光催化氧化技術(shù)在潮州水處理中的應(yīng)用與研究進(jìn)展
潮州水處理光催化氧化技術(shù)是一種新型的水處理技術(shù)。1972年，傅-jishima和本田（Honda）[1]報(bào)道在細(xì)胞內(nèi)的光輻射的TiO2可持續(xù)發(fā)生水的氧化還原反應(yīng)，標(biāo)志著光催化氧化水處理剛開(kāi)始的時(shí)候。1976年，凱里等[2]在光催化降解污染物的開(kāi)創(chuàng)性工作。從那時(shí)起，光催化氧化技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得很快。光催化技術(shù)具有反應(yīng)條件溫和，能耗低，操作方便，和礦物質(zhì)，將絕大多數(shù)的有機(jī)物，可減少二次污染，并能利用太陽(yáng)光作為反應(yīng)源，和其他突出的優(yōu)點(diǎn)，在難降解有機(jī)物，水微污染處理與其他傳統(tǒng)的水處理工藝無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，是一種非常水處理技術(shù)的未來(lái)發(fā)展戰(zhàn)略，太陽(yáng)能和環(huán)保的應(yīng)用具有十分重要的意義。
1TiO2的光催化氧化機(jī)理的特點(diǎn)
TiO2具有銳鈦型，金紅石型和板鈦礦型3種晶型。相同條件下，在銳鈦礦型的催化活性是好的。在眾多的光催化劑中，TiO2是目前公認(rèn)的最有效的半導(dǎo)體催化劑，其特點(diǎn)是：化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可有效地吸收太陽(yáng)光譜中弱紫外線(xiàn)輻射的一部分，減少氧化是非常強(qiáng)，耐酸，耐堿性和耐化學(xué)腐蝕，無(wú)毒的，價(jià)格低。在目前的光催化研究的機(jī)制還不成熟，人們普遍認(rèn)為，光催化氧化是n型半導(dǎo)體能帶理論為基礎(chǔ)的。二氧化鈦屬于n-型半導(dǎo)體，該頻帶是不連續(xù)的，充滿(mǎn)電子低能量的價(jià)帶（VB）潮州和空的高能量導(dǎo)帶（CB）之間存在的禁帶的帶隙為3.2eV，光催化所需的****入射光波長(zhǎng)為387.5納米。當(dāng)λ視力387.5nm的光輻射照射二氧化鈦，在價(jià)帶中電子的撩撥過(guò)渡到導(dǎo)帶，產(chǎn)生高活性的電子（e-），在同一時(shí)間在價(jià)帶產(chǎn)生相應(yīng)的空穴（h+），以便以形成一種高活性的電子/空穴，并在電場(chǎng)的作用下分離，顆粒表面的遷移，它可以是直接將吸附的有機(jī)分子氧化，也可以和吸附在二氧化鈦表面的羥基或水分子反應(yīng)產(chǎn)生氧化性很強(qiáng)的活性物質(zhì)，氫氧自由基•OH。•OH自由基是一種非選擇性的強(qiáng)氧化劑，包括生物氧化，難降解各種有機(jī)物完全氧化為CO2，H2O和其他無(wú)機(jī)物。
2負(fù)載TiO2催化劑的制備與改性研究
2.1負(fù)載TiO2催化劑的制備
根據(jù)二氧化鈦粉末回收困難，不能有效的使用可見(jiàn)光和缺點(diǎn)，固定化的催化劑是不僅解決了催化劑回收的有效的方法，也使潮州水處理用的是活性成分和載體的各項(xiàng)功能，為了提高催化劑功能水處理的理想形式。負(fù)載TiO2催化劑的制備方法主要包括：1）粉末燒結(jié)法，這種方法很簡(jiǎn)單，光催化活性較高，但存在的合理性，分布不均的不平等問(wèn)題。2）耦合的方法，此方法將二氧化鈦粉末，并通過(guò)耦合劑的載體結(jié)合在一起，適用于制備的TiO2復(fù)合涂層。3）溶膠-凝膠法制備TiO2薄膜的制備，這是目前常用的制備方法。這種方法制備的薄膜的均勻性和結(jié)晶不僅是更好的，并且通過(guò)改變的溶膠-凝膠的參數(shù)來(lái)控制膜和孔隙結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的高活性的催化劑的表面積，該技術(shù)是簡(jiǎn)單的，但多個(gè)浸漬和提拉使制備過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)和國(guó)際研究中的應(yīng)用載體主要有硅膠，玻璃，鋁，陶瓷，石英玻璃管和光纖等在短，有固定的催化劑的方法很多，但都存在缺點(diǎn)，解決了催化劑固定化問(wèn)題仍然是目前的研究工作的重點(diǎn)。
