摘要：光催化技術(shù)具有反應(yīng)條件溫和、工藝簡潔、能耗低、可處理絕大多數(shù)有機(jī)物甚至無機(jī)物、可降低二次污染,對(duì)環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn),同傳統(tǒng)水處理工藝相比具有明顯優(yōu)勢(shì),在水處理領(lǐng)域應(yīng)用前景十分廣闊。文章將重點(diǎn)介紹污水處理中的光催化技術(shù)，以供同行參考。

1、前言

在眾多光催化劑中,TIO2是目前公認(rèn)的最有效的半導(dǎo)體催化劑,相對(duì)于傳統(tǒng)光催化劑(ZnO,CdS和wo3等),具有化學(xué)性能穩(wěn)定,能有效吸收太陽光譜中弱紫外輻射部分,氧化還原性極強(qiáng),礦化徹底,耐酸堿和光化學(xué)腐蝕,無二次污染,價(jià)廉無毒,是最受重視和具有廣闊應(yīng)用前景的光催化劑。Tio2屬于一種n型半導(dǎo)體材料,按其晶型結(jié)構(gòu)可分為金紅石相、銳欽礦相以及無定形TIO2,三者之中以銳欽礦相TIOZ催化活性最高。

2、TIO2光催化技術(shù)在水處理中的應(yīng)用研究

2.1印染廢水處理

印染行業(yè)是廢水排放大戶,是工業(yè)廢水的主要污染源之一。印染廢水具有水量大、有機(jī)污染物含量高、色度深,屬難處理的工業(yè)廢水。印染廢水中具代表性的有機(jī)染料甲基橙、亞甲基藍(lán)分別屬于難降解的釀式和蔥式物質(zhì)。傳統(tǒng)的化學(xué)沉淀法和氣浮法對(duì)這類印染廢水COD的去除率僅為30%左右,采用TIO:光催化技術(shù)降解含有機(jī)染料廢水的研究不斷見諸報(bào)道。

李耀中等制備了一種負(fù)載型Tio2催化劑,在二相流化床中試反應(yīng)器中考察了其對(duì)難降解偶氮染料4BS和高分子化學(xué)漿料CMC配制的模擬印染廢水的光催化降解效果,結(jié)果表明,難生物降解的印染廢水經(jīng)光催化氧化處理后,色度和COD可以有效地被去除。徐高田等采用獨(dú)特的“Tio2光催化一sBR裝置”考察TIO2催化劑對(duì)印染廢水的處理效果,在最佳條件下,最終出水的色度、CODCr和BoD、去除率分別為90%、85%和94%。孫藝飛等制備了活性炭纖維負(fù)載Tio2光催化劑(TIO2/ACFs),該催化劑具有較好的循環(huán)使用性能,經(jīng)過4次循環(huán)后該催化劑對(duì)亞甲基藍(lán)的去除率仍達(dá)90.2%。

2.2農(nóng)藥廢水

農(nóng)藥廢水中含有大量的有機(jī)磷化合物、三氯苯氧乙酸、含酚化合物和三氮硝基甲烷等,有惡臭,刺激性強(qiáng)、毒性大,難以被生物降解,傳統(tǒng)的處理方法主要是生化法,但處理費(fèi)用高,且效果不理想。

利用Tio2光催化法處理農(nóng)藥廢水目前的研究主要集中在提高催化劑催化效率方面,殷曉梅等川研究表明,通過對(duì)光源、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及兩者之間的結(jié)合方式、反應(yīng)器材質(zhì)等影響因素進(jìn)行優(yōu)化,可以有效地提高有機(jī)磷農(nóng)藥的TIO2光催化降解效率,當(dāng)TIO2催化劑添加量為0.1g˙L-1時(shí),反應(yīng)60min可使初始質(zhì)量濃度為16mg˙L-1的乙酞甲胺磷農(nóng)藥降解

率達(dá)96.55%。

2.3表面活性劑廢水

表面活性劑被廣泛的應(yīng)用于洗滌劑、造紙業(yè)、醫(yī)藥以及各種精細(xì)化工等領(lǐng)域。因其兼具親油性和親水性,極易殘留在水中,可對(duì)水生物產(chǎn)生比較強(qiáng)的毒性,且屬于生物難降解物質(zhì),日常生活中使用的表面活性劑SDBS在自然狀況下分解一般需幾周甚至數(shù)月。采用光催化氧化法可以將表面活性劑分解為co2和H2o,在實(shí)際應(yīng)用研究中取得較好的結(jié)果。

張?zhí)煊赖纫訲io2為光催化劑,研究表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉和有機(jī)顏料耐曬大紅BBN為混合組分的光催化降解,結(jié)果表明,PH、底物用量對(duì)體系的降解有顯著影響,在BBN降解過程中DBS自身也被降解,且略有促進(jìn)作用。

