二氧化钛

一：1：纳米二氧化钛是目前应用最为广泛的一种纳米材料。它是一种半导体材料,除了具有纳米材料共同的特点外,还具有光催化性能。近十多年来,随着环境污染日益严重,利用半导体粉末作为光催化剂催化降解有机物的研究已成为热点。在作为光催化剂的主要原料N 型半导体TiO2、ZnO2、CdS、WO3中,相比较而言, TiO2活性高、化学稳定性好、对人体无害,是理想的环保型光催化剂。实验表明, TiO2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。2：纳米二氧化钛的光催化降解机理：

当二氧化钛受到波长小于387. 5nm的紫外光的照射时,价带上的电子跃迁到导带,激发电离出电子同时产生正电性的空穴,形成电子-空穴对,与吸附溶解在其表面的氧气和水反应。分布在表面的空穴将OH -和H2O氧化成HO自由基。HO 自由基的氧化能力是在水体中存在的氧化剂中最强的,能氧化大部分的有机污染物和无机污染物,而且对反应物几乎无选择性,在光催化氧化中起着决定性的作用。二氧化钛的表面电子可被溶解在表面的氧俘获形成O2-。另外表面电子具有高的还原性,可以去除水体中的金属离子。生成的原子氧和氢氧自由基使有机物被氧化、分解,最终分解为CO2、H2O和无机物。

3：目前的研究现状：

尝试对不同微生物的杀灭作用：为了考察TiO2对微生物的作用,根据不同的研究和应用背景,人们选择了细菌、病毒、藻类、癌细胞等。目前已有报道的考察TiO2光催化作用的细菌类有: 乳杆嗜酸细胞(Lactobacil lus acidophi lus),酵母菌( Saccharomyces cerevisiae), 大肠杆菌( Es-cherichia coli), 链球菌( S treptococcus mutans , S .ratus , S .cricetus , S .sobrinus AHT)。由于大肠杆菌是水体污染的指示菌种,实验具有实际应用意义, Tadashi Matsunaga[1]和Chang Wei[2]和Zheng Huang[3]等的研究都把E . coli作为实验菌种。研究对象还包括绿藻、病毒噬菌体MS2、脊髓灰质炎病毒、癌细胞Hela细胞、T24细胞( 人体膀胱癌细胞) 等。对绿藻的研究结果表明,由于绿藻壁厚,其杀灭效果较低。对噬菌体MS2的研究表明,其蛋白衣壳和核酸易被光生OH·攻击。对癌细胞Hela细胞的研究证实, TiO2颗粒可以进入癌细胞,其本身对癌细胞无毒性,但有很大的光敏作用杀死癌细胞,为光催化在医学方面的应用提供指导。

4：对今后研究的几点设想：

光催化杀菌已经从粉末催化剂发展到各种固着型催化剂的研究,使其可以在水处理方面得到具体应用。Tadashi最早利用TiO2固定醋酸纤维素膜反应器的连续杀菌系统,考察其各种工艺条件[1]。如能把目前所研究的的各种新技术集成在一种新反应器上,发挥出光催化氧化杀菌降解有机物的优势,也有可能成为一种饮用水彻底净化的辅助技术。充分利用太阳光是光催化研究的另一个重要发展方向。Chang Wei[2]等人的报道就提到过用紫外可见部分的波长大于380 nm的光照射E .c oli(浓度为106cells/mL)和TiO2混合溶液,可在数分钟内杀死细菌。由此可见,在太阳光辅助水处理及一些偏远地区的消毒方面,尤其是在电力缺乏的地区,由于可以利用太阳光,光催化也同样有着自己的优势。在医学方面,光催化也同样有进一步研究的价值。在特定的光照条件下, TiO2可局部杀灭癌细胞,但在无光的条件下, TiO2本身对机体细胞无毒副作用,现在已有这方面的研究报道。相信在不久的将来,光催化氧化技术也应该能够成为一种新型的治疗方式。

二：二氧化钛催化剂在水污染方面的应用：

1：化工废水中大多含许多对人体有害的物质,特别是有机化合物如有机磷农药、芳香族胺基化合物、氯系溶剂(二氯乙烯、三氯乙烯等)、苯系溶剂以及醛酮等。这些污染水体的有机物质对人体的毒害很大,因此欧美等发达国家相继出台了水中有机污染物的控制指标,以加强水质处理。传统的水处理法如吸附法、混凝法、活性污泥法等在实际处理这些有机污染物时均存在着一定的困难,因此急需寻找一种经济、有效的方法以降解这些污染物。自1976年

