第7篇 催化剂载体的应用及其研究进展.docx

TiO2光催化氧化技术在废水处理中的应用摘要：介绍了TiO2光催化氧化技术的基本作用机理，以及不同的TiO2光催化氧化技术在处理废水中的应用，并展望了该技术的发展方向。关键词：作用机理光催化废水1、前言TiO2光化学氧化法是近年来日益受重视的污染治理新技术，与湿法氧化相比，TiO2光氧化反应条件温和，处理过程可以在常温常压下进行，因此处理工艺较简单。TiO2光氧化法适用范围广，特别适用于无法或难于生物降解的有毒有机污染物的治理。目前研究较深入的光氧化处理技术可分为两大类。一类是均相光氧化法，另一类就是非均相半导体光催化氧化法。目前，在多相光催化反应所使用的半导体催化剂中，TiO以其无毒、催化活性高、氧化能力强、稳定性好最为常用。但由于TiO2的带隙较宽(约3.2 eV)，能利用的太阳能仅占总太阳光强的大约3%。为了提高对太阳能的利用率，并积极改善催化效率，人们已进行了大量的研究工作，如采取一些表面修饰改性技术，设计研制高效能反应器等。2、反应机理　　1.光催化反应过程半导体粒子具有能带结构，一般由填满电子的低能价带(valence band,VB)和空的高能导带(conduction band,CB)构成，价带和导带之间存在禁带。当用能量等于或大于禁带宽度(也称带隙,Eg)的光照射半导体时，价带上的电子(e-)被激发跃迁至导带，在价带上产生相应的空穴(h+)，并在电场作用下分离并迁移到粒子表面。光生空穴有很强的得电子能力，具有强氧化性，可夺取半导体颗粒表面被吸附物质或溶剂中的电子，使原本不吸收光的物质被活化氧化，电子受体通过接受表面的电子而被还原。光催化机理可用下式说明：TiO2＋H2O→e-＋h+h+＋H2O→*OH＋H+h+＋OH-→*OHO2＋e-→*O2-，*O2-＋H+→HO2*2HO2*→O2＋H2O2H2O2＋O2-→*OH＋OH-＋O22.能带位置　　半导体的光吸收阈值λg与带隙Eg有关，其关系式为：λg(nm)＝1240／Eg(eV)常用宽带隙半导体吸收波长阈值大都在紫外光区，应用最多的锐钛矿型TiO2在pH为1时的带隙为3.2eV，光催化所需入射光最大波长为387nm。半导体的能带位置及被吸附物质的还原电势，决定了半导体光催化反应的能力。热力学允许的光催化氧化还原反应要求受体电势比半导体导带电势低(更正)；给体电势比半导体价带电势高(更负)，才能供电子给空穴。3.电子、空穴的捕获光激发产生的电子和空穴可经历多种变化途径，其中最主要的是捕获和复合两个相互竞争的过程。对光催化反应来说，光生空穴的捕获并与给体或受体发生作用才是有效的。如果没有适当的电子或空穴捕获剂，分离的电子和空穴可在半导体粒子内部或表面复合并放出热能。选用适当的表面空位或捕获剂捕获空位或电子可使复合过程受抑制。如果将有关电子受体或给体(捕获剂)预先吸附在催化剂表面，界面电子传递和被捕获过程就会更有效，更具竞争力。由电子、空穴的电荷分离机理可知，为提高TiO2的光催化效率需着重考虑以下两点：提高光生电子、空穴电荷的分离效率及提高光生活性物种，特别是电子的消耗速率。3、光催化在废水处理中的应用光催化技术对有机污染物有良好的催化降解作用。目前已广泛应用于油污废水、农药废水、染料废水、表面活性剂废水、造纸废水和其他有机废水的处理中．还可用于工业废水中无机化合物(重金属)的回收再利用。3.1油污废水目前油田采出油的含水率高达90％以上。通过沉降、混凝、斜板除油、粗粒化除油、过滤除油后可将油、水分离。但水中的油含量尚未达到国家颁布的排放水水质标准要求．若直接排放将对环境造成污染，因此还需对其做进一步深度处理。目前清除油污主要采用机械法、吸附法、油层分散法、生物法以及膜技术等，但这些处理技术一般效率不高、操作时间长且费用高，容易造成二次污染等。采用光催化技术处理油污废水，最终分解产物为CO2、TiO2及无害有机物。无二次污染。张海燕[1]等制备了纳米TiO2，半导体光催化剂用于含油污水的处理，当TiO2与Fe3+或H2O2共存时，在相同光照时间下，油的去除率比仅有TiO2时提高了5％～16％：将其应用于实际采油污水处理时，以太阳光作光源照射3 h．除油率达到98％以上。3.2农药废水农药的大面积使用在造福于人类的同时．也给人类赖以生存的环境带来危害。由于农药在环境中停留时间长、危害范围广，因此降解难度较大。敌百虫(C4H8O4PCI3)是一种应用广泛的有机磷类杀虫剂，对其废水的治理大多采用生化法，但降解率不高，且受其他因素的影响较大。彭延治等[2]研究了UV—TiO2一Fenton体系光催化降解敌百虫农药废水，由于UV—TiO2一Fenton有极强的氧化性，因此能有效地降解敌百虫农药。实验发现，当敌百虫农药浓度为0．1 mmoI／L、反应液起始pH为3．25