光催化法對于污水深度處理的分析探討

摘 要：隨著國家對水體污染的密切關注，人們對生活環境質量的提高，相應的對污水排放指標的要求愈加嚴格。目前我國污水處理工廠中最為常用的深度處理工藝為活性炭吸附法和膜分離法，而光催化法作為新興工藝引起了水處理領域的研究和探討。本文則對三種污水深度處理工藝的比較分析，從而得到光催化法作為新的工藝對于污水處理領域有著重大的意義，雖然目前應用實例并不普遍，但其前景應用價值非常大。

關鍵詞：深度處理；活性炭吸附；膜分離；光催化；

前言：

水作為人們生命的源泉遭受著各種各樣的污染，如今干凈的水資源尤為珍貴。我們不僅要做到節約水源，更要對受污染的水進行處理達標并進行回用。目前工業常用處理工藝為活性炭吸附、膜分離，而光催化則為高級氧化物法，相比于活性炭吸附和膜分離方法更為簡單高效。

一、常見污水深度處理的工藝

（1）活性炭吸附工藝

活性炭是一種具有吸附能力的多孔物質，因內部空隙多和比表面積大使得吸附能力極強。活性炭的空隙結構通常分為小孔（微孔）、過渡孔（中孔）和大孔【1】，其中大孔和過渡孔為吸附質的擴散提供通道；而吸附量主要有小孔支配，但對分子量較大物質，小孔幾乎不起作用，主要由過渡孔完成吸附。按照粒度的大小，活性炭分為顆粒活性炭（直徑小于0.074mm）和粉末活性炭（直徑大于0.1mm）。

（2）膜分離工藝

膜分離即為在某種推動力（壓力差、電位差、濃度差等）的作用下，利用某種隔膜特定的透過性能，使溶質或溶劑分離的方法。以膜分離的方式分離溶質時一般稱為滲析，分離溶劑時一般為滲透。當膜分離技術應用于污水處理中時，按其推動力的不同形成不同的污水處理技術【2】：以濃度差為推動力則為擴散滲析；以電位差為推動力則為電滲析；以濃度差為推動力則分為反滲透、納濾、超濾、微濾。

（3）光催化工藝

光催化就是利用半導體材料在光照條件下能夠價帶產生空穴，導帶產生電子【3】。在紫外光，可見光以及進紅外光的光激發作用下光生電子和空穴，從而利用其氧化還原性降解污染物。在制備光催化劑時，要根據價帶和導帶的位置提高電子空穴的分離效率，產生更多的羥基自由基，超氧自由基，單線態氧等活性物種，通過加入捕獲劑進行活性捕捉，來探討其光催化原理。

二、不同工藝優缺點的比較

（1）不同工藝的優點

活性炭吸附在處理過程中具有良好的吸附性能和化學穩定性，耐酸堿，能經受水浸、高溫、高壓的作用，不易破碎，吸附飽和后的活性炭，可經再生后重復使用【4】。而粉末活性炭與吸附質接觸充分，吸附速度快，效果好；顆粒活性炭有利于再生。膜分離與活性炭相比同樣具有能耐高溫，機械強度高，化學性能和熱穩定性強等特點，且膜組件裝填密度大、成本低。膜分離工藝運行過程中耗能低，構件簡單，投資小，方便運行和維護【5】。而光催化法則能夠通過光能將污水中的有機物徹底氧化分解為CO2和H2O等簡單物質，氧化能力很強，運行條件溫和，操作簡便，成本不高，運行能耗低，不會造成二次污染，催化劑能夠回收并重復利用，節能環保。

（2）不同工藝存在的問題

在處理過程中上述三種工藝雖然各有優勢，卻也相應的存在一些問題。對于活性炭吸附一般不考慮再生，處理費用較貴；吸附能力未能充分利用；污泥處理量大。而在膜分離過程中，水中的物質與膜發生一系列物理化學等反應，從而引起反應物質在膜表面沉積并對膜的孔徑造成堵塞現象，以致形成膜污染現象。且膜本身有一定的壽命，在使用達到一定時間時，則會出現膜的老化。而光催化法作為新興的處理工藝沒能廣泛應用于工程中的最大局限條件則是反應器的設計條件苛刻和催化劑的選取。

