光催化在治理环境污染中的应用
文章系统的阐述纳米TiO2的制备、光催化净化机理、及在大气污染和水污染治理中的应用;且对TiO2光催化净化机理及优势。光催化在环境污染中的应用进行了分析阐述,加强污水处理,保护环境治理与建设。其详细内容,请阅读此文!
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光催化氧化法处理、净化受污染水体的方法是一种高级氧化技术其研究和应用是近30年来迅速发展的一个新领域,对许多有毒有害的有机污染物的处理均显示出其独特的优势,如氧化降解水体中不饱和有机化合物、芳烃、卤化烃、芳香类化合物、杂环化合物、染料、表面活性剂有机氮磷农药等.光催化能将难降解有机污染物氧化、分解,直至H2O、CO2和无机盐等,使有机物部分或完全矿物质化(矿化),从而达到污染物无害化处理的要求.目前,用于光催化降解环境中污染物的催化剂多为N型半导型材料,如TiO2、ZnO、CdS、WO3、SnO、Fe2O3等,其中TiO2因其活性高、稳定性好,对人体无害而成为最受重视的一种光催化剂。实验表明,TiO2至少可以经历12次的反复使用而保持光分解效率基本不变,连续580分钟光照下保持其活性,因而将其投入实际应用有着广阔的发展前景。本文系统阐述纳米TiO2的制备、光催化净化机理、及在大气污染和水污染治理中的应用。1TiO2光催化净化机理及优势1.1机理TiO2属于一种N型半导体材料,TiO2的禁带宽度为3.2eV,当它的波长小于或等于387.5nm,价带中的电子就会被激发到导带上,形成带负电的高活性电子e-,同时在价带上产生带正电的空穴h+(h+的氧化电位以标准氢电位计为3.0V,比起氯气的1.36V和臭氧的2.07V,其氧化性要强得多)。在电场的作用下,电子与空穴发生分离,迁移到粒子表面的不同位置。分布在表面的空穴h+可以将吸附在TiO2的OH-和H2O分子氧化成羟基自由基(·OH)。其作用机理可用以下反应式说明:[2]羟基自由基(·OH)的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的,能氧化大多数的有机污染物及部分无机污染物,将其最终降解为CO2、H2O等无害物质,为使反应体系中有足够的羟基自由基(·OH)就必须防止电子和空穴的复合,因此可以在体系中额外加入一些强氧化剂作为电子受体如K2S2O8、H2O2、O3等能够俘获催化剂表面的电子,尽可能削弱如(7)所示的复合过程的进行。而另一方面TiO2表面高活性的电子e-则具有很强的还原能力,可以还原除去水体中的金属离子,其过程可以表示为:Mn+(金属离子)+ne-M0(8)这里同样要考虑电子和空穴的复合问题,为此可以加入一些空穴俘获剂如甲醇,从而使体系中有足够的高活性的电子e-。体系选用的光催化剂TiO2之所以为纳米级主要考虑以下两方面的影响:一方面从光催化机理上分析,物质的降解速度必然与光生载流子电子和空穴的浓度有关。而纳米级的TiO2随着粒径的减小,表面原子迅速增加,光吸收效率提高,从而增加表面光生载流子的浓度,另一方面催化反应的速率与物质在催化剂上的吸附量有关,随着晶粒尺寸的减小,比表面增大,表面键态和电子态与颗粒内部不同,表面原子的配位不全导致表面活性位置增多,因而与大粒径的同种材料相比,活性更高,有利于反应物的吸附,从而增大反应几率。1.2优势由于光催化氧化法对于水中的烃、卤代有机物(包括卤代脂肪烃、卤代羧酸、卤代芳香烃)、羧酸、表面活性剂、除草剂、染料、含氮有机物、有机磷杀虫剂等有机物,以及氰离子、金属离子等无机物均有很好的去除效果,一般经持续反应可达到完全无机化。所以半导体光催化氧化技术作为一种高级氧化技术,与生物法和其它高级化学氧化法相比,具有以下显著优势:[3](1)以太阳光为最终要求的辐射能源,把太阳能转化为化学能加以利用。太阳光,是取之不尽、用之不竭的,因此大大降低了处理成本,是一种节能技术。(2)光激发空穴产生的·OH是强氧化自由基,可在较短时间内成功分解水中难降解有机物在内的大多数有机物,它还能分解水中微量有机物,因此是一种普遍实用的高效处理技术。(3)半导体光催化技术具有稳定性高、耐腐蚀、无毒的特点,并且在处理过程中不产生二次污染,从物质循环的角度看,有机污染物能被彻底无机化,因此是一种洁净的处理技术。(4)对环境要求低,对pH值、温度等没有特殊要求。(5)处理负荷没有限制,即:可以处理高浓度废水,也可以处理轻微污染水源水。此外,光催化降解不仅能用于治理有机污染,而且能还原某些高价的重金属离子,使之对环境氧化稳度变小。如对含Cr6+水的试验表明,以浓度为2g/L的WO3/W/Fe2O3的复合光敏半导体为催化剂,用太阳光光照3h,Cr6+浓度由80mg/L降为0.1mg/L,降解率达99.9%。对于复杂的污染体系。如:含有无机重金属离子和有机污染物的污水体系,光催化降解也能将二者同时催化去除。现有研究发现,在光照条件下,以TiO2为催化剂,Cr6+和对氯苯酚这两种污染物能分别发生还原、氧化作用,达到光催化净化的目的。而且,光催化净化还可用于饮用水方面,饮用水水源污染,特别是微量有机物的污染,是自来水行业存在的严重问题。迄今为止,国内外饮用水去除有机物的技术均不能令人满意,尤其有机氯化合物很稳定,一般的处理方法很难去除,而应用光催化降解法,均能在短时间内降解此类难去除的化合物。
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