TiO2薄膜光催化处理有机废水(工业催化大作业).doc

薄膜光催化处理有机废水 有机废水的治理作为环保领域的重要课题已受到全球范围的重视，为治理这些废水，保护环境，人们经过长期努力，已建立了许多净化处理废水的技术，常用的有物理法、化学法、生物法等，这些方法各有其优缺点，大都对污染物降解不彻底、容易造成二次污染、设备投资大、操作费用过高等。随着国家对环保要求的提高，现有的单一技术难以满足废水达标排放的要求，因此有必要探索高效、无害化的新技术。 以薄膜半导体为催化剂的光催化技术是近20年来环境研究的热点之一，许多研究表明它可以较好地降解水和空气中的很多污染物，包括有机物和无机物。半导体光催化可在常温常压下进行，催化活性高，适用范围广，无二次污染。目前，广泛研究的半导体薄膜有、、、等，其中，二氧化钛具有化学稳定性高、催化活性好、价格低廉、无毒等优点，是最具有前途的绿色环保催化剂之一。 一、薄膜及其光催化处理有机废水的意义 自J.H.Carey等报道了纳米光催化氧化法成功用于水中多氯联苯(PCB)化合物脱氯去毒后，半导体薄膜多相光催化在水处理领域引起了广泛的重视。光催化氧化反应的原理可以用半导体的能带理论来阐述。以的催化氧化反应为例，型半导体粒子纳米的能带结构一般由低能价带和高能导带构成，价带和导带之间存在禁带。能带和导带之间的带隙能为。当半导体二氧化钛受到能量大于其禁带宽度的光源照射时，其价带的电子就被激发，跃迁到导带，产生原初电荷分离，从而产生导带电子和禁带空穴。这些电子和空穴对迁移到表面后，具有强的接收电子的倾向，可以参加氧化还原反应，直接将有机分子氧化为正碳自由基或将表面现象的水分子氧化为羟基自由基。生成的羟基自由基进攻有机物分子，使之氧化和分解，最终使有机污染物转化为和无机盐达到矿化. 近年来，由于工业及生活废水、废气的排放，剧毒和致癌化学物质的危害及生态环境的恶化，光催化技术在环境污染治理方面得到了广泛的关注。其作为一种污染治理新技术与其它方法相比，所具备的优势主要体现在：①由于是利用可再生、无污染的太阳能源，因此光催化为能量集约型的传统处理方法提供了一个很好的选择；②光催化能够将有机物转化成无机小分子结构，大大降低产物毒性；③光催化能降解不同污染源的各类有毒有机物；④光催化处理技术不仅能应用于液相和气相，而且在某种程度上也可应用于固相；⑤光催化反应作用条件温和，反应时间适中，而且投加化学剂量较少；⑥几乎不产生二次污染物；⑦可实现金属回收，将高价金属离子转化成低毒或无毒的金属状态。 二、工艺流程 按照有机物是否具有生物毒性以及生物降解的难易程度，有机污染物一般可分为四类：(1)无生物毒性，易降解，包括大多数有机物；(2)无生物毒性，难降解的有机物，如木质素、纤维素、烷基苯磺酸钠、聚乙烯醇等；(3)有生物毒性，可生物降解的有机物，如邻氯酚、甲醛、苯酚、硝基化合物等；(4)有生物毒性，难生物降解的有机物，如多氯联苯、喹啉、吡啶等。通常所指的难降解有机污染物即是指第 2、3、4 类物质。 本文以纺织印染废水处理为例，即第4类物质，为例来阐明工业有机废水处理的流程。纺织印染工业生产因为受原料、季节、市场需求等变化的影响，因此废水的水质变化很大。同时，纺织印染废水的排放量是间歇的，所以废水排放量极不均匀。该废水水质复杂，含有大量残余的染料的助剂，因此色度大，有机物含量高。并且废水中含有大量的碱类，pH值高。 工业印染废水处理工程的工艺流程为“水解酸化一接触氧化—气浮”法，该处理工艺为生化、物化相结合的工艺，其流程见图6-6。 三、光催化处理有机废水反应器及其催化剂薄膜 3.1 光催化反应器的设计与应用 由于薄膜光催化处理有机废水，现还处于研究开发阶段，还没将其具体地应用在实际的工业的生产中，因此本文将以实验反应装置为例来介绍薄膜光催化处理有机废水的反应器。 有研究者认为，光催化反应器的设计是这项技术实现工业化的关键。图4.1 是自行设计组装的光催化反应器，其有效容积为1500mL。反应器为密封的圆柱型容器，顶端设有电源开关及反应定时装置，中心悬挂紫外线灯。催化膜组件是用溶胶-凝胶法在不锈钢片上制得的 固定膜，底部带有曝气装置以提供充足的氧气并起到一定的搅拌作用。 实验时六片涂有 薄膜的不锈钢片垂直放置在反应器的周围，在催化反应器中加入1200ml 的纺织印染废水，以20w 紫外线灯为光源，用泵通入空气，以便反应时及时搅拌水样。实验中每隔1.5h 取一次水样，用重铬酸钾法标定反应液的COD 值，按公式4.3 计算出薄膜对纺织印染废水的降解率。 图4.1 光催化反应器 1－冷却水出口 2－涂有TiO2膜的不锈钢片 3－紫外线灯 4－曝气扩散头 5－充气口 6－冷却水入口 图4.2 是 薄膜对纺织印染废水降解效果曲线，由图可以看出