（3）分析結果

綜上可知，目前在污水深度處理過程中，最為常用的方法就是活性炭吸附法和膜分離法，而光催化作為新興的處理方式具有能夠僅僅使用光能的條件下將污水中的有機物進行完全降解，并且不會造成二次污染，這在很大程度上解決了有限資源的利用問題，并能夠在簡單高效的處理工藝下對污水進行深度的處理。

三、光催化法的影響因素

光催化法主要影響因素有：催化劑、光源光強、pH及其他影響因素等。

（1）催化劑

光催化氧化過程中催化劑多為TiO2和ZnO等n型半導體，其中TiO2的化學性能和光化學性能更為穩定，且沒有毒性、貨源充足、價格低廉，因此在光催化法中應用最為廣泛。

（2）光源光強

在光催化材料合成之后，通過活性測試來判斷材料的光催化活性。其中光源是最重要的因素。光源分為紫外光、可見光以及近紅外光。在進行活性測試時，光源強度可以采用300w氙燈或者紫外光等以及近紅外等儀器。光源距離反應器的距離以及催化劑的加入量對于光催化劑的預期效果也有重要影響。在有光降解活性的條件下，光源越強，光源距離反應器的距離越近，光催化效果越好。

（3）pH

當pH值偏低時，TiO2表面帶有正電荷，因而有利于光生電子向TiO2表面轉移；當pH值為中性時，水分子與光生空穴發生反應形成OH-和質子；當pH值較高時，OH-和TiO2表面均帶負電荷，有利于空穴轉移到顆粒表面【6】。經實驗論證，當pH值較高和較低時，均有利于光催化反應。

（4）其他影響因素

光催化法的運行不僅受催化劑、光源光強、pH的影響，還會受到反應時間、外加氧化劑、鹽、反應溫度等的影響。例如：在相同光強下，隨著光照時間的增加，光催化反應進行的速率和效率越高，但達到一定時間時反應速率則有所減緩【6】。

四、光催化法的工程實例

光催化法是近20年才興起的污水深度處理的工藝，在國內外均處于研究階段，真正應用與工廠的實際案例少之又少。且國內外真正對于光催化的應用也是同物化法、膜法和濾床等相結合，例如：廣州市某涉外高級住宅小區復合生態濾床和光催化技術用于景觀水治理【7】，云南某廠的物化-光催化-膜處理電鍍廢水工程【8】。

云南某廠的物化-光催化-膜處理電鍍廢水工程為例：目前國內大多數企業電鍍廢水工藝多采用物理法和化學法，而國外則在此基礎上引入膜分離技術改善了物理和化學方法應用過程中的弊端，但依舊存在COD難降解的問題，由此該工程則加入了光催化步驟，由此提高了出水中的COD和重金屬離子的去除效率，并且光催化過程的加入，提高了膜分離的效率，使反滲透膜的使用周期和壽命均得到延長，使其運行成本大大降低【8】。

參考文獻：

[1]張長明.活性炭在飲用水深度處理中的應用研究[D].山西：太原理工大學，2011.

[2]雷曉東.膜分離法污水處理技術[J].工業水處理，2002，22（2）：1-3.

[3]魏宏斌. 光催化氧化法的影響因素和發展趨勢[J].上海環境科學，1995，14（3）：7-10.

[4]李春松. 活性炭吸附法在處理工業廢水中的應用[J].綠色科技，2015，（1）：181-182.

[5]黃旋律. 膜分離技術在污水處理中的應用[J].節能環保，2016，（31）：13-14.

[6]王能量. 光催化氧化法降解有機污染物影響因素及其效率提高途徑[J].應用化學，2007，36（2）：183-186.

[7]楊永坤. 復合生態濾床和光催化技術用于景觀水治理[J].中國給水排水，2008，24（6）：63-66.

[8]劉瑞斌. 物化-光催化-膜處理電鍍廢水工程實例[J].給水排水，2016，42（2）：65-67.

作者簡介：

張亞方，1997年12月22日，女，漢族，河南省漯河市人，鄭州大學

專業：給排水科學專業。