TiO2光催化降解水體中有機污染物的動力學研究綜述

王茜張艷強

(1.北京中醫藥大學東方學院, 河北 廊坊 065001; 2.廊坊師范學院, 河北 廊坊 065000)

TiO2光催化降解水體中有機污染物的動力學研究綜述

王茜1張艷強2

(1.北京中醫藥大學東方學院, 河北 廊坊 065001; 2.廊坊師范學院, 河北 廊坊 065000)

近年來，環境污染尤其是水污染問題日益嚴重，推動了人們對光催化技術的研究熱潮。而半導體多相催化法能有效的將污染物徹底礦化，從根本上消除了對環境的二次污染。TiO2由于具有較高的光催化效率被人們日益重視，而其光催化降解污染物的動力學方式也成為了人們的研究焦點。

TiO2；光催化；有機污染物；動力學

1 前言

半導體多相催化法作為一種污染治理新技術與其他方法相比具有高效節能、清潔無毒、無二次污染和工藝簡化等優點，能有效地將有機污染物氧化并徹底礦化為為H2O、CO2、N2等無機小分子，達到完全無機化的目的，從而消除對環境的污染[1,2]。因而在空氣凈化、各種生物難降解有機廢水處理、綜合廢水處理及生活用水的深度處理等方面有著很廣闊的應用前景，越來越受到人們的重視。許多難降解或用其它方法難以去除的物質，如氯仿、多氯聯苯、有機磷化合物、多環芳烴等也可利用此法有效降解[3-5]。TiO2由于具有合適的能帶結構、光催化活性高、無毒、價廉、原料易得等優點，而成為人們研究的熱點[6,7]。

2 TiO2光催化降解水體中有機污染物的動力學研究

2.1 TiO2光催化降解茜素黃R動力學研究

偶氮染料是應用最廣泛的一類合成染料，有些偶氮染料在光催化分解過程中可能會產生具有致癌作用的芳香胺，陳強[8]等人的研究中，以茜素黃R為研究對象，采用實驗和理論手段，并通過檢測光催化過程中生存的CO2量，研究了完全光催化降解茜素黃R的動力學規律。研究發現，獲得不同初始濃度茜素黃R的動力學曲線后，用Langmuir-Hinshelwood(L-H)動力學模型對動力學數據進行非線性擬合，所得理論計算結果與實驗數據高度吻合，相關度R2≥0.995。這表明，茜素黃R的光催化降解動力學規律符合L-H動力學模型,反應物濃度C與反應速率常數k之間存在較好的線性關系，反應速率常數k隨茜素黃R初始濃度增大而增大。這是因為隨著反應物濃度的增加，占據催化劑表面活性位的反應物分子數增加，故反應加快。隨著C增加，吸附平衡常數K減小，推斷其原因為茜素黃R降解生成的中間產物多，不同物質在TiO2表面的吸附不同。

2.2 TiO2光催化降解硝基酚類污染物動力學研究

硝基酚類化合物廣泛存在于焦化及煤氣生產企業排放的廢水中,具有排放量大、難降解以及“致癌、致畸、致突變”等特點,并被美國環保局列入優先控制的污染物。常江[9]等人選擇了幾種典型的硝基酚類物質為目標模型物，對它們的光催化動力學行為進行了研究。結果表明，各硝基酚反應濃度隨時間的下降遵循L-H方程，相關系數R2在0.944～0.991。吸附平衡常數（KL）隨著表觀速率常數（kapp）的加快呈現遞減的趨勢。經分析，這主要是由于硝基酚類物質光催化降解多發生在溶液中或TiO2顆粒的近表面處，因此較低吸附平衡常數（KL）的酚表現出較高的降解速率。對于吸附平衡常數（KL）較大的酚，由于在降解過程中，母體分子與中間產物分子都較強地吸附于催化劑表面，減少了表面活性位的數目，阻止了羥基自由基的產生，所以降解速率較低。

2.3 TiO2光催化降解甲基橙動力學研究

景曉輝[10]等人的研究表明，TiO2光催化反應在催化劑表面發生，遵循Langmiur-Hinshelwood(L-H)動 力 學 模 型，相 關 系 數R2=0.9913。將不同初始質量濃度下甲基橙的降解曲線進行一元線性擬合，可得不同質量濃度甲基橙的降解速率，在實驗質量濃度范圍內，甲基橙的降解速率總體趨勢隨初始質量濃度的升高而升高。

2.4 TiO2光催化降解甲醛廢水動力學研究

侯苛山[11]等人的研究表明，隨著催化劑投加量增大，k值也在增大，；隨著甲醛初始濃度的增大，k值在降低。數據表明，ln(C0/C)與時間t呈良好的線性關系，其相關系數均大于0.99，因此認為不同TiO2/AC復合材料投加量和不同初始濃度的甲醛廢水，其降解反應符合一級動力學規律，且表觀反應速率的大小與實驗光催化反應快慢結果一致。

2.5 TiO2光催化降解亞甲基藍動力學研究

徐小勇[12]等人的研究表明，氮摻雜納米二氧化鈦光催化氧化亞甲基藍反應符合Langmuir-Hinshelwood等溫吸附規律，光催化速率的變化隨著催化劑用量呈現飽和現象。

3 結語

研究發現，TiO2光催化降解水體中的有機污染物均符合Langmiur-Hinshelwood(L-H)動力學模型，反應物濃度C與反應速率常數k之間存在較好的線性關系，而反應速率常數k隨污染物初始濃度的增大而增大，為以后TiO2光催化降解污染物的實際應用提供了理論依據。

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