改性二氧化鈦2.2
TiO2的吸收波長(zhǎng)窄，對(duì)太陽(yáng)光線(xiàn)的利用率低。對(duì)于擴(kuò)展TiO2的吸收波長(zhǎng)范圍和提高光催化活性的TiO2改性的研究是非常必要的。目前的修改主要集中在以下幾個(gè)方面：1）化合物半導(dǎo)體二氧化鈦的研究。通過(guò)兩個(gè)不同的帶隙寬度的半導(dǎo)體化合物，可以提高系統(tǒng)的電荷的分散效果，擴(kuò)大二氧化鈦的范圍內(nèi)的光譜響應(yīng)。復(fù)合裝置具有簡(jiǎn)單的組合，摻雜，多層結(jié)構(gòu)和非均質(zhì)組合等例如，復(fù)雜的系統(tǒng)硫化鎘-二氧化鈦[3]，在CdS（Eg2.5eV）的可能是小于500nm波長(zhǎng)的光激發(fā)，從而使硫化鎘-二氧化鈦復(fù)合系統(tǒng)的激發(fā)波長(zhǎng)可見(jiàn)光區(qū)域。2）摻雜金屬離子。金屬離子摻雜可以捕獲導(dǎo)帶中的電子，改變二氧化鈦的結(jié)晶度，降低生電子-空穴的復(fù)合，提高活動(dòng)的TiO2表面，但也可以使TiO2的吸收波長(zhǎng)延長(zhǎng)，從而充分利用可見(jiàn)光的目的。財(cái)[4]系統(tǒng)研究了21種金屬離子摻雜的TiO2納米晶，摻雜0.5％的鐵的晶格中，MO5+，RU2+，RE潮州水處理2+或皂甙Rh2+，提高了光催化活性，F(xiàn)e3+摻雜TiO2納米晶光催化活性增加最為明顯。3）表面光活化。一些光活性化合物，如葉綠素，玫瑰色和吸附在半導(dǎo)體表面的，為了擴(kuò)大激發(fā)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，增加光催化反應(yīng)的效率。
光催化氧化技術(shù)在水處理中的應(yīng)用
3.1污水處理
光催化反應(yīng)的強(qiáng)氧化性能是有機(jī)污染控制的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。1）含鹵素衍生物。有機(jī)氯在水中的主要污染物種，毒性，分布廣，管理水污染治理的一個(gè)重要課題。納米二氧化鈦光催化過(guò)程，在治療中有機(jī)氯和良好的應(yīng)用前景，目前有關(guān)這方面的研究，有很多報(bào)道，研究認(rèn)為鹵化烴，鹵代脂肪酸等，可完全降解，氯酚，氯苯，并通過(guò)一系列的中間產(chǎn)物生成的二氧化碳和HCl。2）染料廢水。印染廢水進(jìn)入水經(jīng)驗(yàn)，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，有的還含有苯環(huán)，氨基，偶氮基等致癌物質(zhì)[5]。3）農(nóng)藥廢水。農(nóng)藥廢水中含有有機(jī)磷農(nóng)藥，三氯苯氧乙酸，DDVP，DTHP，DDT，三氮硝基甲烷等，是有毒，難降解，易生物積累。TiO2光催化去除農(nóng)藥的使用，雖然不能使所有的污染物，最終實(shí)現(xiàn)完全礦化，但不會(huì)產(chǎn)生有毒較高的中間產(chǎn)品，這是其他方法無(wú)法比擬的。4）二氧化鈦光催化含油廢水，含表面活性劑廢水，垃圾填埋場(chǎng)滲濾液處理效果好，有關(guān)的研究報(bào)告[6,7]也很多。除了有機(jī)物，無(wú)機(jī)物在TiO2表面也具有光化學(xué)活性，目前的研究多集中在含鉻廢水[8]，氰化物廢水處理以及珍貴的金屬回收[9]。
3.2飲用水處理
3.2.1處理微量有機(jī)污染物
