唐曉劍

（吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長春 130118）

現(xiàn)階段，光催化技術(shù)具有良好的降解能力，降解產(chǎn)物時(shí)，可以防止二次污染的出現(xiàn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，同時(shí)，光催化技術(shù)在諸多工業(yè)處理中的作用也是十分顯著的，如造紙廢水、染料廢水等，光催化技術(shù)可以大大提高制藥廢水、新型有機(jī)物等處理效果。但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，光催化氧化技術(shù)的回收難度性較高，在工業(yè)廢水中，復(fù)雜有機(jī)物混合產(chǎn)生的懸浮物，難免會(huì)對(duì)光線的傳播造成影響，從而使羥基自由基的產(chǎn)生效率有所降低，此外，在高濃度廢水處理過程中，光催化氧化技術(shù)的安全性有待提升?；诖耍肴〉昧己玫膽?yīng)用效果，應(yīng)集中整合其他水處理技術(shù)與光催化技術(shù)，從不同水質(zhì)特點(diǎn)出發(fā)，不斷提高目標(biāo)水體處理水平。

1.光催化和傳統(tǒng)水處理技術(shù)的組合工藝

1.1 與膜分離技術(shù)的耦合

針對(duì)膜分離法，在對(duì)水中污染物進(jìn)行分離和提純過程中，對(duì)于組分的選擇透過性、膜表面微孔的截留具有一定的依賴性，其應(yīng)用領(lǐng)域主要包括醫(yī)藥、紡織、食品等。但是在膜技術(shù)推廣過程中，膜污染這一影響因素不容忽視。

現(xiàn)如今，對(duì)于光催化與膜分離的組合工藝來說，作為新型化水處理技術(shù)之一，相關(guān)學(xué)者認(rèn)為光催化復(fù)合分離膜，在水或空氣中的持久性有機(jī)物的處理方面發(fā)揮著重要的作用，相比于傳統(tǒng)的聚合膜，陶瓷超濾膜具有耐高溫、穩(wěn)定性等特點(diǎn)。相關(guān)學(xué)者通過對(duì)無機(jī)陶瓷膜分離技術(shù)耦合懸浮式光催化劑進(jìn)行應(yīng)用，甲基橙廢水降解率接近100.00%。要想不斷提高光催化劑分離回收效率，微波光催化-平板超濾膜分離耦合工藝深度處理活性艷紅x-3B染料廢水的設(shè)計(jì)，與普通中空纖維膜進(jìn)行對(duì)比，PVDF超濾平板膜的膜孔徑在0.1m以下，有助于提高催化劑的攔截水平，且流通量維持時(shí)間較長，從而防止膜污染的發(fā)生。

二氧化鈦在摻雜改性以后，憑借光催化氧化與膜技術(shù)聯(lián)合工藝，可以顯著增強(qiáng)廢水處理水平。相關(guān)學(xué)者通過N摻雜二氧化鈦溶膠的制備，在處理黃連素污水時(shí)，加強(qiáng)對(duì)光催化氧化-陶瓷介孔膜耦合工藝的應(yīng)用，繼而大大提高降解黃連素的效率，截留率較高，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物和鹽的有效分離目的。一般來說，一體式反應(yīng)器中的TiO2懸浮濃度并不明顯差異，從而使得膜污染嚴(yán)重程度愈發(fā)高漲，同時(shí)膜分離區(qū)，會(huì)明顯降低光催化反應(yīng)區(qū)體積，從而影響到其光催化處理廢水效率?；诖耍嚓P(guān)學(xué)者設(shè)計(jì)光催化氧化-有機(jī)膜分離三相流化床循環(huán)反應(yīng)裝置，并對(duì)其處理酸性紅B廢水進(jìn)行深入分析，這不僅可以使酸性紅B廢水得到有效降解，而且具有大規(guī)模適用的性質(zhì)特點(diǎn)。

