環境治理技術與光催化組合工藝的探究

唐曉劍

（吉林建筑大學市政與環境工程學院，吉林 長春 130118）

現階段，光催化技術具有良好的降解能力，降解產物時，可以防止二次污染的出現，具有較強的實用性，同時，光催化技術在諸多工業處理中的作用也是十分顯著的，如造紙廢水、染料廢水等，光催化技術可以大大提高制藥廢水、新型有機物等處理效果。但是在實際應用過程中，光催化氧化技術的回收難度性較高，在工業廢水中，復雜有機物混合產生的懸浮物，難免會對光線的傳播造成影響，從而使羥基自由基的產生效率有所降低，此外，在高濃度廢水處理過程中，光催化氧化技術的安全性有待提升。基于此，要想取得良好的應用效果，應集中整合其他水處理技術與光催化技術，從不同水質特點出發，不斷提高目標水體處理水平。

1.光催化和傳統水處理技術的組合工藝

1.1 與膜分離技術的耦合

針對膜分離法，在對水中污染物進行分離和提純過程中，對于組分的選擇透過性、膜表面微孔的截留具有一定的依賴性，其應用領域主要包括醫藥、紡織、食品等。但是在膜技術推廣過程中，膜污染這一影響因素不容忽視。

現如今，對于光催化與膜分離的組合工藝來說，作為新型化水處理技術之一，相關學者認為光催化復合分離膜，在水或空氣中的持久性有機物的處理方面發揮著重要的作用，相比于傳統的聚合膜，陶瓷超濾膜具有耐高溫、穩定性等特點。相關學者通過對無機陶瓷膜分離技術耦合懸浮式光催化劑進行應用，甲基橙廢水降解率接近100.00%。要想不斷提高光催化劑分離回收效率，微波光催化-平板超濾膜分離耦合工藝深度處理活性艷紅x-3B染料廢水的設計，與普通中空纖維膜進行對比，PVDF超濾平板膜的膜孔徑在0.1m以下，有助于提高催化劑的攔截水平，且流通量維持時間較長，從而防止膜污染的發生。

二氧化鈦在摻雜改性以后，憑借光催化氧化與膜技術聯合工藝，可以顯著增強廢水處理水平。相關學者通過N摻雜二氧化鈦溶膠的制備，在處理黃連素污水時，加強對光催化氧化-陶瓷介孔膜耦合工藝的應用，繼而大大提高降解黃連素的效率，截留率較高，并且可以實現對有機物和鹽的有效分離目的。一般來說，一體式反應器中的TiO2懸浮濃度并不明顯差異，從而使得膜污染嚴重程度愈發高漲，同時膜分離區，會明顯降低光催化反應區體積，從而影響到其光催化處理廢水效率。基于此，相關學者設計光催化氧化-有機膜分離三相流化床循環反應裝置，并對其處理酸性紅B廢水進行深入分析，這不僅可以使酸性紅B廢水得到有效降解，而且具有大規模適用的性質特點。

光催化技術與膜分離技術的耦合，其協同效果顯著，具有使膜污染問題有所好轉的目的，將膜的使用壽命延長開來，同時徹底分離中間產物與反應底物，不斷提高水質改善效果，且確保光催化效率的穩步提升，從而進一步強化廢水降解水平。但是，作為新型化廢水處理方法之一，該技術僅僅處于起步探索階段，應加強光催化劑的開發，合理選擇各種膜材料。

1.2 與化學氧化劑聯用

在水處理工藝中，化學氧化法得到了廣泛應用，主要借助于投加化學氧化劑，以此來不斷提高污染物氧化降解效率，同時消毒作用也是十分突出的。但是，化學氧化劑具有高昂的成本，且氧化電位的限制性明顯，一些化學氧化劑的水體凈化效率并不高。目前，氧化劑與光催化組合工藝，已經成為社會大眾共同關注的焦點話題之一。在制藥廢水、造紙廢水等處理過程中，臭氧與光催化聯合技術具有較強的應用優勢。基于本質視角，臭氧作為消毒劑之一，通過復合應用于紫外輻射，在其分解加速過程中，所生成的·OH較多，從而給予滅活效率一定的保障，將滅活時間控制在合理范圍內。由于臭氧與光催化的復合作用凸顯，在水處理中扮演著重要的角色，臭氧協同光催化氧化對不同類型廢水的降解情況如表1所示：

