浅谈催化剂在污水处理中的应用

浅谈催化剂在污水处理中的应用

摘要环境污染已随着工业的不断发展日益严重,传统水处理工艺中的物理、生物方法在处理量等方面不能满足水经研究结果表明,半导体光催化技术具有高稳定性、耐腐蚀、无毒的特点,在处理过程中不产生二次污染,处理的需要。此时光催化作为一项新兴的水处理技术受到重视。有机污染物能被彻底无机化,因而这是一种洁净的处理技术。光催化技术为彻底解决水污染问题提供新的手段,因此催化剂在污水处理等环境污染治理中具有广阔的应用前景。

关键词光催化;催化剂;污水处理

随着人类的活动,水环境污染问题越来越严重,对污水的处理迫在眉睫,在污水处理中,对催化剂的选用是关键。

1半导体光催化氧化的机理

所谓光化学反应,是只有在光作用下进行的化学反应。该反应中分子吸收光能被激发到高能态,然后电子激发态分子进行化学反应。光化学反应的活化能来源于光子的能量。80年代初,开始了光化学应用于环境保护的研究,其中光化学降解治理污染尤其受到重视,包括无催化剂和有催化剂的光化学降解。前者多采用臭氧和过氧化氢等作为氧化剂,在紫外光的照射下是污染物氧化分解;后者又被称为光催化降解,一般可分为均相、多相两种类型。均相-光催化降解主要以Fe2+或Fe3+及H2O2为介质,通过光助-芬顿(photo-Fenton)反应使污染物得到降解,此类反应能直接利用可见光;多相-光催化降解就是在污染体系中投加一定量的光敏半导体材料,同时结合一定能量的光辐射,使光敏半导体在光的照射下激发产生电子-空穴对,吸附在半导体上的溶解氧、水分子等与电子—空穴作用,生成·OH等氧化性极强的自由基,再通过与污染物之间的羟基加合、取代、电子转移等使污染物全部或接近全部矿化,最终生成CO2,H2O及其他离子如NO3-、PO43-、SO43-、Cl-等。光催化氧化作为一种高级氧化技术。以太阳光为潜在的辐射源,激发半导体催化剂,产生空穴和电子对,用于降解水中的有机物时,光生空穴将产生·OH等强氧化性自由基,可以成功地分解水中难降解有机物在内的大多数污染物,它还具有将水中微量的有机物分解的功能。从物质循环的角度看,它是一种光催化降解技术,是对生物处理法的补充和完善。由于它利用太阳能,从而降低运转成本,因此具有良好的应用前景,为解决水污染提供了新的方法和思路。

2催化剂在污水处理中的应用

R.W.Mathews,Ollis和A.LPruden等用纳米二氧化钛光催化氧化性对水中的苯、一氯苯、1,2-二氯苯、苯酚、邻苯二酚、间苯二酚、对苯二酚、2,4-二氯苯酚、2,4,6-三氯苯酚、二萘酚、硝基苯、苯胺、氯仿、四氯化碳、二氯乙烷、三氯乙烯、乙烯基二胺、甲酸、苯甲酸、苯二甲酸、水杨酸、三氯乙酸、甲醇、乙醇、n-丙酮、醋酸、醋酸乙酯、蔗糖等多种有机污染物进行了研究,结果表明,除硝基苯,四氯化碳,三氯乙烷降解缓慢外,其他物质都能迅速降解。对有机磷的降解

结果表明,在TiO2的悬浊液中,通过光催化氧化,含磷有机物可完全无机化,并能定量的生成磷酸根,同样,含硫有机物通过TiO2光催化氧化,可得到类似的结果,其中硫定量氧化为硫酸根。

对于废水中的无机化合物,纳米二氧化钛的强还原性可将Cr2O73-还原成无毒的Cr2O3,将硫酸根和氮的氧化物还原成单质或无毒低氧化态氧化物,S2-还原成单质S。同时,还可将Pb2+和Mn2+等氧化成相应的高氧化态金属氧化物而沉淀出来。另外,TiO2还可将贵金属、金、铑、钯、铂等在其表面沉积下来,这一技术可以被用来从工业废液中回收贵金属。鉴于以上的研究,湖南智能有限公司研制成功的“J氏法”技术〕,成功将纳米材料用于污水处理,该技术核心是将纳米材料、絮凝剂和杀菌剂加以物化改性,从而形成多元复合高效处理剂,且设计出新颖、简便实用的成套污水处理设备,广泛用于城市污水处理和各类工业废水治理。其优点是净化效率高,药剂费用低,使用方便。如将该技术推广,将会极大地推动水处理事业的发展。

3催化剂的选择

半导体粒子是理想的光催化剂,其中TiO2是目前公认的最有效的半导体催化剂,它的显著优点是:能有效吸收太阳光谱中弱紫外辐射部分,氧化还原性较强,在较大pH 值范围内的稳定性强,价廉无毒。在实际的污染治理中,TiO2催化剂的存在形式主要有两种:悬浮式和固定式。悬浮式是采取搅拌的方式使催化剂与污水充分混合,这样能保持催化剂的固有活性,但有以下不足:TiO2微小颗粒易流失,细小颗粒与废水的分离缓慢且费用昂贵,悬浮粒子对光线的吸收阻挡影响了光的辐照深度。固定式是将TiO2等半导体材料喷涂在多孔玻璃、玻璃纤维、玻璃板或钢丝网上,使污水流经固定的催化剂,并与之作用,以这种形式存在的TiO2不易流失,但催化剂因固定而降低了活性,且运行时需要提高进入反应器的水压,催化剂还存在易淤塞和再生难的问题。另外,研究催化剂的存在状态,使之经济、实效,目前是一项重要的课题。

4光催化应用的前景

近年来,TiO2 的光催化在污水有机物降解方面得到了应用,随着我国各种相关技术的不断提高、科技人员的不懈努力和大量研究经费的投入,光催化这种高级氧化技术定能成为一种有效的废水处理方法。

参考文献

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