在本發(fā)明總的地表水被污染了，和傳統(tǒng)的供水技術(shù)是難以實(shí)現(xiàn)的效果下除去水溶性有機(jī)物質(zhì)，導(dǎo)致飲用水中，總是有一定量的有機(jī)污染物。根據(jù)該報(bào)告，全球范圍內(nèi)的飲用水，已經(jīng)出現(xiàn)765種有機(jī)化合物，其中117種屬于致癌物質(zhì)的致癌或相關(guān)[10]。此外，在飲用水消毒尤其是氯消毒過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生有毒和“三來(lái)”消毒的副產(chǎn)物，如三鹵甲烷甲烷（THMs），鹵乙酸（HAAS）和綠泥石的影響[11]，嚴(yán)重?fù)p害人類(lèi)的健康。光催化降解有機(jī)污染物的降解有機(jī)廢水的反應(yīng)機(jī)制并沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別，不同的飲用水中的有機(jī)污染物濃度比在飲水中是比較低的。研究表明，氧化鈦光催化對(duì)這些微量有機(jī)污染物和消毒副產(chǎn)物的前體物質(zhì)，如腐植酸，苯酚和刪除都具有顯著的效果。如比朔夫與溶膠-凝膠法TiO2光催化反應(yīng)裝置成功開(kāi)發(fā)除了在水中的揮發(fā)性有機(jī)化合物，但也不能完全礦化成為H2O和CO2[12]。王府平等[13]合成層狀結(jié)構(gòu)的TiO2纖維作為光催化劑在O3/納米TiO2/UV系統(tǒng)，含腐殖質(zhì)的飲用水處理，1小時(shí)后腐殖質(zhì)的去除率達(dá)到97.1％。
3.2.2滅活的細(xì)菌
的飲用水是由微生物污染可導(dǎo)致大區(qū)域的傳染病疫情，氧化鈦光催化技術(shù)治療微生物污染的優(yōu)勢(shì)在于在技術(shù)上可以不只有殺死的細(xì)菌的飲用水，病毒和其分解為CO2和H2O，同時(shí)可以降解菌死亡后釋放的有毒成分的內(nèi)毒素，從而避免使用銀系統(tǒng)，加氯系統(tǒng)的無(wú)機(jī)殺菌劑治療的副作用。YangYaLi[14]研究二氧化鈦的光化學(xué)反應(yīng)原理水消毒桶中的微生物飲用水殺效應(yīng)的結(jié)果表明，大腸桿菌和f2噬菌體的殺滅率均為10潮州0％。黃勛[15還比較了鐵摻雜納米TiO2膜和純納米TiO2膜的殺菌效果。測(cè)試表明，他們有很強(qiáng)的殺菌能力，但鐵+/TiO2膜的殺菌作用優(yōu)于純TiO2膜，大腸埃希氏菌殺菌率從87.4％上升到95.8％，金黃色葡萄球菌的殺菌率上升至79.4％增加到88.3％。
此外，二氧化鈦光催化上的藻類(lèi)的水具有相同的滅活效果，但也對(duì)藻類(lèi)釋放毒素（如微穰藻毒素）有降解[16]，這是任何其他的殺菌方式，而不是用一個(gè)函數(shù)。
4，未來(lái)的發(fā)展方向
潮州水處理光催化氧化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，高效率，節(jié)能降耗，清潔無(wú)毒等突出優(yōu)點(diǎn)，是新的水污染治理技術(shù)廣闊的應(yīng)用前景。然而，隨著近30年的發(fā)展，新的研究領(lǐng)域，光催化降解基本上仍停留在實(shí)驗(yàn)室水平，實(shí)際應(yīng)用很少。因此，無(wú)論是在光催化機(jī)理的研究，并在工業(yè)上的應(yīng)用都需要進(jìn)一步深入研究，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）制備高效率的催化劑，進(jìn)一步提高了催化劑的改性技術(shù)，提高了催化劑的活性。2）選擇合適的載體，催化劑固定技術(shù)，制備的負(fù)載型催化劑，可以很容易地回收，重復(fù)使用。3）光催化反應(yīng)機(jī)理研究的中間產(chǎn)物和活性物質(zhì)的鑒定，仍是一個(gè)設(shè)想和推測(cè)階段，進(jìn)一步的光催化反應(yīng)機(jī)理的研究，把握規(guī)律的有機(jī)物降解，光催化技術(shù)工業(yè)實(shí)際是偉大的，的意義。4）光催化技術(shù)和其他技術(shù)耦合，采用該技術(shù)的協(xié)同作用，以獲得****水處理的治療效果，開(kāi)拓了廣闊的應(yīng)用前景。
