应用及研究进展
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光催化氧化技术在油田废水处理中的应用及研究进展油田废水是指在油气开采过程中产生的含油废水,含有大量的石油烃类、酚类、酚醛树脂、酚酮类等有机化合物,具有高毒性、高难降解性和高浓度的特点。
传统的油田废水处理技术如物理化学方法、生物处理方法等存在处理效率低、处理成本高、处理过程复杂等问题,而光催化氧化技术具有处理效率高、处理时间短、无二次污染等优势,因此在油田废水处理中具有广阔的应用前景。
近年来,光催化氧化技术在油田废水处理中的研究取得了一系列的进展。
首先,研究人员通过改进光催化剂的结构与性质,提高其光催化活性和稳定性。
例如,利用纳米材料如二氧化钛(TiO2)和二氧化硅(SiO2)制备复合催化剂,充分发挥了二氧化钛和二氧化硅的光催化特性,提高了废水处理效果。
其次,研究人员探索了不同的光催化氧化反应体系,如紫外光催化、可见光催化和光电催化等,以适应不同废水的处理要求。
紫外光催化是最早应用于废水处理中的一种光催化氧化技术,但其受到紫外线的限制和高能消耗的问题,因此可见光催化和光电催化成为了研究的热点。
最后,研究人员还结合其他技术,如电化学和催化剂修饰等,进一步提高了光催化氧化技术的处理效果。
例如,通过电化学方法调控光催化反应过程中的电子转移和提高催化剂的导电性能,增强了废水中有机污染物的降解效果。
总之,光催化氧化技术在油田废水处理中具有较大的应用潜力。
未来的研究可集中在改进光催化剂的活性和稳定性、优化反应体系的条件和提高光催化技术的工业化水平等方面。
此外,需要将光催化氧化技术与其他废水处理技术相结合,形成综合的废水处理方案,进一步提高油田废水处理的效果和经济性。
光催化氧化技术在水处理中的应用及研究进展
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光催化氧化技术在水处理中的应用及研究进展摘要:介绍了光催化氧化的机理,就TiO2固定化制备、改性、光催化氧化在降解废水中有机污染物、无机污染物以及饮用水处理中的研究进展进行了阐述,提出了今后的发展方向。
关键词:纳米二氧化钛,光催化氧化,水处理,研究进展光催化氧化技术是一种新兴的水处理技术。
1972年,Fu- jishima和Honda[1]报道了在光电池中光辐射TiO2可持续发生水的氧化还原反应,标志着光催化氧化水处理时代的开始。
1976年, Carey等[2]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。
1TiO2光催化剂的特性及光催化氧化机理TiO2有锐钛矿型、金红石型和板钛矿型三种晶型。
同样条件下,锐钛矿型的催化活性较好。
在众多光催化剂中,TiO2是目前公认的最有效的半导体催化剂,其特点有:化学性质稳定,能有效吸收太阳光谱中弱紫外辐射部分,氧化还原性极强,耐酸碱和光化学腐蚀,价廉无毒。
目前对光催化的机理研究尚不成熟,一般认为光催化氧化法是以N型半导体的能带理论为基础。
TiO2属于N型半导体,其能带是不连续的,在充满电子的低能价带(VB) 和空的高能导带(CB)之间存在一个禁带,带隙能为3.2 eV,光催化所需入射光最大波长为387.5 nm。
当λ≤387.5 nm 的光波辐射照射TiO2时,处于价带的电子被激发跃迁到导带,生成高活性电子(e-),同时在价带上产生相应的空穴(h+),从而形成具有高度活性的电子/空穴对,并在电场作用下分离,向粒子表面迁移,既可直接将吸附的有机物分子氧化,也可与吸附在TiO2表面的羟基或水分子反应生成氧化性很强的活性物质氢氧自由基·OH。
