趙巾巾

(陽煤集團太原化工新材料有限公司，山西 太原 030040)

引 言

環(huán)境污染和能源短缺是現(xiàn)代人類社會所面臨的兩大問題，其中環(huán)境污染是當(dāng)今世界最突出的問題，當(dāng)今除了節(jié)能減排，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)外，治理環(huán)境污染問題是最重要的事情。目前工業(yè)廢水排放是水污染中最棘手的問題之一，如何去除廢水中有毒、有害、有機污染物成為當(dāng)前面臨的一大難題。

傳統(tǒng)物理、化學(xué)方法去除廢水中有機物存在著去除不徹底、工藝復(fù)雜、難度大等問題。在過去的幾十年中，用于空氣凈化和廢水處理的新型高效環(huán)保型光催化劑，在綠色生活概念的啟發(fā)下得到開發(fā)。研究表明，光催化技術(shù)能夠氧化降解有機污染物，而且具有操作簡單、成本低等優(yōu)點，其主要應(yīng)用于水分解、二氧化碳還原和有機污染物降解等方面。

1 光催化技術(shù)的起源

光催化技術(shù)起源于1967年，對含有二氧化鈦(TiO2)單晶體的水進行了紫外線照射，發(fā)現(xiàn)有氣泡產(chǎn)生，經(jīng)測定為氫氣(H2)和氧氣(O2)，該發(fā)現(xiàn)被命名為“本多·藤島效果”(Honda-Fujishima Effect)。1972年，在英國《科學(xué)》雜志上刊登了關(guān)于光觸媒現(xiàn)象的論文[1]，光催化技術(shù)從此成為研究的熱點，并且得到長遠(yuǎn)的發(fā)展。

2 光催化技術(shù)的基本原理

半導(dǎo)體催化劑具有光催化活性[2]，與其特殊的能帶結(jié)構(gòu)有著密不可分的關(guān)系。半導(dǎo)體催化劑有被電子占滿軌道的低能價帶(VB)和未被電子占滿軌道的高能導(dǎo)帶(CB)，兩者之間存在著量子化、不連續(xù)的帶隙(gap band)。當(dāng)有光照射到半導(dǎo)體時，若光子的能量恰好等于或者高于半導(dǎo)體催化劑的帶隙能(Eg)時，處于低能價帶的電子就可以吸收該光子的能量，從而產(chǎn)生光電子(e-)，發(fā)生躍遷，進入高能導(dǎo)帶的軌道中，同時，由于價帶失去了電子，所以形成了空穴(h+)。由于其特定的能帶結(jié)構(gòu)，在電場的作用下，光電子和空穴的分離得以較長時間維持。電子-空穴對有布朗運動或電場作用兩種運動方式，可以遷移到半導(dǎo)體顆粒表面或者直接復(fù)合，也可能被半導(dǎo)體表面晶格缺陷所捕獲。

當(dāng)然，有時候它們也會復(fù)合，按照復(fù)合位置的不同分為兩種：1) 直接在半導(dǎo)體催化劑內(nèi)部復(fù)合，就像d途徑一樣；2) 遷移到半導(dǎo)體表面復(fù)合，復(fù)合過程如c途徑。復(fù)合時吸收的光子能量，大多數(shù)以熱能形式耗散，少部分通過輻射或其他形式散發(fā)出去。

3 光催化技術(shù)的應(yīng)用

3.1 光催化技術(shù)降解廢水

廢水中的有機污染物存在毒性大、周期長、降解緩慢等問題，利用以前的廢水處理技術(shù)很難解決，利用半導(dǎo)體光催化劑具有較強的氧化能力可以有效消除廢水中的微生物和有機物(如,染料廢水中甲基橙、制藥廢水中抗生素等)。此外，半導(dǎo)體光催化劑具有可持續(xù)利用、環(huán)境友好和低損耗等突出的特點。