表1

分析光催化協同臭氧氧化廢水的作用機理：光催化臭氧，所產生的高活性氧化劑較多，且化合物的結構，深刻影響著聯用工藝降解效率。在諸多氧化劑中，臭氧比較常見，相關研究了解到，H2O2可以有效協同促進光催化。相關學者在選取污染物時，側重于十二烷基苯磺酸鈉（DBS）和α烯基磺酸鈉 （AOS），UV/H2O2處理方式也得到了廣泛應用，旨在對其降解效果進行深入分析。由結果可知，在反應二十分鐘以后，十二烷基苯磺酸鈉的降解效率為96.00%，α烯基磺酸鈉的降解效率為93.00%。DBS初始濃度、H2O2投加量，深刻影響著具體的反應，pH適用范圍最低為4，最高為10。

但是在抗生素廢水降解過程中，H2O2協同光催化氧化工藝的處理水平較低。相關學者在布洛芬的降解情況研究中，對H2O2或K2S2O8光催化降解系統展開對比，通過兩種氧化劑的添加，BiVO4光催化降解布洛芬的效率較高。

在污染物的反應過程中，光催化和化學氧化劑耦合處理，可以將自由基的強氧化作用充分發揮出來，不斷提高廢水降解水平，但是生產臭氧所需高昂的成本，且在廢水處理時，二次污染物的出現是難以避免的。

1.3 與生物技術的聯用

對于生物法來說，主要是指在對水中污染物進行吸附、溶解以及分解過程中，主要借助于微生物來進行。在傳統的生物法中，活性污泥法和生物膜法比較常見。一般來說，生物菌體的絮凝與吸附作用，很難提高染料降解效率，僅僅適用于表面去除。而生物降解氧化還原反應，會使染料分子的結構化學變化變得比較凸顯，以此來對污染物實現降解，也就是生物化學法。但是，在印染廢水中，各有機物反應的復雜程度較高，有毒性的中間產物經常產生，使傳統的相關工藝難以對偶氮染料進行降解處理，如厭氧及好氧一厭氧聯用等，降解效果較低的出水往往無法提高排放水平。

在降解難度性較高的有機物處理過程中，高級氧化具有預處理的作用，然后借助生物處理法來提高處理效果，并將運行成本控制在合理范圍內。相關學者在4—氯酚廢水處理時，廣泛應用固定床生物反應器和三相內循環式流化床光反應器耦合，在多級耦合系統中，光催化預處理與生物處理的協同作用顯著，進一步強化多級耦合處理水平。

2.光催化和其他高級氧化處理技術的耦合

2.1 光催化氧化技術與超聲技術

就目前而言，在超聲技術不斷發展過程中，超聲輻照降解水中污染物與光催化氧化比較類似，對于產生自由基的歷程，所以兩者的聯合，其協同效應更為突出。超聲與光催化聯合技術，在降解有機物方面的協同效應不容忽視，其中，超聲波的作用凸顯：如聲空化氣泡，對于傳質活動具有一定的促進作用，從而為光催化效率的提升創造條件。

在有色染料處理過程中，光催化氧化技術與超聲波技術聯用工藝具有較強的適用性。相關學者在降解低濃度甲基橙溶液時，光催化氧化結合超聲分散法扮演著重要角色，而且超聲強度和催化劑劑量等在反應中起到的影響也得到了深入研究，結果了解到，相比于單一使用光催化氧化法，聯合法使甲基橙溶液的脫色率提升迅速。分析其原因，主要是因為兩種技術在聯合使用后，催化劑粒子得到些許分散，從而形成對催化劑顆粒團聚的預防作用。

