TiO2光催化劑在廢水處理中應(yīng)用的研究進展

陳 思

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TiO2光催化劑在廢水處理中應(yīng)用的研究進展

陳 思

（延安職業(yè)技術(shù)學院，陜西 延安 716000）

介紹了TiO2光催化降解的反應(yīng)機理，綜述了近些年來國內(nèi)外TiO2光催化劑應(yīng)用于有機廢水治理領(lǐng)域的研究進展及應(yīng)用前景。

二氧化鈦；光催化；有機廢水

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，水資源污染問題日趨嚴重，傳統(tǒng)物理法、化學法、生物法對廢水中有毒有害污染物難以有效去除，直接排放勢必對人類及環(huán)境造成嚴重危害。作為一種獨特的高級氧化技術(shù)，光催化氧化因能耗低、處理效率高、操作簡便、降解徹底、無二次污染等優(yōu)點，在難降解有機廢水的深度處理中具有較好的應(yīng)用前景[1]。

1 光催化原理

光催化降解通常指在光作用下，催化劑通過自由基鏈式反應(yīng)生成一系列具有高活性的×OH直接作用于有機污染物，使其逐步氧化成無機物，最終生成CO2、H2O、及其它無機離子NO3-、PO43-、鹵素等。在眾多催化劑中，銳鈦礦型TiO2因化學穩(wěn)定性高、耐光腐蝕、能有效吸收太陽光譜中紫外輻射、價廉無毒等特點，成為水處理研究領(lǐng)域的熱點課題。

銳鈦礦型TiO2禁帶寬度（Eg）為3.2 eV，相對應(yīng)的光譜吸收闕值為387 nm[2,3]，當波長低于上述波長時，TiO2體內(nèi)自由電子被激發(fā)（e-），在價帶上留下空穴（h+），產(chǎn)生的自由電子（e-）和空穴（h+）與吸附在表面的O2/H2O等作用生成強氧化性的×OH/×O2-自由基，可氧化分解多種有機物。反應(yīng)過程如圖所示。

圖1 TiO2光催化反應(yīng)過程圖

2 改性TiO2光催化劑在廢水處理中的 應(yīng)用

TiO2的帶隙較寬，只能吸收較短波長的紫外線，這部分光能僅占太陽光能的3%~5%。此外，在光催化降解過程中，通過光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對具有很高的活性，極易復合，導致光催化反應(yīng)的量子效率很低。為了提高 TiO2對可見光響應(yīng)性能和光催化性能，減小催化劑的禁帶寬度和載流子的復合概率，當前越來越多的研究的熱點集中在TiO2改性研究合成新型光催化材料，如金屬/非金屬摻雜[4]、貴金屬沉積[5]、半導體復合[6]、表面光敏化[7]等。

HM Sung-Suh[8]等將Ag摻入TiO2納米粒子，對羅丹明B染料進行降解處理，實驗結(jié)果表明：Ag摻雜的TiO2納米粒子在可見光下光催化效果顯著提高；吳晶[9]等利用稀土元素Tb對TiO2進行摻雜改性，實驗結(jié)果表明：當Tb摻雜率為0.15%時，催化劑COD去除率可達90.9%，比摻雜前提高69%。Yamaki[10]等采用離子植入技術(shù)制備了TiO2-xFx，其在紫外和可見光下對乙醛均表現(xiàn)出較高的催化活性，且高于P-25 TiO2；Irie[11]等通過直接氧化TiC得到銳鈦礦型TiO2-xCx，在400~530 nm的光源下能將2-丙醇轉(zhuǎn)化為丙酮和CO2。通過機理研究認為是C取代了晶格氧，并且C的2 p軌道與O的2 p軌道雜化，從而使禁帶寬度減小擴大了可見光的響應(yīng)范圍；Wang[12]等合成CdS-TiO2-MT復合體系，其在可見光條件下表現(xiàn)出優(yōu)越的光催化性能，150 min內(nèi)羅明丹B去除率達到90%。該催化劑的激發(fā)波長位于可見光區(qū)，大大提高了對太陽光的利用率。可見光下，RGO/TiO2復合材料對雙酚A 的光催化降解速率是純 TiO2的 2.93 倍。

相比將TiO2光催化劑直接作用與液-固相中，將TiO2固定化形成負載型光催化劑能夠有效克服催化劑分離回收難，氣相夾帶的問題[13]。此外，改變載體的類型，調(diào)變活性組分和載體的功能，也是提高TiO2光催化性能的有效途徑。王勝武[14]等采用減壓蒸餾凝膠-煅燒法制備得到純態(tài)TiO2、TiO2/甲殼素、摻氮TiO2、負載型摻氮TiO2/甲殼素4種光催化劑，研究發(fā)現(xiàn)只有負載型摻氮TiO2/甲殼素具有較好的可見光催化活性，該催化劑在煅燒溫度400 ℃、煅燒時間2 h、初始p H值3時催化活性達到最大，甲基橙的殘留率為2%；董業(yè)碩[15]等以介孔硅基分子篩(MCM-41)為載體，采用溶膠-凝膠法制備了分子篩負載型TiO2催化劑，該催化劑在 600 ℃下煅燒2h活性最高，對酸性紅B的降解率達93％。張劍琦[16]等采用溶膠-凝膠結(jié)合煅燒后處理方法，以聚苯乙烯(PS)膠球和EO20PO70EO20(P123)作為雙模板劑制備了三維有序大孔復合材料3DOM TiO2-ZrO2，該復合產(chǎn)物對甲基橙表現(xiàn)出較高的催化活性。

近期的研究發(fā)現(xiàn)，TiO2等光催化劑與活性炭、碳納米管、石墨烯等[17-19]復合能大幅度提高光催化性能。劉宏菊[20]等采用溶膠-凝膠法制備了活性炭負載型的TiO2復合光催化劑，實驗結(jié)果表明：該復合光催化劑對采油廢水中大多數(shù)有機物有不同程度的光催化降解，處理后采油廢水COD去除率可達65.3％；Li[21]等制備 RGO/ TiO2復合材料用于光催化降解雙酚A，研究結(jié)果表明：石墨烯的加入使復合材料的光催化活性得到顯著的提高，同時也增加了復合材料對污染物的吸附能力；Hossain[22]等采用溶膠-凝膠法制得硼氮（B / N）共摻雜TiO2納米管，該復合催化劑在可見光條件下對亞甲藍表現(xiàn)出較好的去除效果，反應(yīng)4 h降解率為56%。

3 結(jié)束語

TiO2光催化氧化技術(shù)具有原料豐富、工藝簡單、反應(yīng)高效、無二次污染等優(yōu)點，在有機廢水處理領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。未來有機廢水處理領(lǐng)域重點研究的方向包括：（1）通過TiO2改性增強催化劑活性，提高可見光利用率，開發(fā)新型光催化材料；（2）通過負載協(xié)同增強TiO2光催化材料的活性及回收利用率，拓展其實際應(yīng)用范圍；（3）在TiO2光催化體系中引入高效助催化體系，協(xié)同電、磁、超聲波等外加“場”，以此提高TiO2對有機物的降解效率。

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Research Progress in Application of TiO2Photocatalysts in Wastewater Treatment

（Yan'an Vocational &Technical College, Shaanxi Yan'an 716000，China）

The reaction mechanism of TiO2photocatalytic degradation was introduced, and research progress and application prospect of TiO2photocatalysts in organic wastewater treatment were discussed in detail.

TiO2;photocatalysis ; organic wastewater

2017-03-10

陳思（1988-），女，研究生，現(xiàn)從事水污染治理相關(guān)工作。

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1004-0935（2017）05-0479-03