2.4含油廢水

含油廢水來源廣泛,所含的油類物質(zhì)成分復(fù)雜、濃度高、且含有致癌烴等具有生物毒性的有機(jī)物,采用常規(guī)方法難以治理。陳捷等以鈉基膨潤土為原料,制備摻雜鐵離子Tio2柱撐膨潤土材料。研究表明,制備的復(fù)合材料中金屬鐵離子摻雜量為1.5%,該材料吸附和光催化性能最高,吸附去油率達(dá)92.5%,連續(xù)反應(yīng)4h后去油率達(dá)98.5%;吸附后的COD凈化率達(dá)88%,Toc凈化率達(dá)80%,而光催化4h后凈化率為82%。

2.5無機(jī)廢水

無機(jī)廢水中多含有金屬離子和氰離子,無機(jī)污染物均可用TIOZ光催化法加以處理。一定條件下制備的Tio2光催化劑在紫外光作用下對(duì)cu2+處理效果可達(dá)到國家生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和農(nóng)田灌溉水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)光催化氧化技術(shù)也可去除cu2+、Pb2+、Hg2+等金屬離子及其他無機(jī)離子。研究表明,使用Tio2為催化劑,并在催化體系中加人空穴捕獲劑甲醇,在外界光照射下,可將氰化物介質(zhì)中Rh和Pd還原并沉積在TIO2光催化劑表面。

3、改性 TiO2光催化技術(shù)在水處理中的研究進(jìn)展

工業(yè)廢水和生活污水中含有難降解的有機(jī)化合物和無機(jī)化合物，傳統(tǒng)的污水處理方法，如吸附法、混凝沉降法、生化法，很難達(dá)到去除難降解有機(jī)物的目的，即使降解，也易造成二次污染。將改性后的納米 TiO2用于光催化氧化處理廢水，能達(dá)到深度處理的目的，可對(duì)水中染料、鹵代脂肪烴、鹵代芳烴、有機(jī)酸、硝基芳烴、雜環(huán)化合物、烴類、酚類、表面活性劑、農(nóng)藥等有效地進(jìn)行光催化反應(yīng)，將水中的有機(jī)物完全礦化。改性后的 TiO2光催化效率更高。BESSEKHOUAD 等采用直接混合法分別制備了 Bi2S3/TiO2和 CdS/TiO2復(fù)合光催化劑,通過 UV-Vis 光譜分析表明，二者均能大量吸收可見光，其吸收波長范圍分別達(dá)到 800 nm 和 600 nm。李軍奇等通過溶膠-凝膠和浸漬煅燒相結(jié)合的方法制備了具有 p-n 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的 TiO2微球表面負(fù)載氧化鎳顆粒的復(fù)合光催化劑，以亞甲基橙光催化降解反應(yīng)為模型，評(píng)價(jià)其光催化活性。在 500W 氙燈照射條件下降解亞甲基藍(lán)溶液，如圖 1 所示。在相同光照時(shí)間的條件下，樣品對(duì)亞甲基藍(lán)溶液的可見光降解活性順序?yàn)椋篢i-Ni-3> Ti-Ni-2> Ti-Ni-1> Ti-Ni-0。在一定范圍內(nèi)隨著氧化鎳顆粒負(fù)載量的增加，光催化活性逐漸提高。

管耀華等采用水熱法制備 B 摻雜的 TiO2光催化劑，分別在汞燈和氙燈下進(jìn)行降解甲基橙的光催化反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻雜硼元素后的粉體比純 TiO2的光催化效果好，光催化活性隨著摻硼量的變化而變化，當(dāng)摻硼量達(dá)到 0.003 mol/L 時(shí)，TiO2的催化活性最好，且當(dāng)汞燈照射 160 min 以上時(shí)，甲基橙的濃度降解率可達(dá) 100%。李德松等通過高能球磨法制備了鐵摻雜的納米 TiO2以工業(yè)染料亞甲基藍(lán)為目標(biāo)降解物，考察 TiO2的光催化性能。未摻雜和鐵摻雜濃度不同的 TiO2在不同時(shí)間內(nèi)的降解率數(shù)據(jù)見表 1。在 60 min 內(nèi)摻雜比例較小的 F1，F(xiàn)2 樣品較未摻雜樣品 F0 光催化降解亞甲基藍(lán)溶液的效率提高，且 F2 表現(xiàn)出更高的光催化活性，而摻雜比例較大的樣品 F3，F(xiàn)4 相比 F2 催化活性下降。

結(jié)語

納米 TiO2具有特殊的物理和化學(xué)特性，使其在環(huán)境、信息、材料、能源、醫(yī)療和衛(wèi)生等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。利用無毒、價(jià)廉的納米 TiO2光催化分解水中污染物是一項(xiàng)極具開發(fā)前途的水污染控制技術(shù)。由于 TiO2本身結(jié)構(gòu)與性能的限制，這項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)外尚處于研究階段，尚待進(jìn)行改進(jìn)。