圖1 半導(dǎo)體光催化劑在光激發(fā)下載流子的運動變化圖

利用光催化技術(shù)降解廢水有機污染物的特點：

1) 在常溫、常壓下反應(yīng)，反應(yīng)條件簡單、溫和；

2) 可將有毒有機污染物氧化降解為CO2和H2O，降解效果良好，產(chǎn)物清潔，幾乎無二次污染；

3) 半導(dǎo)體材料化學(xué)性能穩(wěn)定，氧化性強，運行操作成本低，使用壽命長；

4) 有望直接利用太陽能，綠色環(huán)保；

5) 光催化劑對從烴到羧酸各類有機物都有效，可以降解絕大多數(shù)有機污染物，適用范圍廣，具有良好的廣譜性；

由此可見，光催化技術(shù)是一種環(huán)境友好的極具發(fā)展前景的水污染治理技術(shù)。

3.2 光催化技術(shù)凈化空氣

空氣凈化是指對影響人們身體健康的有害物質(zhì)進行凈化，如，氮氧化物、二氧化硫、苯、一氧化碳、甲醛等有害物質(zhì)。近年來空氣污染問題非常嚴(yán)重，尤其是建筑裝飾材料中釋放的防腐劑、甲醛和可塑劑等污染物，會造成人們患有呼吸道疾病。使用空氣凈化器和增加室內(nèi)空氣交換頻率是控制室內(nèi)空氣污染的主要方式。目前除去室內(nèi)污染物最主要的方式是使用空氣凈化器[3]，負(fù)載有光催化劑的空氣凈化設(shè)備優(yōu)于傳統(tǒng)的空氣凈化設(shè)備，原因是其能夠?qū)⑽廴疚飶氐椎厍宄蓛?。處理室?nèi)污染物最主要是利用光催化劑[4]，其中一種光催化劑叫作光催化網(wǎng)，它是利用“電化學(xué)組裝-陽極氧化聯(lián)用技術(shù)”在金屬載體上制備出高結(jié)合強度、高反應(yīng)效率的納米TiO2磁性膜光催化劑，用來處理空氣中的甲醛、苯、氨等有害氣體以及細(xì)菌等有害物質(zhì)的深層凈化技術(shù)。

3.3 光催化制氫技術(shù)

Ye等[5]采用固相合成法成功開發(fā)出可見光驅(qū)動的催化劑，這種光催化劑在水中接受波長大于420 nm的可見光照射時就可以分解水產(chǎn)生H2和O2，而反應(yīng)條件相當(dāng)溫和，常溫常壓即可。憑借這項催化技術(shù)，人們便可以把太陽光中蘊含的能量直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，而且整個反應(yīng)不僅符合綠色、經(jīng)濟理念，還不會產(chǎn)生任何有毒有害物質(zhì)，將有助于緩解全球性的能源危機問題。同時，這項技術(shù)的原料是廉價且方便易得的水，產(chǎn)出的又是氫氣這種清潔能源，這將會成為新能源開發(fā)應(yīng)用的助推器，而且也會改善世界現(xiàn)有的化石能源結(jié)構(gòu)，這也意味著它會間接減少由于化石能源的使用所帶來的一系列環(huán)境問題。

3.4 光催化水污染治理技術(shù)

處理水污染的傳統(tǒng)方法[6]主要有兩類：其一是物理方法，主要有沉淀法、吸附法、過濾法以及反滲透法；其二是化學(xué)方法，主要包括氧化還原法、絡(luò)合法、離子交換共沉淀法和酸堿中和法。在眾多的物化方法中，吸附法應(yīng)用最為廣泛，但是該法只是將污染物進行了富集和轉(zhuǎn)移，污染物依然存在自然環(huán)境中，并且難以被微生物自然凈化降解，存在二次污染的潛在風(fēng)險。

現(xiàn)今開發(fā)的光催化技術(shù)，可以應(yīng)用于處理水污染問題[7]。在太陽光的照射下，半導(dǎo)體光催化劑中產(chǎn)生具有還原性的光生電子和具有氧化型的空穴。在無機污染物治理方面，光催化可以還原水中的Hg2+、Cr6+、Pb2+、Ni2+、Cu2+、Co2+、Cd2+等重金屬離子；光催化還可以氧化CN-、I-、NO、NO2、NO2-、S、S2-等常見無機小分子。在有機污染降解方面，光催化可以降解染料、農(nóng)藥、表面活性劑、高分子藥物等典型有機污染物。

4 結(jié)語

光催化技術(shù)在環(huán)境治理方面的研究需持續(xù)進行，在實際應(yīng)用中存在很多問題，諸如,目前光催化劑不能高效地利用太陽能，光催化劑降解反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律的探索沒有形成體系；光催化劑生產(chǎn)成本高，不容易形成工廠化批量生產(chǎn)。對于光催化劑的發(fā)展研究只在定性上分析，缺少定量性的研究，與其他學(xué)科聯(lián)系不是很緊密，有待加強跨學(xué)科的合作。目前很多學(xué)者都在尋求更高效、更有潛力的光催化劑，希望對光催化技術(shù)方法進行優(yōu)化調(diào)整，完善光催化技術(shù)，致力于在不遠(yuǎn)的將來讓其更好地服務(wù)全人類。