【包治百病】阐述多种污水处理中的光催化技术

北极星环保网讯:摘要：光催化技术具有反应条件温和、工艺简洁、能耗低、可处理绝大多数有机物甚至无机物、可降低二次污染,对环境友好等诸多优点,同传统水处理工艺相比具有明显优势,在水处理领域应用前景十分广阔。文章将重点介绍污水处理中的光催化技术，以供同行参考。

1、前言

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,相对于传统光催化剂(ZnO,CdS和wo3等),具有化学性能稳定,能有效吸收太阳光谱中弱紫外辐射部分,氧化还原性极强,矿化彻底,耐酸碱和光化学腐蚀,无二次污染,价廉无毒,是最受重视和具有广阔应用前景的光催化剂。Tio2属于一种n型半导体材料,按其晶型结构可分为金红石相、锐钦矿相以及无定形TIO2,三者之中以锐钦矿相TIOZ催化活性最高。

2、TIO2光催化技术在水处理中的应用研究

2.1印染废水处理

印染行业是废水排放大户,是工业废水的主要污染源之一。印染废水具有水量大、有机污染物含量高、色度深,属难处理的工业废水。印染废水中具代表性的有机染料甲基橙、亚甲基蓝分别属于难降解的酿式和葱式物质。传统的化学沉淀法和气浮法对这类印染废水COD的去除率仅为30%左右,采用TIO:光催化技术降解含有机染料废水的研究不断见诸报道。

李耀中等制备了一种负载型Tio2催化剂,在二相流化床中试反应器中考察了其对难降解偶氮染料4BS和高分子化学浆料CMC配制的模拟印染废水的光催化降解效果,结果表明,难生物降解的印染废水经光催化氧化处理后,色度和COD可以有效地被去除。徐高田等采用独特的“Tio2光催化一sBR装置”考察TIO2催化剂对印染废水的处理效果,在最佳条件下,最终出水的色度、CODCr和BoD、去除率分别为90%、85%和94%。孙艺飞等制备了活性炭纤维负载Tio2光催化剂(TIO2/ACFs),该催化剂具有较好的循环使用性能,经过4次循环后该催化剂对亚甲基蓝的去除率仍达90.2%。

2.2农药废水

农药废水中含有大量的有机磷化合物、三氯苯氧乙酸、含酚化合物和三氮硝基甲烷等,有恶臭,刺激性强、毒性大,难以被生物降解,传统的处理方法主要是生化法,但处理费用高,且效果不理想。

利用Tio2光催化法处理农药废水目前的研究主要集中在提高催化剂催化效率方面,殷晓梅等川研究表明,通过对光源、反应器结构及两者之间的结合方式、反应器材质等影响因素进行优化,可以有效地提高有机磷农药的TIO2光催化降解效率,当TIO2催化剂添加量为0.1g˙L-1时,反应60min可使初始质量浓度为16mg˙L-1的乙酞甲胺磷农药降解

率达96.55%。

2.3表面活性剂废水

表面活性剂被广泛的应用于洗涤剂、造纸业、医药以及各种精细化工等领域。因其兼具亲油性和亲水性,极易残留在水中,可对水生物产生比较强的毒性,且属于生物难降解物质,日常生活中使用的表面活性剂SDBS在自然状况下分解一般需几周甚至数月。采用光催化氧化法可以将表面活性剂分解为co2和H2o,在实际应用研究中取得较好的结果。

张天永等以Tio2为光催化剂,研究表面活性剂十二烷基苯磺酸钠和有机颜料耐晒大红BBN为混合组分的光催化降解,结果表明,PH、底物用量对体系的降解有显著影响,在BBN降解过程中DBS自身也被降解,且略有促进作用。

