史巍

摘要：我國現(xiàn)階段污水處理處于發(fā)展階段，本章從污水處理中應(yīng)用的各種催化劑及其原理，對(duì)現(xiàn)階段催化技術(shù)在污水處理方面進(jìn)展概況和發(fā)展趨勢進(jìn)行綜述。

關(guān)鍵詞：污水處理；催化劑；TiO2；POM；光Fenton；電Fenton

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市化進(jìn)程的發(fā)展，水資源緊缺和水環(huán)境污染已成為本世紀(jì)全球性問題并且日趨嚴(yán)重。由此造成的水危機(jī)也成為制約我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。

目前，造紙、印刷、醫(yī)藥、農(nóng)藥、紡織等行業(yè)每天都要排放大量的污水，另外大量生活污水也是主要污水來源。此類污水若直接排放，將對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的威協(xié)。對(duì)人體、動(dòng)植物的細(xì)胞都會(huì)造成不同程度的危害，其中許多有機(jī)物還是致癌物。

近幾年，我國催化劑在污水處理的應(yīng)用的主要方法是光催化劑法、Fenton法試劑法以及非均相催化氧化和電催化處理污水、酶催化處理污水等。

一、光催化劑處理污水

光催化氧化是一種以n型半導(dǎo)體為敏化劑的特殊光敏化氧化。n型半導(dǎo)體在一定波長的入射光照射下被激發(fā)，其導(dǎo)帶和滿帶上分別產(chǎn)生自由電子和空穴。[3]由光產(chǎn)生的空穴有很強(qiáng)的得電子能力，可奪取半導(dǎo)體顆粒表面有機(jī)物或溶劑中的電子，最終生成氧化能力極強(qiáng)的？OH，使溶液中的有機(jī)污染物被氧化而分解。[4、5]以硫?qū)倩衔镄桶雽?dǎo)體（主要是TiO2）和多金屬酸鹽（POM）的兩類體系已顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

1、硫?qū)倩衔镄桶雽?dǎo)體型催化劑

半導(dǎo)體粒子是理想的光催化劑，TiO2有3種晶體結(jié)構(gòu)，其催化活性的次序?yàn)椋轰J鈦礦型>晶紅石型>板鈦礦型。TiO2的禁帶寬度隨晶型不同而不同，銳鈦礦型的禁帶寬度（E套）為3.2eV、金紅石為3.0eV，相對(duì)應(yīng)的光譜吸收閥值為387 nm和413 nm。[6、7]當(dāng)用波長低于上述波長的光照射TiO2時(shí)，將從TiO2體內(nèi)激發(fā)出自由電子（e-），從而在價(jià)帶上留下空穴（h+），產(chǎn)生的電子（e-）和空穴（h+）與其表面吸附的O2/H2O等作用生成的·OH/·O2-有極強(qiáng)的氧化性，可氧化分解多種有機(jī)物，并且產(chǎn)生的自由電子有較強(qiáng)的還原能力，可還原金屬離子，故TiO2光催化技術(shù)在下列污水處理中均表現(xiàn)出良好的光催化降解效果。

2、微孔納米多金屬氧酸鹽（POM）光催化凈化工業(yè)污水

多金屬酸鹽是一種環(huán)境友好型催化劑，無任何毒副作用，它在光催化過程中不需添加額外的化學(xué)試劑，反應(yīng)條件溫和，不消耗熱能，并從根本上解決了POM在使用中溶脫、流失和難分離等問題，是一種經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的污水處理新技術(shù)。

3、光催化氧化的優(yōu)勢

由于光催化氧化法對(duì)于水中的烴、鹵代有機(jī)物（包括鹵代脂肪烴、鹵代羧酸、鹵代芳香烴）、羧酸、表面活性劑、除草劑、染料、含氮有機(jī)物、有機(jī)磷殺蟲劑等有機(jī)物，以及氰離子、金屬離子等無機(jī)物均有很好的去除效果，可達(dá)到完全無機(jī)化。所以半導(dǎo)體光催化氧化技術(shù)作為一種高級(jí)氧化技術(shù)，與生物法和其他高級(jí)化學(xué)氧化法相比，具有很大的顯著優(yōu)勢。同時(shí)，光催化降解不僅能用于治理有機(jī)污染，而且能還原某些高價(jià)的重金屬離子，使對(duì)其環(huán)境氧化穩(wěn)度變小。

