光催化在治理环境污染中的应用

光催化在治理环境污染中的应用

摘要

随着工业的不断发展，环境污染日益严重，传统水处理工艺中的物理、生物方法不能满足水处理的需要。光催化反应的应用研究已在有机物降解、水质处理、环境保护等领域广泛展开, 利用日光进行光催化反应是光催化反应应用研究的重要课题。光催化技术为彻底解决水污染问题提供了新的手段，它在环境污染治理中有广阔的应用前景。

关键词:光催化，环境污染，应用PHOTOCATALYTIC APPLICATIONS IN

CONTROLLING ENVIRONMENTAL

POLLUTION

ABSTRACT

With the continuous development of industry, the increasingly

serious environmental pollution, conventional water treatment processes in the physical, biological methods can not meet the needs of water treatment. Applied Research of the photocatalytic reaction in organic matter degradation, water treatment, environmental protection and other fields are widely expand use of the sunlight photocatalytic reaction of the important issues of the application of photocatalytic reaction. Photocatalytic technology provides a new means to completely solve the problem of water pollution, it has broad application prospects in environmental pollution control.

KEYWORDS: photocatalytic,environmental pollution,application

前言

全球性的环境污染及生态破坏, 许多有毒有害的有机污染物被水体和土壤自净的速度很慢而净化不彻底, 并且在水体中存在时间长、范围广, 对人类潜在影响很大, 如许多有机物或其降解的中间产物具有致癌、致畸、致突变三致性, 这些有机污染物采用传统的生物处理工艺已难以去除.迫使人们对环境问题给以足够的关注, 并研究和开发出一系列用于环境污染物治理的新技术和新方法,光催化技术作为其中一种新兴的环境净化技术,其实用化的研究和开发已受到广泛的重视。[1]

光催化氧化法处理、净化受污染水体的方法是一种高级氧化技术其研究和应用是近30 年来迅速发展的一个新领域, 对许多有毒有害的有机污染物的处理均显示出其独特的优势, 如氧化降解水体中不饱和有机化合物、芳烃、卤化烃、芳香类化合物、杂环化合物、染料、表面活性剂有机氮磷农药等. 光催化能将难降解有机污染物氧化、分解, 直至H2O、CO2和无机盐等, 使有机物部分或完全矿物

质化( 矿化) , 从而达到污染物无害化处理的要求.目前,用于光催化降解环境中污染物的催化剂多为N型半导型材料, 如T iO2、ZnO、CdS、WO3、SnO、Fe2O3等, 其中TiO2 因其活性高、稳定性好, 对人体无害而成为最受重视的一种光催化剂。实验表明, T iO2至少可以经历12 次的反复使用而保持光分解效率基本不变, 连续580 分钟光照下保持其活性, 因而将其投入实际应用有着广阔的发展前景。本文系统阐述纳米T iO2的制备、光催化净化机理、及在大气污染和水污染治理中的应用。

1TiO2 光催化净化机理及优势

1.1机理

TiO2属于一种N 型半导体材料, TiO2的禁带宽度为3. 2eV, 当它的波长小于或等于387. 5nm, 价带中的电子就会被激发到导带上, 形成带负电的高活性电子e- , 同时在价带上产生带正电的空穴h+ ( h+ 的氧化电位以标准氢电位计为3. 0V, 比起氯气的1. 36V 和臭氧的2. 07V, 其氧化性要强得多) 。在电场的作用下, 电子与空穴发生分离, 迁移到粒子表面的不同位置。分布在表面的空穴h+ 可以将吸附在TiO2的OH- 和H2O 分子氧化成羟基自由基( ·OH) 。其作用机理可用以下反应式说明:[2]

羟基自由基( ·OH) 的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的, 能氧化大多数的有机污染物及部分无机污染物, 将其最终降解为CO2、H2O等无害物质, 为使反应体系中有足够的羟基自由基( ·OH) 就必须防止电子和空穴的复合, 因此可以在体系中额外加入一些强氧化剂作为电子受体如K2S2O8、H2O2、O3等能够俘获催化剂表面的电子, 尽可能削弱如( 7) 所示的复合过程的进行。而另一方面TiO2表面高活性的电子e- 则具有很强的还原能力, 可以还原除去水体中的金属

离子, 其过程可以表示为:Mn+ ( 金属离子) + ne- M0 ( 8)这里同样要考虑电子和空穴的复合问题, 为此可以加入一些空穴俘获剂如甲醇, 从而使体系中有足够的高活性的电子e- 。体系选用的光催化剂TiO2之所以为纳米级主要考虑以下两方面的影响: 一方面从光催化机理上分析, 物质的降解速度必然与光生载流子电子和空穴的浓度有关。而纳米级的T iO2 随着粒径的减小, 表面原子迅速增加, 光吸收效率提高, 从而增加表面光生载流子的浓度, 另一方面催化反应的速率与物质在催化剂上的吸附量有关, 随着晶粒尺寸的减小, 比表面增大, 表面键态和电子态与颗粒内部不同, 表面原子的配位不全导致表面活性位置增多, 因而与大粒径的同种材料相比, 活性更高, 有利于反应物的吸附, 从而增大反应几率。

1.2优势

由于光催化氧化法对于水中的烃、卤代有机物（包括卤代脂肪烃、卤代羧酸、卤代芳香烃）、羧酸、表面活性剂、除草剂、染料、含氮有机物、有机磷杀虫剂等有机物，以及氰离子、金属离子等无机物均有很好的去除效果，一般经持续反应可达到完全无机化。所以半导体光催化氧化技术作为一种高级氧化技术，与生物法和其它高级化学氧化法相比，具有以下

显著优势:[3]

(1) 以太阳光为最终要求的辐射能源，把太阳能转化为化学能加以利用。太阳光，是取之不尽、用之不竭的，因此大大降低了处理成本，是一种节能技术。

(2) 光激发空穴产生的·OH 是强氧化自由基，可在较短时间内成功分解水中难降解有机物在内的大多数有机物，它还能分解水中微量有机物，因此是一种普遍实用的高效处理技术。

(3) 半导体光催化技术具有稳定性高、耐腐蚀、无毒的特点，并且在处理过程中不产生二次污染，从物质循环的角度看，有机污染物能被彻底无机化，因此是一种洁净的处理技术。

(4)对环境要求低，对pH 值、温度等没有特殊要求。

(5) 处理负荷没有限制，即：可以处理高浓度废水，也可以处理轻微污染水源水。

此外，光催化降解不仅能用于治理有机污染，而且能还原某些高价的重金属离子，使之对环境氧化稳度变小。如对含Cr6+水的试验表明，以浓度为2 g/L的WO3/W/Fe2O3的复合光敏半导体为催化剂，用太阳光光照3h，Cr6+浓度由80 mg/L 降为0.1 mg/L，降解率达99.9％。对于复杂的污染体系。如：含有无机重金属离子和有机污染物的污水体系，光催化降解也能将二者同时催化去除。现有研究发现，在光照条件下，以TiO2为催化剂，Cr6+和对氯苯酚这两种污染物能分别发生还原、氧化作用，达到光催化净化的目的。而且，光催化净化还可用于饮用水方面，饮用水水源污染，特别是微量有机物的污染，是自来水行业存在的严重问