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第1卷第4期2002年12月 江南大学学报(自然科学版)Journal of Southern Yangtze U niversity(N atural Science Edition) Vol.1 No.4Dec. 2002 文章编号:1671-7147(2002)04-0365-05 收稿日期:2002-04-15; 修订日期:2002-07-09.作者简介:朱振中(1963-),男,安徽安庆人,发酵工程在职博士研究生,副教授.半导体光催化氧化反应降解废水中有机污染物的研究进展朱振中1, 陈坚2(1.江南大学化学与材料工程学院,江苏无锡214036;2.江南大学生物工程学院,江苏无锡214036)摘 要:介绍了一种降解废水中有机污染物的高效氧化方法(AOP )———半导体光催化氧化法及其作用原理与反应机理;总结了近年来提高半导体光催化效率的方法:半导体光催化剂的改性、光催化剂的固定化、加电子接受剂或空穴接受剂,特别是采用AOP 与生化降解法相结合的方法,使废水的处理更经济、有效.综述了近两年该技术在处理废水中有机污染物方面的应用.关键词:废水;半导体;光催化氧化;有机污染物;光催化效率中图分类号:X 703文献标识码:AR ecent Progress in the R esearch on Semiconductor Photocatalytic Oxidationto Degrade Organic Pollutants in W aste w aterZHU Zhen 2zhong 1, CHEN Jian 2(1.School of Chemical and Material Engineering ,S outhern Y angtze University ,Wuxi 214036,China ;2.School of Biotechnology ,S outhern Y angtze University ,Wuxi 214036,China )Abstract :The article presents the principle and reaction mechanism of the advanced oxidation process(AOP )—semiconductor photocatalytic oxidation to degrade organic pollutants in wastewater.We also summed up some methods ,such as semiconductor photocatalysts modification ,photocatalysts immobi 2lization and the addition of electron scavengers or hole scavengers to improve semiconductor photo 2catalytic efficiency.When combining AOP with biodegradation ,the treatment of wastewater will be more effective and more economical.Some of AOP applications in treating wastewater in the last two years are also presented.K ey w ords :wastewater ;semiconductor ;photocatalytic oxidation ;organic pollutants ;photocatalytic efficiency 有关半导体光催化氧化特性研究始于1971年[1],但引起人们对半导体光催化氧化还原反应研究兴趣的还是1976年Carey J H 等的报导[2].Carey 等的研究表明,在TiO 2悬浊液中,多氯联苯经近紫外光照射0.5h 即可脱氯.从此,有关光催化的研究报告、专著和综述文章越来越多[3,4].目前,半导体光催化消除和降解废水中有机污染物,特别是一些生物难降解的有机污染物,已成为环境科学领域最为活跃的研究方向之一.1 半导体光催化作用原理当光子能量高于半导体带隙能(如TiO 2,其带隙能为3.2eV )的光照射半导体时,半导体的价带电子发生带间跃迁,即从价带跃迁到导带.从而使导带产生高活性的电子(e -),而价带上则生成带正电荷的空穴(h +),形成氧化还原体系.对TiO 2催化氧化反应的研究表明,光化学氧化反应的产生主要由于光生电子被吸附在催化剂表面的溶解氧俘获,空穴则与吸附在催化剂表面的水作用,两者都产生具有高活性的羟基自由基・OH.而・OH 具有很强的氧化性,可以氧化许多难降解的有机化合物(R ).