相關學者通過對循環式超聲協同光催化反應器的設計，在反應兩個半小時以后，雙酚A降解率在90.00%左右，在反應4個小時以后，TOC去除率為84.00%。相關學者以玉米淀粉廢水濾液展開實驗，超聲與光催化聯合工藝的應用，超聲反應時間為一個半小時，在加入700 m g／L催化劑時，COD降解率在90.00%以上。除此之外，在微生物領域中，聯合使用超聲與納米二氧化鈦光催化技術，對于增強殺菌效果具有極大的幫助，且協同作用顯著。通過研究可知，超聲與光催化憑借良好的協同作用，可以對降解難度性較高的有機物結構予以破壞，從而將有機物的降解效率提升上來。

2.2 光催化氧化與電化學

一般來說，電化學氧化法、電絮凝、電浮選等為電化學水處理技術的重要構成內容。其中，應用最為廣泛的莫過于電化學氧化工藝。電化學氧化技術，在產生強氧化劑這一過程中，主要借助于電荷在電極與溶液界面的傳遞反應來進行，并實現向羥基自由基的順利轉化，其具有較強的氧化能力，從而使降解難度性較強的有機物得到迅速降解。對整個過程反應條件進行分析，其溫和特點較強，外加氧化還原劑無須添加，有效防止二次污染問題的產生，且反應過程的可控制性凸顯，自動化運行管理效率較高。但電極材料的電流效率處于較為低下的水平，需要投入高昂的耗電成本，所以在實際生產及工業應用中并不適用。

2.3 光催化氧化與Fenton

Fenton氧化法，其運行環境為酸性條件，亞鐵離子在與H2O2反應后，會促使強氧化的·OH的出現。在兩者協同作用后，對于廢水中的難生物降解有機污染物的降解有著很大的幫助。相關學者以硝基苯酚展開實驗，積極運用光催化與Fenton聯合工藝，在反應4小時以后，硝基苯酚降解率接近100.00%。相關學者基于紫外光催化作用，分析Fenton試劑在活性艷藍X—BR的投入情況，在反應1個小時以后，染料降解效率較高，且染料降解效率與光照強度成正比。在工業廢水處理過程中，開啟紫外燈應在投入 Fenton試劑反應后進行。

光催化氧化協同Fenton工藝，具有溫和的反應條件，且成本低廉，但是在一系列因素的影響下，如溫度、時間等，反應的穩定性不足。所以在反應條件的控制等方面，其研究力度需要不斷強化。

3.光催化技術與其他技術的聯用

相關學者選取十溴聯苯醚，與單獨使用鐵碳微電解光催化耦合Fenton氧化法相比，在反應1個小時以后，鐵碳微電解光催化耦合Fenton氧化法聯合工藝，可以迅速降解十溴聯苯醚，降解率在95.00%左右。相關學者在處理電鍍廢水過程中，物化光-催化膜-分離聯合工藝的應用，COD降解率至少為90%。在降解苯并三氮唑（BTA ）時，相關學者對超聲光催化-H2O2聯合工藝展開對比、研究，與單獨處理工藝相比，兩種聯合工藝在BTA的降解效果方面的作用更為良好，但是超聲-光催化-Fenton聯合工藝有著不可比擬的價值，與出水標準相一致。3種工藝的聯合，可以大大提高污水處理效率，但是在諸多選擇工藝的影響下，廢水處理操作具有較高的復雜性特點，反應過程的控制難度性較強。

4.結束語

綜上所述，環境治理技術與光催化組合工藝具有較強的聯合應用優勢，廣泛應用于水處理領域，但是組合工藝在工業等領域應用的研究仍然需要不斷展開。基于此，應加強新型技術的探索，確保光催化氧化體系產生的自由基更多，充分彰顯其強氧化能力；其次，加強光催化反應器的優化、改進，既要發揮出成本低廉等優勢，也要對新型反應器進行不斷探索、研究，更加適用于實際水處理。