光催化氧化技术降解有机污染物

光催化氧化技术降解有机污染物

摘要：光催化氧化技术是一种新型的高级氧化技术，TiO2光催化氧化技术具有工艺简单、能耗低、效率高、易操作、无二次污染等特点，被认为是降解持久性有机污染物最有前途最有效的处理方法之一。

本文阐述了光催化氧化的基本原理和特点，探讨了其影响因素，如温度、pH、催化剂用量等。综合可知，光催化氧化技术具有良好的发展前景，值得广大研究人员进一步的探究。

关键字：光催化氧化，二氧化钛，有机污染物

Abstract：The technique of photocatalytic oxidation is a new advanced ocidation technique. UV/ TiO2 photocatalytic treatment is considered one of the most promising and effective methods of treating persistent organic pollutants due to its simple process, low energy consumption, high mineralization efficiency, easy access and low toxicity of end products et al.

This paper states the basic principles and characteristics of the photocatalytic oxidation and explore the influencing factors such as temperature, the pH, the amount of catalyst et al. Comprehensive seen that photocatalytic oxidation has a good prospects of development and its worth further exploration by researchers.

Key words：photocatalytic oxidation, TiO2, organic pollutants

1 绪论

光催化氧化（Photocatalytic Oxidation）是一种新型现代水处理技术，属于高级氧化技术（Advanced Oxidation Process）的一种，具有工艺简单、能耗低、易操作、无二次污染等特点，尤其对一些特殊的污染物比其他氧化法有更显著的效果[1]。

1.1 光催化氧化技术的研究进展

1972年Fujishima 和Hongda[2]在《Nature》上发表了关于在TiO2电极上光解水的论文，这是多相光催化研究开始的标志之一。此后人们从各个领域对TiO2光催化行为进行深入的研究，探讨其光催化原理，并致力于提高光催化效率。1976年Carey等[3]在光催化降解水中污染物方面进行了开拓性的工作，显示出光催化技术在环保领域的应用前景。

近十几年来，以半导体粉末为催化剂光催化氧化水中的有机污染物作为水处理的一种新方法得到了广泛的关注，在理论研究上已取得了很大的进展[4]。紫外光催化氧化技术对有机物分子结构具有很强的破坏作用，使长链分子变成短链分子(一些有机物甚至最终能被分解成二氧化碳和水)，从而增强了微生物对有机污染物的降解性能，有效地提高了对有机污染物的处理效率。目前一系列研究表明这项新技术具有新颖性、高效性，与现有有机废物多采用的焚烧处理法相比较，投资少，如配合生物处理法，可以解决大多数有机物造成的污染问题，具有很好的应用前景[5]。

1.2 有机污染物的危害

有机污染物，特别是持久性有机污染物（POPs）是指通过各种环境介质（大气、水、生物体等）能够长距离迁移并长期存在于环境，具有长期残留性、生物蓄积性、半挥发性和高毒性，对人类健康和环境具有严重危害的天然或人工合成的有机污染物质。

有机污染物的主要危害有：①对儿童的出生体重的影响，可能会使人类婴儿的出生体重降低，发育不良，骨骼发育的障碍和代谢的紊乱，都可以对人的一生产生影响；②对神经系统，注意力的紊乱、免疫系统的抑制；③对生殖系统的危害，它对人体的内分泌系统有着潜在的威胁，导致男性的睾丸癌、精子数降低、生殖功能异常、新生儿性别比例失调，女性的乳腺癌、青春期提前等，不仅对个体产生危害，而且对其后代造成永久性的影响；④对癌症的影响，可能引发多种癌症。

2 光催化氧化技术

2.1 光催化氧化的基本原理

光催化氧化是在反应溶液中加入一定量的半导体催化剂，使其在紫外光的照射下产生∙OH，通过∙OH的强氧化作用降解有机污染物。

光催化氧化反应可以用半导体的能带理论来阐述[6]，半导体的基本能带结构：存在一系列的满带，最上面的带称为价带；存在一系列的空带，最下面的空带称为导带；价带和导带之间为禁带当用能量等于或大于禁带宽度的光照射时，半导体价带上的电子被激发跃迁到导带，同时在价带产生相应的空穴，这样就在半导体内部生成电子-空穴对。由于半导体能带的不连续性，电子和空穴寿命较长，在电场作用下，电子与空穴发生分离，迁移到离子表面的不同位置。它们能够在电场作用下或通过扩散的方式运动，与吸附在半导体催化剂粒子表面上的物质发生氧化或还原反应，或者被表面晶格缺陷捕获，也可能直接复合，具有很强

的氧化性，能够同吸附在催化剂粒子表面的-OH或H2O发生作用生成∙OH，∙OH是一种活性更高的氧化物种，能够无选择地氧化多种有机物并使之矿化，通常被认为是光催化反应体系中的主要活性氧化物质。

光催化氧化的基本原理图如图1所示。

图1 光催化氧化原理图

2.2 光催化剂的类型

常见的单一化合物光催化剂多为金属氧化物或硫化物，如TiO2、ZnO、ZnS、CdS及PbS 等，它们对特定反应具有突出优点。如CdS半导体带隙能较小，与太阳光谱中的近紫外光段有较好的匹配性能，因此可以很好地利用自然光能，但它容易发生光腐蚀，使用寿命有限。相对而言，TiO2的综合性能较好，是研究中采用最广泛的单一化合物光催化剂[7]。

当两种或两种以上半导体材料复合时，催化活性可能会显著改观。研究采用的此类复合光催化剂还有WO3／TiO2、MoO3／TiO2、SiO2／TiO2与ZrO2／TiO2等。Choi等[8]广泛研究了各种金属离子掺入量子尺寸的TiO2后对催化活性的影响，发现掺入少量的Fe(Ⅲ)、Mo(V)、Re(V)或Os(Ⅲ)时对氯代烷烃的光催化降解能力明显增强。

2.3 TiO2光催化氧化的机理

TiO2光催化氧化反应是一系列的自由基反应，其发生过程主要如下：