如图1(a )所示.当有机物为高敏化合物(如染料)时,其光催化降解途径为:有机物(R )首先吸附在TiO 2表面,受光照射后,该化合物被激活,处于激发态的化合物给出一电子到TiO 2的导带上,形成光生电子(e -),而自身通过一系列光解反应而降解.如图1(b )所示.图1 TiO 2光催化降解原理Fig.1 Principle of TiO 2photocatalytic degrad ation2 半导体光催化反应机理TiO 2在适当能量光的照射下就会快速产生光生电子和空穴.它们既可能重新结合,也可能分别与TiO 2表面吸附的溶解氧、H 2O 和OH -作用,形成高活性的・OH.若・OH 是光催化反应体系的主要氧化剂,则・OH 与有机物分子的反应就可能有以下4种:吸附的・OH 与吸附的有机物分子反应;游离于溶液中的・OH 与吸附的有机物分子反应;吸附的・OH 与游离于溶液中的有机物分子反应;游离于溶液中的・OH 与游离于溶液中的有机物分子反应.因此,TiO 2光催化降解有机污染物的反应机理可表示如下:激发:TiO 2hve -+h +重合:e -+h +热俘获:├O 2+e -├・OH |+・OH ├OH -+h +├・OH +・OH ├H 2O +h +├・OH|+・OH自由基进攻:(1)├・OH +├Org ├prod (2)・OH +├Org ├prod(3)├・OH +Org├prod (4)・OH +Org├prod其中:├表示催化剂表面的吸附.3 提高半导体光催化效率的方法3.1 半导体光催化剂的改性光催化剂是光催化氧化过程得以进行的关键,因此光催化剂活性的高低是光催化氧化反应是否实用的一个决定性因素.光催化剂在适当光能的作用下产生光生电子2空穴对,它们分别与吸附在催化剂表面的O 2及H 2O 作用,形成高活性的羟基自由基・OH.但光生电子和空穴产生后,除上述作用外,还存在着很高的复合率,从而导致光催化的量子效率很低.因此,为了提高量子效率或催化剂的催化活性,必须对半导体光催化剂进行改性.改性的主要目的是:促使光生电子与空穴的分离,抑制其复合,从而提高量子效率;扩大激发光的波长范围,以便充分利用太阳能;提高光催化剂的稳定性.目前,有数种常用的半导体光催化剂的改性技术.3.1.1 钠米光催化剂1据Maira [5]等的研究,随着TiO 2粒径的降低,其吸收光谱发生蓝移,催化活性随之增强.粒径为6nm 的TiO 2,其降解甲苯的活性比其它粒径(11nm 、16nm 和20nm )的高,这是由于电子及尺寸量子效应所致.Kang 等[6]的研究表明,钠米TiO 2的制备方法不同,所得催化剂的催化活性也不同.对催化降解CHCl 3过程的研究发现,由热溶剂法制备的TiO 2,其催化活性比由sol 2gel 法所制备的高.但王怡中等[7]对不同粒径的催化降解进行了甲基橙的试验,表明并非催化剂的粒径越663 江南大学学报(自然科学版) 第1卷小,其催化活性就越高.由此说明,催化剂的粒径、制备方法等是影响其催化活性的重要因素,但催化剂总的催化效率还与其它一些影响因素(如被降解物的类型与结构、催化剂表面的物理化学性质、光源类型、光照强度、光照时间、溶液的酸度等)密切相关.3.1.2 催化剂表面贵金属沉积1贵金属半导体光催化剂表面的沉积[8]可以采用浸渍还原法,即将催化剂颗粒浸渍在含有贵金属盐的溶液中,然后将浸渍颗粒在惰性气体保护下用氢气高温还原;也可采用光还原法,即催化剂颗粒浸渍在含有贵金属盐和有机物(如醋酸、甲醇等)溶液中,然后在紫外光照射下,贵金属被还原而沉积在催化剂表面.最常用的沉积贵金属是Pt,Au,Ru,Ag等.贵金属的沉积普遍提高了催化剂的光催化活性,包括水的分解、有机物的氧化以及贵金属的氧化等.催化活性的提高以及可利用的激发光波长的扩展是由于半导体催化剂表面与贵金属接触时,光生载流子重新进行分布.电子从费米能级较高的半导体转移到费米能级较低的金属,直到它们的费米能级相等,从而形成肖特基势垒.所形成的肖特基势垒就成为俘获光生电子的有效陷阱,因而抑制了光生电子与空穴的复合.而Beydoun等[9]则认为半导体表面所沉积的金属与半导体形成了一个短路微电池,电子流向金属电极,而空穴则将液相中的有机物氧化,从而降低了电子与空穴的复合率.3.1.3 金属离子掺杂1采用浸渍后高温焙烧、光辅助沉积等方法,可将金属离子掺杂于半导体催化剂中[8,10].