光催化氧化技术在废水处理中的应用进展

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1、第五章环境污染防治技术研究与开发光催化氧化技术在废水处理中的应用进展郭宝东1邢杨2(1．辽宁省环境科学研究院沈阳110031；2．辽宁省清洁生产中心沈阳110034)摘要光催化氧化技术是一项新兴而又极具发展潜力的水处理技术。本文详细的阐述了光催化氧化技术的原理，光催化氧化工艺的应用，同时对光催化氧化技术的发展方向进行了探讨。关键词光催化氧化废水处理应用进展1972年，Fujishima和Houda在《Nature))杂志上发表了《Ti02电极上光分解水》的论文，可以看作是光催化氧化技术的里程碑，标志着催化

2、反应新时代的到来。光催化氧化是一种高级氧化技术，利用该法去除废水中有机污染物的过程简便，而且在使用该法过程中形成的中间产物(主要是一些活性自由基)的氧化能力极强且无选择性，通常能将废水中有机物彻底氧化成CO：，H：O及无机盐等，避免了常规处理可能带来的二次污染，且运行条件温和(在常温常压下反应)，处理过程本身具有很强的杀菌作用，因而是一种极富吸引力的污水处理新方法¨，zj。对于光催化氧化的研究不在局限于理论上的深入，在实践应用中也形成新的飞跃。如武汉科技学院与武汉方元环境科技股份有限公司联合开发了国内唯一

3、的工艺与核心技术“无极紫外光催化氧化技术”已经成功的应用于印染废水的处理，取得了巨大的经济、环境和社会效益”J。一、光催化氧化原理有机物在光(主要是紫外光)的作用下能被逐步氧化分解，当有催化剂存在时，反应更加快速，这种在光催化剂存在下的光化学反应就是光催化氧化。光催化一般分为有氧化剂直接参加的均相光催化及有固体催化剂存在的多相光催化两种H1。均相光催化主要指uV／Feton试剂法。Feton(Fe2+／H：02)试剂是一种强氧化剂，当辅助紫外线照射时会极大提高其氧化活性。H：O：在uV照射下产生羟基自由基

4、(·OH)，其机理为：H202+hv———+20HFe“在uV作用下，部分转化为Fe3+，当pH值为5．5左右时，可以水解生成Fe(OH)2+，Fe(OH)“在uV作用下又可以转化为Fe2+，同时形成·OH，其机理为：Fe(OH)2++hv—}Fe2++20H多相光催化氧化中采用的固体催化剂多为N型半导体材料，如TiO：、ZnO、CdS、WO，、SnO：和Fe：O，等，其中TiO：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。比较传统的光催化氧化机理还是电子一空穴理论”]。半导体粒子具有能

5、带结构，一般由填满电子的低能价带(VB)和空的高能导带(CB)构成。价带和导带之间存在着禁带，禁带是一个不连续区域。当用能量大于或等于禁带宽度(Eg)的光波照射此半导体光催化剂时，价带上的电子就会被激发到导带上，生成高活性电子(e一)，而价带上生成带正电荷的空穴(h+)。若半导体此时处于溶液中，则在电场的作用下，电子与空穴分离并迁移到粒子表面的不同位置。光生空穴具有强氧化性，可夺取吸附在半导体表面上的有机物或溶剂中的电子，使原本不吸收入射光的物质被活化氧化。而电子受体则可以通过接受半导体表面上的电子而被还

6、原。水溶液中的光催化氧化反应，在半导体表面失去电子的主要是水分子，水分子经激活后生成氧化能力极强的羟基自由基·OH，·OH是水中存在的氧化剂中反应活性最强的，而且对作用物几乎无选择性，中国环境科学学会学术年会优秀论文集(2006)足以使废水中的有机物被氧化成为CO：、H：0及无机盐等。二、影响光催化氧化效率的因素影响光催化反应效率的因素很多，如催化剂、光源及废水性质等。在此介绍几种重要因素。1．催化剂催化剂性质不同，催化效果也不同，主要体现在催化剂的粒径、用量等方面。(1)粒径的影响∞1粒径对催化活性的影

7、响主要体现在三个方面：①对能带结构的影响；②对光生载流子的输送和量子产率的影响；③对光吸收及光吸附能力的影响。随着粒径的减小，由于量子效应而使催化剂的导带和价带变为分立的能级，能隙变宽，价带的电位更正，导带的电位更负，光生电子和空穴的能量更高，因而具有更强的氧化还原能力。随着粒径的减小，光生电子从粒子内部扩散到表面的时间减少，光生电子和空穴简单复合的几率越小，这意味着光生量子产率增高。另外，随着粒径的减小，催化剂比表面积迅速增大，高的比表面积使催化剂具有很强的吸附能力，从而提高了光催化性能。(2)用量的影

8、响反应开始时的反应速率随催化剂用量的增加而迅速上升，而后上升幅度减缓，直到反应速率与投加量无关。反应速率接近最高值时的最小催化剂用量与反应器构成及催化剂本身的性质有关。投加量过低，会减少活性物种的生成，投加量过高，会因颗粒对光散射损失光能，因此只有采用适当的投加量才能得到最佳效果。2．光源用于光催化反应的光源有电光源和太阳光源。电光源有高压汞灯、荧光灯、黑光灯、氙灯等口1。对光源的选择、布置及使用既要考虑效能又必须考虑经济性。