二、Fenton試劑催化法處理污水

1、Fenton法試劑法概況

1894年，法國科學(xué)家Fenton發(fā)現(xiàn)，在酸性條件下（pH=2～5），F(xiàn)e2+和H2O2共存體系可以有效地將酒石酸氧化，因此將Fe2+/H2O2組合體系命名為Fenton試劑，該方法稱為Fenton法。1964年加拿大學(xué)者Eisenhouser首次使用Fenton試劑成功處理苯酚及烷基污水，開創(chuàng)了Fenton試劑法在廢水處理中的先例。

標(biāo)準(zhǔn)Fenton試劑是由Fe2+和H2O2組成的組合體系，實(shí)質(zhì)上是在酸性條件下（pH=2～5），H2O2在Fe2+催化作用下能產(chǎn)生具有高氧化活性的羥基自由基（HO·）。HO·的氧化電位達(dá)到2.8V，僅次于氟的氧化電位（2.87V），而大于臭氧（2.07V）和二氧化氯的氧化電位（1.50V）。HO·能使大多數(shù)有機(jī)物降解和礦化，尤其對(duì)毒性大、一般氧化劑難以氧化降解或生化難降解的有機(jī)廢水具有較強(qiáng)的氧化能力和較高的降解率。

2、Fenton試劑的催化機(jī)理

Fenton試劑之所以具有非常高的氧化能力，是因?yàn)樵贔e2+離子的催化作用下H2O2的分解活化能較低（34.9kJ/mol），能夠分解產(chǎn)生羥基自基OH·。與其他氧化劑相比，羥基自由基具有更高的氧化電極電位，因而具有很強(qiáng)的氧化性能。Fenton試劑產(chǎn)生OH·的機(jī)理為：

Fe2+++H2O2—Fe3+++OH-+OH·

OH·+Fe2+—Fe3++OH-

Fe3++H2O2≒Fe2++HO2·+H+

Fe3++HO2·—Fe2++O2+H+

Fe2++OH·—Fe3++OH-

3、Fenton試劑法在污水處理上的發(fā)展

目前，在應(yīng)用Fenton試劑法處理污水中有機(jī)污染物的研究上，除了普通的Fenton試劑法外主要還有兩個(gè)研究方向：光化學(xué)Fenton與電化學(xué)Fenton。

三、其他污水處理方法及發(fā)展趨勢

1、非均相催化氧化

均相催化劑氧化的缺點(diǎn)是催化劑易流失，造成二次污染，需要處理回收催化劑，從而增加工藝復(fù)雜性和操作成本。目前的一個(gè)發(fā)展趨勢是將均相催化劑非均相化，將其載在載體上，載體可以是γ-Al2O3、硅膠、TiO2、活性炭等。非均相法催化劑容易和水分離，能有效控制催化劑流失和二次污染，工藝簡化，可降低成本。

2、電催化處理污水

電催化處理污水流程簡單、污染小，是發(fā)展動(dòng)向之一。研究表明Pt、Ti/PbO2、Ti/IrO2、Sb/SnO2等陽極材料可有效地脫除有機(jī)污水中的苯酚、苯胺、硝基苯、苯甲酸、萘磺酸、三聚氰胺等有害毒物。特別是摻雜Pt或Sb的SnO2陽極有很高的活性和穩(wěn)定性。

3、酶催化處理污水

酶催化法處理污水由于污染小、效果好，是污水處理發(fā)展的主要方向之一。例如，用鐵氧化菌處理含亞鐵離子的污水，可將其中所含的2.5×10-3Fe2+完全氧化成Fe3+；用硝酸還原酶、亞硝酸酶可還原硝酸、亞硝酸成N2氣；用熱帶假絲酵母菌體可分解酚；用假單孢菌菌體可分解苯等。

四、結(jié)束語

水資源的重要性已經(jīng)日益顯著，在科技高速發(fā)展的今天，我們將運(yùn)用更多最新方法來不斷改善污水處理現(xiàn)狀，為全人類營造一個(gè)良好的生存環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱光中、金真.環(huán)保催化技術(shù)研究進(jìn)展.惠州學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（6）

[2]靳立民、王鳳英、王連壽、唐莉.光催化氧化處理難降解污水的應(yīng)用前景[J].環(huán)境保護(hù)，2004（2）：l9～22

[3]蒲麗媛、鄭廣宏.Fenton試劑處理含難降解有機(jī)物污水的研究進(jìn)展.國科技信息，2008（19）：26～27、29