光催化氧化技术在水处理中应用及研究进展


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摘要:介绍了光催化氧化的机理,就TiO2固定化制备、改性、光催化氧化在降解废水中有机污染物、无机污染物以及饮用水处理中的研究进展进行了阐述,提出了今后的发展方向。

    慧聪涂料原料网讯:关键词:纳米二氧化钛,光催化氧化,水处理,研究进展

    光催化氧化技术是一种新兴的水处理技术。1972年,Fu-jishima和Honda[1]报道了在光电池中光辐射TiO2可持续发生水的氧化还原反应,标志着光催化氧化水处理时代的开始。1976年,Carey等[2]在光催化降解水中污染物方面进行了开拓性的工作。此后,光催化氧化技术得到迅速发展。光催化技术具有反应条件温和、能耗低、操作简便、能矿化绝大多数有机物、可减少二次污染及可以用太阳光作为反应光源等突出优点,在难降解有机物、水体微污染等处理中具有其他传统水处理工艺所无法比拟的优势,是一种极具发展前途的水处理技术,对太阳能的利用和环境保护有着重大意义。

    1TiO2光催化剂的特性及光催化氧化机理

    TiO2有锐钛矿型、金红石型和板钛矿型三种晶型。同样条件下,锐钛矿型的催化活性较好。在众多光催化剂中,TiO2是目前公认的最有效的半导体催化剂,其特点有:化学性质稳定,能有效吸收太阳光谱中弱紫外辐射部分,氧化还原性极强,耐酸碱和光化学腐蚀,价廉无毒。目前对光催化的机理研究尚不成熟,一般认为光催化氧化法是以N型半导体的能带理论为基础。TiO2属于N型半导体,其能带是不连续的,在充满电子的低能价带(VB)和空的高能导带(CB)之间存在一个禁带,带隙能为3.2eV,光催化所需入射光最大波长为387.5nm。当λ≤387.5nm的光波辐射照射TiO2时,处于价带的电子被激发跃迁到导带,生成高活性电子(e-),同时在价带上产生相应的空穴(h+),从而形成具有高度活性的电子/空穴对,并在电场作用下分离,向粒子表面迁移,既可直接将吸附的有机物分子氧化,也可与吸附在TiO2表面的羟基或水分子反应生成氧化性很强的活性物质氢氧自由基·OH。·OH自由基是一种非选择性的强氧化剂,可以氧化包括生物难以降解的各种有机物,使之彻底氧化为CO2,H2O和其他无机物。

    2TiO2固定化制备及改性研究

    2.1TiO2固定化制备

    针对TiO2粉末回收困难且不能有效利用可见光等缺点,催化剂固定化不仅是解决催化剂回收利用的有效途径,也是运用活性组分和载体的各项功能,以改善催化剂功能的理想形式。TiO2固定化制备方法主要有:1)粉体烧结法,此法简单易行,光催化活性较高,但存在牢固性欠佳、分布不均等问题。2)偶联法,这种方法将TiO2粉体与载体通过偶联剂粘合在一起,适用于制备TiO2复合涂料。3)溶胶—凝胶法制备TiO2薄膜,这是目前常用的一种制备方法。此法制备的薄膜不仅均匀性和结晶性较好,而且可以通过改变溶胶—凝胶参数来控制膜的表面积和孔结构,制得高活性的催化剂,技术简单,但多次浸渍、提拉使制备过程历时较长。国内外研究中所应用的载体主要有硅胶、玻璃、铝材、陶瓷、石英玻璃管和光导纤维等。总之,催化剂的固定化方式很多,但都有不足之处,解决催化剂固定化问题仍是目前研究工作的重点。

    2.2TiO2的改性

    TiO2吸收波长狭窄,对太阳光的利用率低。为扩展TiO2吸收波长范围和提高光催化活性,对TiO2进行改性研究是十分必要的。

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