光催化氧化技术在水处理应用中的研究进展

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[摘 要] 光催化氧化技术是一种新兴发展起来的污染治理技术，具有降解彻底、无二次污染、低能耗以及无选择矿化等特点而受到世人的关注。本文介绍了光催化氧化的基本原理，综述了其在废水处理中的应用。并对其研究进展和应用前景进行了展望。

[关键词] 光催化氧化，水处理，展望

[中图分类号] X703 [文献标识码] A

随着科技的高速发展和人类文明的进步，各种环境污染问题越来越严重，其中水污染问题也随着社会和经济的高速发展而日益突出。光催化氧化技术（ Photocatalytic Oxidation）作为一种高级氧化水处理技术引起了广泛重视。光催化剂在光照的条件下能够产生强氧化性的自由基，该自由基能彻底降解几乎所有的有机物，并最终生成H2O、CO2等无机小分子，加上光催化反应还具有反应条件温和，反应设备简单，二次污染小，操作易于控制，催化材料易得，运行成本低，可望用太阳光为反应光源等优点，因而近年来受到广泛关注[1]。

1 光催化降解水中污染物的作用原理

光催化降解技术中，通常是以TiO2等电子导电型半导体氧化物为催化剂，TiO2的光催化反应机理可以用能带理论来解释，这些半导体粒子由于其空间限制，它的电子能级是分裂的，能带结构一般由填满电子的价带和空的高能导带构成，价带和导带之间存在禁带，当用能量等于或大于禁带宽度的光照射到半导体时，价带上的电子（e-）被激发跃迁到导带形成光生电子（e-），在价带上产生空穴（h+），并在电场作用下分别迁移到粒子表面。光生电子（e-）易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获，而空穴因具有极强的获取电子的能力而具有很强的氧化能力，反应物水溶液中的水分子吸附在半导体粒子表面，可将其表面吸附的有机物或OH-及H2O分子氧化成・OH自由基，・OH自由基有极强的氧化能力，能氧化分解水中大部分的有机物和无机物，并使之转变为CO2和H2O或其他无毒无机物[2]。其反应机理如下：

TiO2+hγh++e-

h++e-热量

h++OH-HO・

H2O2+hγ2HO・

h++H2OHO・+H+

e-+O2O2-

O2-+H+HO2・

2HO2O2+H2O2

H2O2+O2-HO・+OH-+O2

2 光催化氧化法在水处理中的研究进展

2.1 光催化氧化法处理废水中的有机污染物

随着难降解有机物在空气和废水中含量的持续增长，已严重威胁着人类的健康。从而引起了人们的高度重视。为了降解这些污染物，研发新型、环境友好型的降解方法势在必行。光催化氧化法被应用于气相和液相中一些难降解污染物的治理研究中，并取得了显著的效果。根据已有的研究工作，发现卤代脂肪烃、卤代芳烃、有机酸类、硝基芳烃、取代苯胺、多环芳烃、杂环化合物等都能被有效地进行光催化反应，以消除其对环境的污染及对人体健康的危害[3]。

张向华等研究了弱紫外光光催化氧化降解2，4-二氯苯氧基乙酸（2，4-D）、4-氯酚（4-CP）和草酸（OA）三种模型有机污染物及其同时产氢现象。结果表明：在光催化剂1.0 %Pt / TiO2（1.0 g/L）作用下，用弱紫外光分别光照含有2，4-D，4-CP和OA的三种水溶液（均为1.0 mmol/L，160 mL）悬浮体系2 h，产生了38.43，0.05及111.35μmol的氢气和73.80，4.49及175.99μmol的二氧化碳，同时污染物2，4-D和4-CP去除率分别为83.83%和36.19%[4]。

Huang等采用溶胶-凝胶法制各了Pt-TiO2/沸石复合光催化材料，表明当Pt掺杂量为1.5%时，其对甲基橙染料废水处理30 min后，废水的脱色率达到86.2%。并且当重复利用5次后，废水的脱色率仍可达到81.9%[5]。

Manouchehr Nikazar等采用固态分散法制备了斜发沸石/纳米TiO2复合光催化剂，来处理酸性红114染料废水，表明纳米TiO2负载量为质量分数为10%时废水的脱色率较高，并且其光催化降解反应符合动力学一级方程[6]。

通过NaY型分子筛负载Fe3+制备异相Fenton催化剂（FeY），采用FeY在可见光（A>420 nm）照射下研究其降解染料罗丹明B（RhB）和2，4―二氯苯酚（DCP），结果表明，RhB/FeY/H2O2体系在可见光照射下能有效地降解RhB，反应270 min，RhB的脱色率达到100%，TOC去除率达75.6%，DCP/FeY/H2O2体系在可见光照射下，反应150 min，DCP的降解率可达81.0%[7]。

2.2 光催化氧化法处理废水中的无机污染物

Fu-Shen Zhang和Hideaki Itoh进行了光催化氧化亚砷酸盐并且将砷酸盐从水中去除的研究，试验采用了氧化铁-二氧化钛-矿渣吸附剂，实验表明，亚砷酸盐首先被氧化成砷酸盐，然后通过吸附被去除[8]。

柳丽芬和李秀婷等人采用光催化还原法制备了高活性的载银二氧化钛光催化剂，考察了负载Ag的含量、催化剂制备时间、搅拌气体的种类以及Fe2+的添加等条件对该催化剂光催化水体脱氮活性的影响。结果表明：载银量1.0%时去除效果最佳； 制备催化剂时光照时间不充分会使催化剂失去还原效力；氮气保护下催化剂反应活性更高；Fe2+的加入利于光催化反应；2 h光催化含氨氮和亚硝基氮的水样，总脱氮率达到了63.9%[9]。

2.3 光催化氧化法处理医药废水

医药废水有机物浓度高、可生化性差、色度深、成分复杂，含有石油类、胺类、酸类、破乳剂等污染物，属难降解有机废水。

F.Mendez.Arriaga等用1kW氙灯和TiO2催化氧化含布洛芬（IBP）的模拟废水。在TiO2和溶解氧分别为1和40 mg/L，温度30 ℃条件下照射4 h，废水TOC去除率达80%，BOD5/COD由0提高到0.42，可生化性明显增大[10]。