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        光催化技術(shù)在水處理中的應(yīng)用研究

        2018-06-03 07:14:06孫曉蕊楊威
        商情 2018年12期
        關(guān)鍵詞:有機物降解光催化

        孫曉蕊 楊威

        【摘要】水資源的匱乏,已成為限制人類社會高速發(fā)展的重要因素。利用半導(dǎo)體納米材料的光催化氧化技術(shù)以其環(huán)保、高效的有點,現(xiàn)已成為環(huán)保工作者重點研究之一。本文介紹光催化技術(shù)在水處理中對多種有機污染物的降解研究應(yīng)用。

        【關(guān)鍵詞】光催化;有機物;降解

        1 前言

        我國人均水資源量相當(dāng)匱乏,盡管水資源總量位列世界第六位,但人均占有量僅為世界的四分之一。并且水污染情況日益嚴(yán)重。工業(yè)等排放的廢水含有大量有毒的和生物難以降解的有機污染物,如酚類、有機染料等,傳統(tǒng)的污水處理方法在脫色方面以及COD的去除方面均不能達(dá)到很好的效果,現(xiàn)有的環(huán)保技術(shù)也難以徹底降解這些污染物。因此,光催化氧化技術(shù)逐步進(jìn)入環(huán)保研究者的視野。

        2 半導(dǎo)體納米材料的光催化性能

        半導(dǎo)體納米材料在結(jié)構(gòu)上具有獨特的性能,可以催化體相材料所不能催化的反應(yīng),且活性更高。其一,半導(dǎo)體納米材料具有量子尺寸效應(yīng),導(dǎo)帶與能帶能級不同,當(dāng)受到能量激發(fā)時,會產(chǎn)生電子躍遷現(xiàn)象,為氧化還原反應(yīng)提供可能。其次,半導(dǎo)體納米材料的粒子尺寸小,與體相材料相比,同等質(zhì)量條件下,擁有更大的比表面積,這對于光及污染物的接觸吸收更加有利。

        3 光催化機理

        目前對于光催化機理的解釋,多從能帶理論出發(fā)。因納米半導(dǎo)體光催化劑的特殊結(jié)構(gòu),且能帶具有不同的能量,分為高能導(dǎo)帶和低能價帶。當(dāng)催化劑受到光能量激發(fā)時,價帶與導(dǎo)帶之間會發(fā)生電子躍遷現(xiàn)象,形成光生電子一空穴對,與OH-、H2O等反應(yīng)生成具有強氧化性的羥基自由基(·OH),最終將有機污染物降解成H2O、CO2等小分子。

        4 光催化技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

        傳統(tǒng)的水處理技術(shù)但對低濃度可溶性有毒、有害物質(zhì)的處理效率相對較低,有時甚至應(yīng)用極高的成本卻沒有任何處理效果。

        4.1 在工業(yè)廢水處理的應(yīng)用

        光催化氧化技術(shù)可以有效降解多種有機物(如烴類、醛、鹵代烴等),甚至做到徹底分解成無毒害的無機小分子。大量研究表明,在光照條件下,納米TiO2可光催化氧化水中苯、氯仿、甲醛等有機污染物。

        4.2 在農(nóng)藥廢水處理的應(yīng)用

        大量研究表明,光催化技術(shù)可以有效降解有機農(nóng)藥。以TiO2為光催化劑,經(jīng)紫外光照射,有機磷農(nóng)藥和有機硫農(nóng)藥可以完全無機化,并能定量地被氧化成PO43-及SO42-。曹連秋應(yīng)用制備的AC/TiO2催化劑,光催化降解三氮苯類有機農(nóng)藥一阿特拉津,實驗結(jié)果表明,TiO2可均勻分散于活性炭微孔中,對阿特拉津的降解率高于88%。

        4.3 在印染廢水處理中的應(yīng)用

        染料廢水大多含有苯環(huán)、胺基、偶氮基團等致癌物質(zhì),不僅對環(huán)境造成嚴(yán)重污染,同時危害人類身體健康。實驗證明,在以納米TiO2為光催化劑、溶解氧存在的條件下,水溶性偶氮染料易發(fā)生光催化降解反應(yīng)。金偉等利用水熱法制備出的Mn/ZnO,在紫外光催化反應(yīng)4h,羅丹明B的降解率可達(dá)92%。李霞等利用直接沉淀法制備了納米ZnO,光催化降解甲基橙溶液120min,降解率可達(dá)88%。

        4.4 在抗生素廢水處理中的應(yīng)用

        醫(yī)療水平的不斷提高,藥物日新月異,抗生素的生產(chǎn)及使用量也越來越大。城市污水處理廠很難徹底清除抗生素,流入江河中的抗生素將對生態(tài)系統(tǒng)以及人類健康造成嚴(yán)重危害。李耀中等以Ti02為催化劑,在光催化反應(yīng)器中降解制藥廢水,僅15分鐘COD去除率可達(dá)80%以上。郭佳以TiO2為催化劑,紫外光催化降解廢水中頭孢曲松,去除率高達(dá)90%以上。

        4.5 在造紙廢水處理中的應(yīng)用

        Pintar等以納米TiO2和Ru/TiO2為催化劑,光催化降解牛皮紙漂白廢水。結(jié)果表明,以納米TiO2為催化劑進(jìn)行光催化時,廢水中的有機總碳(TOC)大幅度降低。以納米Ru/TiO2為催化劑進(jìn)行光催化時,TOC含量進(jìn)一步降低。

        4.6 在石油廢水處理中的應(yīng)用

        隨著石油的開發(fā)與應(yīng)用,石油流人海洋中,對海洋生物及沿岸環(huán)境造成污染危害。針對石油密度低于水而漂浮于水面的情況,武漢大學(xué)研究室將納米TiO2偶聯(lián)在兩種硅鋁陶瓷空心微球上,制備出了能飄浮在水面的TiO2光催化劑,對漂浮于水面的辛烷進(jìn)行光催化降解,降解率高達(dá)90%。

        4.7 在無機廢水處理中的應(yīng)用

        無機廢水的處理,主要是通過氧化低價態(tài)毒性物質(zhì)和還原高價態(tài)毒性物質(zhì),最終實現(xiàn)物質(zhì)毒性的降低,甚至無毒。重金屬水污染就是有毒無機廢水的一大代表。納米TiO2可以將Cr6+還原轉(zhuǎn)化為Cr3+,此時Cr6+的強致癌毒性大大降低降低。

        5 存在的問題

        盡管光催化氧化技術(shù)在降解有機污染物上存在高效、環(huán)保等優(yōu)勢,但走出實驗室,實現(xiàn)工業(yè)化仍然很難。主要因為受到幾方面因素的限制:其一,光催化反應(yīng)中,催化劑表面的光生電子一空穴對復(fù)合速率過快,造成量子效應(yīng)過低;其次,目前研究中的光催化劑多對紫外光反應(yīng),對可見光的吸收較低,這就導(dǎo)致對太陽光的利用率過低;除此之外,對于投加到廢水中的固體催化劑,如何有效的實現(xiàn)固液分離,也是今后研究的一大重點。

        參考文獻(xiàn):

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