掺杂的金属离子不同,所引起的变化也不一样,有些金属离子有利于提高光量子效率,而有些则效果不佳,甚至是有害的.这是由于某些金属离子能有效地俘获催化剂表面半导体导带中的电子,从而降低了电子与空穴的复合速率,并有可能使掺杂后催化剂的吸收波长范围扩展至可见光区. 3.1.4 复合半导体1近年来的研究表明,复合半导体(主要是二元半导体)几乎表现出高于单个半导体的光催化性质,有些还能使激发光的波长范围扩展到可见光[11,12].如:TiO22SnO2、TiO22WO3、TiO22 SiO2、TiO22MnOx等.二元复合半导体光活性的提高可归因于不同能级半导体之间光生载流子的迁移和分离.如TiO22CdS复合半导体,当激发光能足够时,TiO2和CdS同时发生带间跃迁.由于两者之间导带和价带能级的差异,光生电子聚集在TiO2的导带,而空穴则聚集在CdS的价带,这样光生载流子得到了分离,从而提高了量子效率,如图2(a)所示.当激发光能较小时,只有CdS发生带间跃迁,所产生的光生电子迁移至TiO2的导带,从而使光生载流子得到分离,如图2(b)所示.图2 复合半导体中载流子的迁移Fig.2 E lectron2hole pairs migration in coupledsemiconductor3.1.5 半导体光催化剂的光敏化 半导体光催化剂的光敏化即将光活性(敏化)物质以物理或化学方法吸附于半导体光催化剂的表面[13,14].常用的光敏化剂大多为染料,如曙红、劳氏紫、酞菁、玫瑰红、卟啉等.这些光敏化剂的使用,不仅扩展了半导体的激发光波长范围,而且它们的量子效率也很高(在30%~80%之间).光敏化物质受光照激发后,处于激发态的活性物质的氧化电势比半导体导带的电势更负,两者之间存在的电势差就使得光生电子注入到半导体的导带中,从而使量子效率大大提高.光敏化物质(S)、半导体和有机污染物(R)之间的电子传输如图3所示.图3 光敏化过程中电子的传输Fig.3 E lectrons transformation of photosensitization3.2 光催化剂的固定化在光催化降解过程中,半导体光催化剂的使用方式主要有两种:悬浮态和固定态.悬浮态就是将催化剂以粉末状均匀悬浮于反应液中.由于几乎没有传质阻力,且催化剂颗粒有较大的比表面积,故有机污染物与催化剂颗粒表面763第4期朱振中等:半导体光催化氧化反应降解废水中有机污染物的研究进展能充分接触或易于转移,这样就有较高的催化效率.但由于催化剂活性成分损失较大,后期催化剂的分离和回收过程较繁,同时悬浊液中溶剂对光的穿透性(或光强)以及其它化学组分对光吸收的影响,使得出现催化效率随溶液浓度的增加而减弱等问题,使其很难在实际水处理中广泛应用.固定态就是用适当的方法将催化剂固定在合适的载体上[15,16].用以固定催化剂的载体一般有透光玻璃(片、管、环、珠),石英纤维,石英颗粒,沸石,粘土,聚四氟乙烯,不锈钢,合金等.将催化剂固定在载体上的方法也较多,如:溶胶2凝胶法(sol2gel)、电泳、电化学沉积法、PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)等.其中溶胶2凝胶法使用较多,也是较为理想的固定的催化剂方法之一.因为用此法可以由多种粒径和类型的载体来制备催化剂薄膜,且膜的厚度、均匀性、结晶性等都较易控制,制备技术也较简单.但是催化剂的固定化在解决了悬浮态存在问题的同时,也产生了新的问题.如有机污染物与催化剂接触的有效表面积有限,且存在传质阻力,故催化效率较悬浮态的低.但这些问题可通过设计和选择适当载体和反应器来解决.目前,载体的选择及催化剂固定化技术的研究已成为半导体光催化研究的一个重要方面.3.3 协助提高光催化降解效率的其它方法3.3.1 加电子接受剂或空穴接受剂1如在光照之前,加入适量H2O2,Fe3+,O3及一些有机阴离子等可以促进某些有机污染物的降解[17,18].所加试剂称为电子接受剂或空穴接受剂.它们是羟基自由基・OH的前驱体或者能够引发・OH以及其它氧化剂的产生,从而使光催化效率或矿化速率提高;同时其自身所分解的产物是无毒的.3.3.2 与生化降解相结合 某些有机污染物经光催化氧化后,可降解成许多中间体,而完全矿化则较难或需要较长时间.