光催化技術在水處理中的應用研究

孫曉蕊 楊威

【摘要】水資源的匱乏，已成為限制人類社會高速發展的重要因素。利用半導體納米材料的光催化氧化技術以其環保、高效的有點，現已成為環保工作者重點研究之一。本文介紹光催化技術在水處理中對多種有機污染物的降解研究應用。

【關鍵詞】光催化；有機物；降解

1 前言

我國人均水資源量相當匱乏，盡管水資源總量位列世界第六位，但人均占有量僅為世界的四分之一。并且水污染情況日益嚴重。工業等排放的廢水含有大量有毒的和生物難以降解的有機污染物，如酚類、有機染料等，傳統的污水處理方法在脫色方面以及COD的去除方面均不能達到很好的效果，現有的環保技術也難以徹底降解這些污染物。因此，光催化氧化技術逐步進入環保研究者的視野。

2 半導體納米材料的光催化性能

半導體納米材料在結構上具有獨特的性能，可以催化體相材料所不能催化的反應，且活性更高。其一，半導體納米材料具有量子尺寸效應，導帶與能帶能級不同，當受到能量激發時，會產生電子躍遷現象，為氧化還原反應提供可能。其次，半導體納米材料的粒子尺寸小，與體相材料相比，同等質量條件下，擁有更大的比表面積，這對于光及污染物的接觸吸收更加有利。

3 光催化機理

目前對于光催化機理的解釋，多從能帶理論出發。因納米半導體光催化劑的特殊結構，且能帶具有不同的能量，分為高能導帶和低能價帶。當催化劑受到光能量激發時，價帶與導帶之間會發生電子躍遷現象，形成光生電子一空穴對，與OH-、H2O等反應生成具有強氧化性的羥基自由基（·OH），最終將有機污染物降解成H2O、CO2等小分子。

4 光催化技術在水處理中的應用

傳統的水處理技術但對低濃度可溶性有毒、有害物質的處理效率相對較低，有時甚至應用極高的成本卻沒有任何處理效果。

4.1 在工業廢水處理的應用

光催化氧化技術可以有效降解多種有機物（如烴類、醛、鹵代烴等），甚至做到徹底分解成無毒害的無機小分子。大量研究表明，在光照條件下，納米TiO2可光催化氧化水中苯、氯仿、甲醛等有機污染物。

4.2 在農藥廢水處理的應用

大量研究表明，光催化技術可以有效降解有機農藥。以TiO2為光催化劑，經紫外光照射，有機磷農藥和有機硫農藥可以完全無機化，并能定量地被氧化成PO43-及SO42-。曹連秋應用制備的AC/TiO2催化劑，光催化降解三氮苯類有機農藥一阿特拉津，實驗結果表明，TiO2可均勻分散于活性炭微孔中，對阿特拉津的降解率高于88%。

4.3 在印染廢水處理中的應用

染料廢水大多含有苯環、胺基、偶氮基團等致癌物質，不僅對環境造成嚴重污染，同時危害人類身體健康。實驗證明，在以納米TiO2為光催化劑、溶解氧存在的條件下，水溶性偶氮染料易發生光催化降解反應。金偉等利用水熱法制備出的Mn/ZnO，在紫外光催化反應4h，羅丹明B的降解率可達92%。李霞等利用直接沉淀法制備了納米ZnO，光催化降解甲基橙溶液120min，降解率可達88%。

4.4 在抗生素廢水處理中的應用

醫療水平的不斷提高，藥物日新月異，抗生素的生產及使用量也越來越大。城市污水處理廠很難徹底清除抗生素，流入江河中的抗生素將對生態系統以及人類健康造成嚴重危害。李耀中等以Ti02為催化劑，在光催化反應器中降解制藥廢水，僅15分鐘COD去除率可達80%以上。郭佳以TiO2為催化劑，紫外光催化降解廢水中頭孢曲松，去除率高達90%以上。

4.5 在造紙廢水處理中的應用

Pintar等以納米TiO2和Ru/TiO2為催化劑，光催化降解牛皮紙漂白廢水。結果表明，以納米TiO2為催化劑進行光催化時，廢水中的有機總碳（TOC）大幅度降低。以納米Ru/TiO2為催化劑進行光催化時，TOC含量進一步降低。

4.6 在石油廢水處理中的應用

隨著石油的開發與應用，石油流人海洋中，對海洋生物及沿岸環境造成污染危害。針對石油密度低于水而漂浮于水面的情況，武漢大學研究室將納米TiO2偶聯在兩種硅鋁陶瓷空心微球上，制備出了能飄浮在水面的TiO2光催化劑，對漂浮于水面的辛烷進行光催化降解，降解率高達90%。

4.7 在無機廢水處理中的應用

無機廢水的處理，主要是通過氧化低價態毒性物質和還原高價態毒性物質，最終實現物質毒性的降低，甚至無毒。重金屬水污染就是有毒無機廢水的一大代表。納米TiO2可以將Cr6+還原轉化為Cr3+，此時Cr6+的強致癌毒性大大降低降低。

5 存在的問題

盡管光催化氧化技術在降解有機污染物上存在高效、環保等優勢，但走出實驗室，實現工業化仍然很難。主要因為受到幾方面因素的限制：其一，光催化反應中，催化劑表面的光生電子一空穴對復合速率過快，造成量子效應過低；其次，目前研究中的光催化劑多對紫外光反應，對可見光的吸收較低，這就導致對太陽光的利用率過低；除此之外，對于投加到廢水中的固體催化劑，如何有效的實現固液分離，也是今后研究的一大重點。

參考文獻：

[1] Tan Y W， Xue X Y， Peng Q， et al.Controllable fabrication and electricalperformance of single crystalline Cu2O nano wires with high aspectratios[J].Nano Letters，2007，7（12） 13723-3728

[2]韓宙.納米氧化鋅的制備及在生物和光催化方面應用研究[D].北京理工大學，2015

[3]熊若晗，湯題.光催化技術處理抗生素廢水研究進展[J].環境與可持續發展，2017，42（02）：114-117

[4]金偉，田彥文.氧化鋅的制備及其光催化性能研究[J].材料與冶金學報，2007，6（1）：29-32

[5] Pintar A， Bercic G， Besson M， et al CatalyticW et-A it oxidation of In-dustrial Effluents Total M ineralization of Organics and Lunped KineticModelling [J] .Appl Catal B， 2004，47 （3） ： 143-152

[6]方佑齡，趙文寬，尹少華，等.納米TiO2在空心陶瓷微球上的固定化及光催化分解辛烷[J].中國應用化學學報，1997，14（2）：81-83。