TiO2光催化技术在降解水体污染物上的应用

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摘要：TiO2光催化技术是一种新型的现代水处理技术，由于它能广泛地利用太阳能，对多种污染物有明显的降解效果，有广阔的应用前景。在阐述纳米TiO2的催化特性和光催化氧化机理的基础上，简要介绍光催化反应的基本操作方式，重点综述了纳米TiO2光催化技术降解水体污染物如无机物、染料、农药、表面活性剂、含油废水、高分子聚合物等的最新应用进展，对其实用化过程中存在的问题提出了建议。
关键词：光催化TiO2水体污染物

1前言

多相光催化氧化法是一种高级化学氧化技术。1972年，日本学者Fujishima和Honda[1]报道了在n-型半导体TiO2单晶电极上发生光电催化分解制氢，近20a来，各国学者围绕高活性纳米TiO2的制备[2～3]、多相光催化机理及动力学研究[4～7]、提高TiO2的光催化活性[8～11]等方面做了工作。本文主要介绍近年来TiO2光催化技术降解水体污染物的最新应用情况。

2TiO2光催化反应机理

TiO2是一种半导体，它的能带是不连续的，可分为价带、导带和禁带。当能量大于或等于禁带能量的光照射到半导体时，处于价带中的电子（e—）被激发跃迁至导带，在价带产生相应的空穴(h )。

当光生电子及空穴迁移到TiO2表面，并与吸附在TiO2表面的H2O、O2等发生作用，生成·OH、·O2-等高活性基团，进而氧化水中绝大多数有机污染物和部分无机物。该机理在国内外许多文献[12]中有详述，这里不再赘述。

为使光催化反应有效进行，就需减少电子和空穴的复合。一方面，空穴h 可被TiO2表面的束缚水和羟基俘获，或被体系中额外加入的一些空穴俘获剂[13]俘获，使体系中有足够的高活性的电子e—；另一方面，反应液中存在的电子受体如溶解氧[14]或加入的强氧化剂作为电子受体，消除光生e—，实现空穴与电子的有效分离，提高催化效率。

选择纳米级TiO2作为光催化剂主要考虑以下2个因素：其一是纳米级TiO2粒径小，表面原子数多，光吸收效率提高，增大了表面光生载流子的浓度，提高光催化效率；其二是粒径越小，单位质量的粒子数越多，比表面积也就越大，表面吸附的OH—、H2O增多，增大了光催化反应速率。

3TiO2光催化反应的基本操作方式

3.1悬浮式

直接将TiO2颗粒与待处理废水混合，通过搅拌使催化剂分散均匀，由于纳米TiO2比表面积大，光催化反应速率和效率较好，因此具有较好的降解作用。王怡中等[15]利用悬浮式反应器，研究了活性艳红、阳离子桃红等初始浓度为20mg/L的8种染料光降解，光照4h后，各种染料降解率均达90以上。但分散态催化剂回收困难，不易与溶液分离、易流失等问题限制了光催化氧化技术的实际应用，目前仅在实验中用于降解的可行性研究。

3.2固定式

将TiO2颗粒固定于纤维、玻璃、石英、不锈钢等载体或制成薄膜，处理废水时不需额外的设备和能量回收催化剂粒子，又可解决催化剂的悬浮体系中的均匀分散问题，更利于光催化技术的工业化应用。蒋引珊[16]等利用天然沸石、膨润土作载体制备TiO2矿物复合物，对有机染料罗丹明-B具有分解脱色性能，脱色率达94以上，且光催化性能稳定、持久。Kumara等[17]制成TiO2玻璃薄膜固定式光反应器，废水以100mL/h的流速连续流经反应器，在太阳光照射下，水中酚类有机物最终全部矿化。Zhu等[18]以13-X、Na-Y、4A沸石分子筛为载体对直接坚牢猩红4BS和酸性红3B染料的降解也取得较好效果。

4在水体污染物净化中的应用

4.1无机污染物的处理

无机水体污染物来源于采矿、金属冶炼、化工、机械加工等行业，常见的有汞、铬、铅等重金属离子和溶解在水中的有害气体如H2S、SO2、NO2、NO等，其中，非重金属的氰化物毒性最强。Aguado等[19]将催化剂TiO2固载于不同形态的SiO2上，考察了废水中氰化物游离态和络合态的降解效果。实验证明，平均降解率达80，特别适用于曝露在阳光下的含氰化物废水，因为不稳定的氰化物可解离成毒性很大的CN