一些降解所生成的中间体的毒性甚至比其母体的毒性更大.若将光催化氧化与生物氧化处理结合起来,就有可能将有机污染物更有效地完全矿化.Li等[19]在处理染料废水时,采用了先光催化降解(将某些难生物降解的有机物转化成可生物降解的物质)后进行生物降解,或者先生物降解(去除那些可生物降解的物质)后进行光催化降解的方法,可处理较高浓度的染料废水,并使处理后的废水再利用.蒋伟川等[20]对实际印染废水的处理结果表明,废水经生化处理后,原来较难降解的有机物转化成了易于光降解的物质,从而使光降解更易进行,COD去除率及脱色率均得到提高.4 半导体光催化反应的应用利用半导体光催化氧化反应可以消除和降解水中多种有机污染物,如染料、杀虫剂、表面活性剂、含氮及芳香族化合物、有机酸、多聚物和微生物等.表1为近两年来该方法在废水处理方面的一些应用.表1 半导体光催化反应的应用T ab.1 Some applications of photocatalytic degrad ation水中污染物有机物催化剂光源参考文献染料亚甲蓝(MB)Au2Au3+2TiO2可见光[8] RB5TiO2悬浮液汞灯[21] R15;阳绿X2GRL TiO22SiO2汞灯[22]联偶氮活性染料TiO2UV或太阳光[23]杀虫剂Vapam TiO2太阳光[24]有机磷农药TiO2太阳光[25]表面活性剂BS TiO2太阳光[26]DBS TiO2/O TE薄膜电极汞灯[27]含氮及芳香族化合物乙醇胺类化合物TiO2汞灯[28] 22联苯酚TiO2、ZnO紫外光[29]对氯苯甲酸钠TiO2高压汞灯[30]氯苯类化合物MnO/TiO2紫外光[12]有机酸甲酸Fe/TiO2氙紫外灯[31]多聚物聚乙烯吡咯烷酮TiO2汞灯[32] 863 江南大学学报(自然科学版) 第1卷5 结 论半导体光催化氧化技术有其突出的优点:在常温、常压下反应,条件温和;可将有机物降解成无毒的无机物;使处理后的废水可循环利用,因此越来越受到人们的重视.尽管近30年来国内外对此项技术进行了大量的研究,也取得了一定的进展,但与实用化还有较大的距离.其中筛选和制备高效光催化剂以及设计开发高效多功能集成式实用光化学反应器是该项技术的研究核心.只有在这方面进行不懈努力,才有可能使半导体光催化氧化技术早日成为高效实用的环境保护技术.参考文献:[1]FUJ ISHIMA A ,HONDA K.Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode[J ].N ature ,1972,37(1):238-245.[2]CAREY J H.Photodechlorination of PCB ’s in the presence of titanium dioxide in aqueous suspensions[J ].Bull of E nvironContam Toxic ,1976,16(6):697-701.[3]KERZHEN TSEV M ,GU ILLARD C ,HEMNANN J M ,et al .Photocatalytic purification and treatment of water and air[M ].New Y ork :Elsevier ,1993.[4]HOFFMANN M R ,MARTIN S T ,CHOI W ,et al.Environmental application of semiconductor photocatalysis[J ].ChemR ev ,1995,95(1):69-96.[5]MAIRA A J ,YEUN G K L ,SORIA J ,et al.G as 2phase photo 2oxidation of toluene using nanometer 2size TiO 2catalysts[J ].Applied C atalysis B :E nviron ,2001,29(4):327-336.[6]K AN G M ,L EE S Y ,CHUN G C H ,et al.Characterization of 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