TiO2光催化降解染料废水的研究进展

TiO2光催化降解染料废水的研究进展

给水排水01班李陈奕201010130104

【摘要】综述TiO2光催化降解染料废水的研究现状和机理，简单介绍了降解溶液pH、催化剂用量、掺杂物质浓度、煅烧温度以及超声波等因素对降解效果的影响。最后展望TiO2光催化降解染料废水的应用前景。

【关键词】光催化；TiO2；染料；降解；综述

随着染料合成、印染等工业废水的不断排放和各种染料的不断使用，进入环境的染料数量和种类不断增加，染料造成的环境污染趋严重。据统计，全世界大约15％的染料在生产过程中被排放到废水中[1]，而这些有色废水在环境中又会通过氧化、水解以及其它化学反应生成有毒的副产物。采用传统的物理、生化或化学氧化法处理此类废水普遍存在处理周期长、降解速率低等问题，因此如何有效降解染料废水已成为环境学科研究的热点问题。

1 光催化氧化的机理

光催化是指在光催化剂的存在下发生的光诱导反应。光催化剂多为金属氧化物或硫化物。其中TiO2以其无毒、催化活性高、氧化能力强、稳定性好、易于制备和使用等特点最为常用[2]。光催化基本原理是指光催化剂受到大于禁带宽度能量的光子照射后，发生电子跃迁，生成光生电子和空穴对，光生电子具有很强的还原能力，可以还原去除水中的金属离子，而空穴具有极强的氧化性，可对吸附于其表面的污染物进行直接或间接的氧化降解。

2 染料废水的特点

染料分子成分大多是芳烃和杂环化合物，其中除了带有各类显色基团以及极性基团以外，还可能混有各类卤代物、苯胺、酚类及各种助剂，它具有水量大、有机毒物含量高、成分复杂、色度高等特点。另外，染料废水化学需氧量较高，而生化需氧量相对较小，可生化性差。

3 光催化降解染料废水的影响因素

近年来，国内外研究学者对TiO2光催化降解染料废水进行了大量的研究工作，并取得一定进展，本文从其影响因素的角度对这些研究成果进行了较为系统地归纳和总结，总的看来，影响光催化降解有机染料的因素主要有以下几个方面。

3.1 降解溶液pH的影响

降解溶液pH对光催化效果的影响机理很复杂，主要体现在以下三方面：(1)降解溶液pH的变化将影响染料分子在TiO2 表面的吸附；(2)羟基自由基在碱性条件下容易生

成；(3)在酸性溶液中，TiO2 容易发生团聚造成颗粒比表面积降低，从而最终导致其表面吸附染料分子的能力降低。

大量的研究结果表明，不同的有机染料在光催化反应中对溶液pH的要求不同。有的需要在较低的pH下进行光催化降解，有的在较高的pH下进行光催化降解效果明显。

3.2 催化剂用量的影响

研究表明，在TiO2光催化降解偶氮染料系统中，光催化的初始速率随催化剂用量的增加而增大，而催化剂用量过大时会阻碍光在体系中的投射，因而存在最佳用量。

3.3 掺杂物质浓度的影响

研究表明，少量的掺杂物质有助于提高光催化效率，而且掺杂物质浓度通常也存在一个最佳值。如果掺杂浓度过高，则沉积在TiO2 颗粒表面的掺杂物质过多，它们将阻碍TiO2颗粒对光的吸收，从而导致催化效率降低。

3.4 煅烧温度的影响

制备光催化剂TiO2时所采用煅烧温度的高低对光催化剂的催化性能也具有显著影响。Yu[3]采用掺氮TiO2 纳米催化剂降解甲基蓝，研究了催化剂的煅烧温度对其催化效率的影响。结果表明，催化剂的催化活性在500度时达最大值，因为在此温度下，锐钛矿型TiO2 完全晶化(超过500度后，锐钛矿型TiO2 变成金红石型，而金红石型TiO2 催化活性较低)。研究结果也表明，对于掺锌TiO2 催化剂，其催化活性在500度时达最大值，可有效降解罗丹明。而Sun 22在采用Sn／TiO2／AC催化剂降解橙G时却发现煅烧温度为550度时所得催化剂催化活性最佳，此时的XRD结果表明样品中含有锐钛矿型TiO2 和金红石型TiO2 两种晶型。

3.5 超声波的影响

虽然光催化氧化能将染料分子降解矿化为无毒的小分子化合物，但是光生电子空穴易复合、太阳能利用率低、反应速率慢等缺点仍是尚未很好解决的问题，为此人们尝试通过超声波等技术辅助光催化氧化，并且已取得了不错的效果。从近几年国内外的研究成果看，超声辅助光催化氧化能明显提高光催化氧化效果，超声波辐射和光催化之间存在着良好的协同效应。N6stor[4]等采用超声波辅助TiO2 光催化对刚果红和甲基橙进行降解时发现，当超声波功率为80W时，超声波与光催化存在协同效应，比单独采用TiO2光催化时的降解效率明显提高。Antonia等采用超声波辅助TiO2光催化技术对碱性品蓝的降解效果进行了研究。结果也发现超声波辅助TiO2光催化的降解效率比单独采用光催化和超声波时都有明显提高。

4 结论

TiO2光催化剂具有价廉、无害、稳定性好、易于回收等优点，是一种性能良好的光催化剂，采用TiO2 光催化技术降解染料废水有着很广阔的应用前景。但是由于TiO2

的带隙较宽，吸收阈值小于400nm，对太阳光的利用率低，在其应用中还存在光生电子空穴对的复合、光波长限制等问题[5]。因此，如何对TiO2光催化剂进行表面修饰(在TiO2表面沉积贵金属，掺杂过渡金属和稀土金属等)，提高其催化活性是今后光催化研究的重点问题。此外，还要努力寻求高活性及高选择性的光催化剂，加强采用自然光源和连续处理的研究，为半导体光催化在生产和生活中的实际应用奠定可靠基础。

参考文献

[1] 王桂华，尹平河，赵玲等．超声波辅助TiO2光催化降解印染废水的研究[J]．杭州:浙江大学出版

社，2004，24(4)：42—45．

[2] 李家珍．染料、染色工业废水处理[M]．北京：化学工业出版社，2009，34(2)：187—192．

[3] 申玉芳，龙飞，邹正光．半导体光催化技术研究进展[J]．杭州:浙江大学出版社，2006，20 (6)：28—31．

[4] 孙剑辉，王晓蕾．掺杂纳米 TiO2在难降解废水处理中的研究进展[J]．工业水处理，2008，194 (1)：11—19．

[5] 杨书铭,黄长盾等·纺织印染工业废水治理技术[J]．化学工业出版社，2007，72(4)：393—402．