TiO2光催化剂在污水处理领域中应用_环保工程_印花技术

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TiO2光催化剂在污水处理领域中应用

集萃印花网 2011-11-26

【集萃网观察】[摘要]在污水中存在着各很多污染类型，化工废水、农药废水、无机废水等，利用Ti02光催化剂可以利用清洁能源太阳能来完成对污水的处理。

　　引言

　　随着经济的发展，环境污染越来越严重，污水处理显得非常重要。利用光催化反应处理污水，不仅能够有效地利用太阳能清洁能源，而且使得污水处理过程变得简便，节省了一些设备和原料。本文主要介绍了Ti02光催化处理污水的研究现状及其制备方法。

　　1 TOi2光催化原理

　　Ti02有3种晶体结构：板钛矿型、锐钛矿型、晶红石型。催化活性的次序为：锐钛矿型>晶红石型>板钛矿型。TiO2的禁带宽度随晶型不同而不同，锐钛矿型的禁带宽度为3.2eV、金红石为3.0eV，相对应的光谱吸收阀值为387nm和413nm。当用波长低于上述波长的光照射TiO2时，将从Ti0。体内激发出自由电子（e-），从而在价带上留下空穴（h，产生的电子（e-）和空穴（h）与其表面吸附的Oz/HzO等作用生成的·OH/·02有极强的氧化性，可氧化分解多种有机物，并且产生的自由电子有较强的还原能力，可还原金属离子，故TiO2光催化技术在污水处理中表现出良好的光催化降解效果。其光催化原理如下所示：

　　Ti02的禁带宽度（Eg—3.2eV）较大，只能吸收占太阳光谱大约4的紫外辐射（-387.5nm），所以不能充分利用太阳能：此外，光生电子和空穴复合几率很高，导致Ti0的光生载流子利用效率低，由于存在这两个缺陷，在一定程度上制约了TiO2光催化技术的实际应用.围绕这两个关键问题，目前半导体光催化技术研究呈现两个热点：

　　（1）对TiO进行修饰改性，以扩展其有效光响应范围。

　　（2）开发新型半导体光催化剂，提高可见光生电子和空穴利用效率，提高光催化反应活性

　　2 Ti02光催化剂的棚备

　　2.1常用的载体

　　光催化剂载体可分为无机载体和有机载体，用得最多的是无机载体。常用的无机载体有：硅胶、活性炭、活性氧化铝、玻璃纤维网、空心陶瓷球、海沙、空心玻璃微球、石英玻璃片（管）、普通玻璃片、载波片、光导纤维、玻璃珠、层状石墨、块状混泥土、瓷砖、沸石、不锈钢、耐火砖、合金、泡沫镍等。一些天然矿物，如沸石、膨润土、硅藻土等，具有独特的层状微孔结构和离子交换性能，充当载体与TiO2构成的复合光催化材料兼具多孔性、高比表面积、强吸附性，是良好的载体材料。而有机载体由于易被光催化剂催化降解、稳定性差，因此应用较少。现采用的有机载体主要有：全氟磺酸薄膜、赛璐珞薄膜、聚乙烯、氟树脂等。

　　2.2 Ti0光催化剂固定方法

　　催化剂的存在形式一般为薄膜和粉体两种，故TiO2的固定就分为载体上薄膜的制各及粉体在载体上的固定。

　　1、物理负载法

　　物理负载法主要有：粉体烧结法和热胶粘法。粉体烧结法是将Ti02微粉超声分散在水或其它溶剂中形成悬浮液，然后将载体加入其中充分搅拌，使Ti0光催化剂负载其表面，然后将其在低于45O℃的温度下烧结。而热胶粘法是指对于不滕绎高浸结的载体，在TiO2微粉中加入合适的粘接剂，然后将其均匀涂敷在载体表面;也可将Ti02微粉、载体、偶联剂一起搅拌或加热回流。该方法工艺比较简单，但涂敷难均匀，涂层厚度难控制，且深层附着力不稳定。

　　2、化学方法

　　（1）溶胶凝胶法

　　溶胶凝胶法是将前驱物在水或有机溶剂中水解而制得相应的Ti02前驱体溶胶，然后通过浸渍涂层、旋转涂层或喷涂等方法将溶胶施于载体上，待干燥后进行热处理，最后在载体上形成一层TiO2固定膜。该法将TiO2纳米微粒的制备与固定化一次完成且工艺简单，制备条件简便，制得的薄膜均匀、透明、负载牢固、稳定性极佳。

　　（2）化学气相沉积法

　　化学气相法需将前驱物用载气输送到反应室，利用气态物质在载体表面上进行化学反应，生成TiO2薄膜。其中，金属有机物化学气相沉积法（MOCVD）具有分阶段沉积、化学计量数可控制等特点，其用途极为广泛。

　　（3）液相沉积法

　　它是利用水溶液中氟的金属配离子和金属氧化物之间的化学平衡，将金属氧化物沉积到浸渍在反应液中基底上的一种方法。其优点是设备简单，膜厚可控制，可进行大表面积和各种形状的载体。但此法不易得到纯的TiO2膜。

　　3纳米Ti02在污水处理中的应用

　　31染料废水的处理

　　染料废水色度高、浓度高、毒性大、难降解，且大多含有等致癌物质，对人类危害极大，印染废水处理一直是废水处理中的一大难题。研究结果表明在以纳米Ti02为光催化剂，在可见光照射下，水溶性偶氮染料易发生光催化降解反应。

　　3.2化工废水的处理

　　化工废水的基本特征为极高的COD、高盐度、对微生物有毒性，是目前水处理技术方面的研究重点和热点。在不同的催化氧化条件下，以TiO2为主的半导体光催化剂对常见的化工污染物都有较好的催化氧化效果。采用Ti悬浮体系光催化氧化处理苯酚废水，当Ti0用量为2g/L、pH值为3、连续曝气和搅拌条件下，阐紫外光照后，苯酚（1Orag/L）去除率达96%。

　　3.3农药废水的处理

　　农药一般分为杀虫剂和除草剂，危害范围广，在大气、土壤和水体停留时问长，对动、植物有极大危害。武正簧等以铜丝为基底物镀上TiO2薄膜，在一定的催化条件下，光照60min，氧化乐果和久效磷的光催化降解率高达80%。利用光催化氧化降解农药不会生成其它有毒物质，无二次污染，具有其它方法无可比拟的优点。

　　结语

　　利用太阳能进行废水处理研究，对于保护环境，实现可持续发展具有重要的意义。包括我国在内的许多国家己进行了利用太阳能的室外模拟实验，均取得较好的效果。目前研究大多数还处于实验室小型反应系统向大规模工业化发展阶段，在基础理论和实际应用技术等方面尚需进一步的完善和发展。但随着纳米材料和纳米技术的发展，可以预见，这项技术具有诱人的应用前景。

　　来源: 王峰，徐弱，王勇利

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