光催化技術(shù)與膜分離技術(shù)的耦合，其協(xié)同效果顯著，具有使膜污染問題有所好轉(zhuǎn)的目的，將膜的使用壽命延長開來，同時(shí)徹底分離中間產(chǎn)物與反應(yīng)底物，不斷提高水質(zhì)改善效果，且確保光催化效率的穩(wěn)步提升，從而進(jìn)一步強(qiáng)化廢水降解水平。但是，作為新型化廢水處理方法之一，該技術(shù)僅僅處于起步探索階段，應(yīng)加強(qiáng)光催化劑的開發(fā)，合理選擇各種膜材料。

1.2 與化學(xué)氧化劑聯(lián)用

在水處理工藝中，化學(xué)氧化法得到了廣泛應(yīng)用，主要借助于投加化學(xué)氧化劑，以此來不斷提高污染物氧化降解效率，同時(shí)消毒作用也是十分突出的。但是，化學(xué)氧化劑具有高昂的成本，且氧化電位的限制性明顯，一些化學(xué)氧化劑的水體凈化效率并不高。目前，氧化劑與光催化組合工藝，已經(jīng)成為社會(huì)大眾共同關(guān)注的焦點(diǎn)話題之一。在制藥廢水、造紙廢水等處理過程中，臭氧與光催化聯(lián)合技術(shù)具有較強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢?；诒举|(zhì)視角，臭氧作為消毒劑之一，通過復(fù)合應(yīng)用于紫外輻射，在其分解加速過程中，所生成的·OH較多，從而給予滅活效率一定的保障，將滅活時(shí)間控制在合理范圍內(nèi)。由于臭氧與光催化的復(fù)合作用凸顯，在水處理中扮演著重要的角色，臭氧協(xié)同光催化氧化對(duì)不同類型廢水的降解情況如表1所示：

表1

分析光催化協(xié)同臭氧氧化廢水的作用機(jī)理：光催化臭氧，所產(chǎn)生的高活性氧化劑較多，且化合物的結(jié)構(gòu)，深刻影響著聯(lián)用工藝降解效率。在諸多氧化劑中，臭氧比較常見，相關(guān)研究了解到，H2O2可以有效協(xié)同促進(jìn)光催化。相關(guān)學(xué)者在選取污染物時(shí)，側(cè)重于十二烷基苯磺酸鈉（DBS）和α烯基磺酸鈉 （AOS），UV/H2O2處理方式也得到了廣泛應(yīng)用，旨在對(duì)其降解效果進(jìn)行深入分析。由結(jié)果可知，在反應(yīng)二十分鐘以后，十二烷基苯磺酸鈉的降解效率為96.00%，α烯基磺酸鈉的降解效率為93.00%。DBS初始濃度、H2O2投加量，深刻影響著具體的反應(yīng)，pH適用范圍最低為4，最高為10。

但是在抗生素廢水降解過程中，H2O2協(xié)同光催化氧化工藝的處理水平較低。相關(guān)學(xué)者在布洛芬的降解情況研究中，對(duì)H2O2或K2S2O8光催化降解系統(tǒng)展開對(duì)比，通過兩種氧化劑的添加，BiVO4光催化降解布洛芬的效率較高。

在污染物的反應(yīng)過程中，光催化和化學(xué)氧化劑耦合處理，可以將自由基的強(qiáng)氧化作用充分發(fā)揮出來，不斷提高廢水降解水平，但是生產(chǎn)臭氧所需高昂的成本，且在廢水處理時(shí)，二次污染物的出現(xiàn)是難以避免的。

1.3 與生物技術(shù)的聯(lián)用

對(duì)于生物法來說，主要是指在對(duì)水中污染物進(jìn)行吸附、溶解以及分解過程中，主要借助于微生物來進(jìn)行。在傳統(tǒng)的生物法中，活性污泥法和生物膜法比較常見。一般來說，生物菌體的絮凝與吸附作用，很難提高染料降解效率，僅僅適用于表面去除。而生物降解氧化還原反應(yīng)，會(huì)使染料分子的結(jié)構(gòu)化學(xué)變化變得比較凸顯，以此來對(duì)污染物實(shí)現(xiàn)降解，也就是生物化學(xué)法。但是，在印染廢水中，各有機(jī)物反應(yīng)的復(fù)雜程度較高，有毒性的中間產(chǎn)物經(jīng)常產(chǎn)生，使傳統(tǒng)的相關(guān)工藝難以對(duì)偶氮染料進(jìn)行降解處理，如厭氧及好氧一厭氧聯(lián)用等，降解效果較低的出水往往無法提高排放水平。