J.H.Cary等人报道了在紫外光照射下,纳米TiO2可使难降解的有机化合物多氯联苯脱氯后,纳米TiO2光催化氧化法作为一种水处理技术就引起了各国众多研究者的广泛重视。至今,已发现有3000多种难降解的有机化合物可以在紫外线的照射下通过TiO2迅速降解,特别是当水中有机污染物浓度很高或用其他方法很难降解时,这种技术有着更明显的优势。美国、日本、加拿大等国已尝试将TiO2光催化技术应用于水处理,目前国内大多还只限于实验室研究水平,尚未有把该技术投入实际应用的报道。

2：TiO2光催化剂的研究焦点：

在利用TiO2光催化降解水中有机物的研究中,关注的焦点主要是：

( 1) 提高TiO2的光催化效率问题,并最终归结为增大电子-空穴对的产率、减少电子-空穴对的复合几率问题。已有大量的研究表明[4~6],敏化的TiO2半导体可以增大电子-空穴对的产率; 与TiO2半导体带隙匹配的载体(如ITO)可以减少电子-空穴对的复合几率; 利用外电压(如施加一定的正向偏压)可以减少电子-空穴对的复合。

( 2) TiO2回收利用问题,即TiO2的固定化与悬浮态反应器的问题。研究表明[7],在粒径相同的情况下,悬浮态反应器比固定床反应器光催化效率高,但悬浮态反应器要附加一定的分离装置( 如有机或无机微孔膜等) 来对TiO2进行利用。综合经济效益的问题仍在研究中。

( 3) 光源的优化问题。纳米TiO2 吸收的是380 ～420 nm的紫外光( UV),这表明可以利用太阳光作为光源代替UV 。目前,国内外已有多篇关于利用太阳能光催化氧化降解有机物的研究报告。

3：影响TiO2 光催化降解的因素：

3. 1 水溶液pH值的影响：

通常情况下,分散得越好,受紫外线照射的面积越大,产生的电子-空穴越多,同时空穴迁移到TiO2表面的越多,光催化活性就越高。溶液的pH值能改变颗粒表面的电荷,从而改变颗粒在溶液中的分散情况[8]。当溶液pH 值接近TiO2等电点时,由于范德华引力的作用,颗粒之间容易团聚形成大颗粒。TiO2的等电点pH 值为3. 0 ,因此,当悬浮液pH 值远离等电点pH值时,由于颗粒相互间的排斥力,其在溶液中分散很好。此时,有机污染物被纳米TiO2光催化降解的效率更高。

研究表明,不同有机物的降解有不同的最佳pH值,且pH值影响比较显著。某些有机物光催化降解时pH值的影响符合上述等电点理论,如赵梦月等[9]在有机磷农药光解的研究中发现, pH值对甲拌磷光解的影响完全符合这一理论。但对硫磷、久效磷、磷胺等来说, pH值对光催化效率的影响与等电点理论有偏差。硫磷在pH=2时光解效率较高,当pH值增大到5时,光解效率最低,当pH值再增大到7时,光解效率又有所增加。此外有研究表明,某些有机物光解时有最佳pH 值,如溴氰菊酯[10]光解时, pH 值在3. 5左右有最高降解率; 而在光催化氧化二氯乙酸时, pH=3时光解效率达到最高, pH值增大,光解效率下降,到pH=6 时,光解效率已降至很小,直到pH=12以后又略有回升。对不同物质而言,其光解时的最佳pH值不同。在实际水处理工作中,对最佳pH值的探讨很重要。

3. 2 载体的影响：

TiO2光催化氧化处理水中有机物的反应器有两种形式,即悬浮态和固定床反应器。与固定床光催化反应器相比,悬浮态型光催化反应器在反应速率、反应器设计以及光解操作方面占有许多优势。但是因为催化剂尤其是超细颗粒催化剂与反应液的分离困难,即催化剂的回收很不容易,于是人们又寄希望于找到能提高光催化活性的载体。研究表明[5],硅胶作载体的光解效率比玻璃纤维、渥太华沙、三氧化二铝等的高,而掺杂SnO2的导电玻璃用作载体时,其光解效率要比硅胶高。

在所研究的载体中,沸石是一种高效、高选择性的光催化剂载体,因为沸石能提供独一无二的纳米微孔反应场——非同一般的内表面布局和粒子交换性能。在这样的反应空间里,存在一