2.4含油废水

含油废水来源广泛,所含的油类物质成分复杂、浓度高、且含有致癌烃等具有生物毒性的有机物,采用常规方法难以治理。陈捷等以钠基膨润土为原料,制备掺杂铁离子Tio2柱撑膨润土材料。研究表明,制备的复合材料中金属铁离子掺杂量为1.5%,该材料吸附和光催化性能最高,吸附去油率达92.5%,连续反应4h后去油率达98.5%;吸附后的COD净化率达88%,Toc净化率达80%,而光催化4h后净化率为82%。

2.5无机废水

无机废水中多含有金属离子和氰离子,无机污染物均可用TIOZ光催化法加以处理。一定条件下制备的Tio2光催化剂在紫外光作用下对cu2+处理效果可达到国家生活饮用水水质标准和农田灌溉水水质标准。同时光催化氧化技术也可去除cu2+、Pb2+、Hg2+等金属离子及其他无机离子。研究表明,使用Tio2为催化剂,并在催化体系中加人空穴捕获剂甲醇,在外界光照射下,可将氰化物介质中Rh和Pd还原并沉积在TIO2光催化剂表面。

3、改性 TiO2光催化技术在水处理中的研究进展

工业废水和生活污水中含有难降解的有机化合物和无机化合物，传统的污水处理方法，如吸附法、混凝沉降法、生化法，很难达到去除难降解有机物的目的，即使降解，也易造成二次污染。将改性后的纳米  TiO2用于光催化氧化处理废水，能达到深度处理的目的，可对水中染料、卤代脂肪烃、卤代芳烃、有机酸、硝基芳烃、杂环化合物、烃类、酚类、表面活性剂、农药等有效地进行光催化反应，将水中的有机物完全矿化。改性后的  TiO2光催化效率更高。BESSEKHOUAD 等采用直接混合法分别制备了 Bi2S3/TiO2和 CdS/TiO2复合光催化剂,通过 UV-Vis  光谱分析表明，二者均能大量吸收可见光，其吸收波长范围分别达到 800 nm 和 600 nm。李军奇等通过溶胶-凝胶和浸渍煅烧相结合的方法制备了具有 p-n  异质结结构的 TiO2微球表面负载氧化镍颗粒的复合光催化剂，以亚甲基橙光催化降解反应为模型，评价其光催化活性。在 500W 氙灯照射条件下降解亚甲基蓝溶液，如图  1 所示。在相同光照时间的条件下，样品对亚甲基蓝溶液的可见光降解活性顺序为：Ti-Ni-3> Ti-Ni-2> Ti-Ni-1>  Ti-Ni-0。在一定范围内随着氧化镍颗粒负载量的增加，光催化活性逐渐提高。

管耀华等采用水热法制备 B 掺杂的 TiO2光催化剂，分别在汞灯和氙灯下进行降解甲基橙的光催化反应，实验结果表明，掺杂硼元素后的粉体比纯  TiO2的光催化效果好，光催化活性随着掺硼量的变化而变化，当掺硼量达到 0.003 mol/L 时，TiO2的催化活性最好，且当汞灯照射 160 min  以上时，甲基橙的浓度降解率可达 100%。李德松等通过高能球磨法制备了铁掺杂的纳米 TiO2以工业染料亚甲基蓝为目标降解物，考察  TiO2的光催化性能。未掺杂和铁掺杂浓度不同的 TiO2在不同时间内的降解率数据见表 1。在 60 min 内掺杂比例较小的 F1，F2 样品较未掺杂样品 F0  光催化降解亚甲基蓝溶液的效率提高，且 F2 表现出更高的光催化活性，而掺杂比例较大的样品 F3，F4 相比 F2 催化活性下降。

结语

纳米 TiO2具有特殊的物理和化学特性，使其在环境、信息、材料、能源、医疗和卫生等领域有广阔的应用前景。利用无毒、价廉的纳米  TiO2光催化分解水中污染物是一项极具开发前途的水污染控制技术。由于 TiO2本身结构与性能的限制，这项技术在国内外尚处于研究阶段，尚待进行改进。

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