在降解難度性較高的有機(jī)物處理過程中，高級(jí)氧化具有預(yù)處理的作用，然后借助生物處理法來提高處理效果，并將運(yùn)行成本控制在合理范圍內(nèi)。相關(guān)學(xué)者在4—氯酚廢水處理時(shí)，廣泛應(yīng)用固定床生物反應(yīng)器和三相內(nèi)循環(huán)式流化床光反應(yīng)器耦合，在多級(jí)耦合系統(tǒng)中，光催化預(yù)處理與生物處理的協(xié)同作用顯著，進(jìn)一步強(qiáng)化多級(jí)耦合處理水平。

2.光催化和其他高級(jí)氧化處理技術(shù)的耦合

2.1 光催化氧化技術(shù)與超聲技術(shù)

就目前而言，在超聲技術(shù)不斷發(fā)展過程中，超聲輻照降解水中污染物與光催化氧化比較類似，對(duì)于產(chǎn)生自由基的歷程，所以兩者的聯(lián)合，其協(xié)同效應(yīng)更為突出。超聲與光催化聯(lián)合技術(shù)，在降解有機(jī)物方面的協(xié)同效應(yīng)不容忽視，其中，超聲波的作用凸顯：如聲空化氣泡，對(duì)于傳質(zhì)活動(dòng)具有一定的促進(jìn)作用，從而為光催化效率的提升創(chuàng)造條件。

在有色染料處理過程中，光催化氧化技術(shù)與超聲波技術(shù)聯(lián)用工藝具有較強(qiáng)的適用性。相關(guān)學(xué)者在降解低濃度甲基橙溶液時(shí)，光催化氧化結(jié)合超聲分散法扮演著重要角色，而且超聲強(qiáng)度和催化劑劑量等在反應(yīng)中起到的影響也得到了深入研究，結(jié)果了解到，相比于單一使用光催化氧化法，聯(lián)合法使甲基橙溶液的脫色率提升迅速。分析其原因，主要是因?yàn)閮煞N技術(shù)在聯(lián)合使用后，催化劑粒子得到些許分散，從而形成對(duì)催化劑顆粒團(tuán)聚的預(yù)防作用。

相關(guān)學(xué)者通過對(duì)循環(huán)式超聲協(xié)同光催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，在反應(yīng)兩個(gè)半小時(shí)以后，雙酚A降解率在90.00%左右，在反應(yīng)4個(gè)小時(shí)以后，TOC去除率為84.00%。相關(guān)學(xué)者以玉米淀粉廢水濾液展開實(shí)驗(yàn)，超聲與光催化聯(lián)合工藝的應(yīng)用，超聲反應(yīng)時(shí)間為一個(gè)半小時(shí)，在加入700 m g／L催化劑時(shí)，COD降解率在90.00%以上。除此之外，在微生物領(lǐng)域中，聯(lián)合使用超聲與納米二氧化鈦光催化技術(shù)，對(duì)于增強(qiáng)殺菌效果具有極大的幫助，且協(xié)同作用顯著。通過研究可知，超聲與光催化憑借良好的協(xié)同作用，可以對(duì)降解難度性較高的有機(jī)物結(jié)構(gòu)予以破壞，從而將有機(jī)物的降解效率提升上來。

2.2 光催化氧化與電化學(xué)

一般來說，電化學(xué)氧化法、電絮凝、電浮選等為電化學(xué)水處理技術(shù)的重要構(gòu)成內(nèi)容。其中，應(yīng)用最為廣泛的莫過于電化學(xué)氧化工藝。電化學(xué)氧化技術(shù)，在產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑這一過程中，主要借助于電荷在電極與溶液界面的傳遞反應(yīng)來進(jìn)行，并實(shí)現(xiàn)向羥基自由基的順利轉(zhuǎn)化，其具有較強(qiáng)的氧化能力，從而使降解難度性較強(qiáng)的有機(jī)物得到迅速降解。對(duì)整個(gè)過程反應(yīng)條件進(jìn)行分析，其溫和特點(diǎn)較強(qiáng)，外加氧化還原劑無須添加，有效防止二次污染問題的產(chǎn)生，且反應(yīng)過程的可控制性凸顯，自動(dòng)化運(yùn)行管理效率較高。但電極材料的電流效率處于較為低下的水平，需要投入高昂的耗電成本，所以在實(shí)際生產(chǎn)及工業(yè)應(yīng)用中并不適用。

2.3 光催化氧化與Fenton

Fenton氧化法，其運(yùn)行環(huán)境為酸性條件，亞鐵離子在與H2O2反應(yīng)后，會(huì)促使強(qiáng)氧化的·OH的出現(xiàn)。在兩者協(xié)同作用后，對(duì)于廢水中的難生物降解有機(jī)污染物的降解有著很大的幫助。相關(guān)學(xué)者以硝基苯酚展開實(shí)驗(yàn)，積極運(yùn)用光催化與Fenton聯(lián)合工藝，在反應(yīng)4小時(shí)以后，硝基苯酚降解率接近100.00%。相關(guān)學(xué)者基于紫外光催化作用，分析Fenton試劑在活性艷藍(lán)X—BR的投入情況，在反應(yīng)1個(gè)小時(shí)以后，染料降解效率較高，且染料降解效率與光照強(qiáng)度成正比。在工業(yè)廢水處理過程中，開啟紫外燈應(yīng)在投入 Fenton試劑反應(yīng)后進(jìn)行。

光催化氧化協(xié)同F(xiàn)enton工藝，具有溫和的反應(yīng)條件，且成本低廉，但是在一系列因素的影響下，如溫度、時(shí)間等，反應(yīng)的穩(wěn)定性不足。所以在反應(yīng)條件的控制等方面，其研究力度需要不斷強(qiáng)化。

3.光催化技術(shù)與其他技術(shù)的聯(lián)用

相關(guān)學(xué)者選取十溴聯(lián)苯醚，與單獨(dú)使用鐵碳微電解光催化耦合Fenton氧化法相比，在反應(yīng)1個(gè)小時(shí)以后，鐵碳微電解光催化耦合Fenton氧化法聯(lián)合工藝，可以迅速降解十溴聯(lián)苯醚，降解率在95.00%左右。相關(guān)學(xué)者在處理電鍍廢水過程中，物化光-催化膜-分離聯(lián)合工藝的應(yīng)用，COD降解率至少為90%。在降解苯并三氮唑（BTA ）時(shí)，相關(guān)學(xué)者對(duì)超聲光催化-H2O2聯(lián)合工藝展開對(duì)比、研究，與單獨(dú)處理工藝相比，兩種聯(lián)合工藝在BTA的降解效果方面的作用更為良好，但是超聲-光催化-Fenton聯(lián)合工藝有著不可比擬的價(jià)值，與出水標(biāo)準(zhǔn)相一致。3種工藝的聯(lián)合，可以大大提高污水處理效率，但是在諸多選擇工藝的影響下，廢水處理操作具有較高的復(fù)雜性特點(diǎn)，反應(yīng)過程的控制難度性較強(qiáng)。

4.結(jié)束語

綜上所述，環(huán)境治理技術(shù)與光催化組合工藝具有較強(qiáng)的聯(lián)合應(yīng)用優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于水處理領(lǐng)域，但是組合工藝在工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用的研究仍然需要不斷展開?；诖耍瑧?yīng)加強(qiáng)新型技術(shù)的探索，確保光催化氧化體系產(chǎn)生的自由基更多，充分彰顯其強(qiáng)氧化能力；其次，加強(qiáng)光催化反應(yīng)器的優(yōu)化、改進(jìn)，既要發(fā)揮出成本低廉等優(yōu)勢，也要對(duì)新型反應(yīng)器進(jìn)行不斷探索、研究，更加適用于實(shí)際水處理。