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    光催化氧化技术的研究现状及发展趋势

    文章出处:华康中天    人气:144     发表时间:2019-05-16

      近年来,污染问题越来越引起人们的重视,各行业部门都采取了更加严格的控制标准和措施。虽然已有不少污染处理方法应用于实际生产中,但由于其本身的局限性,对于一些有毒、难降解的生化废水,如农药、造纸和染料等企业所排放的污水仍缺乏行之有效的技术方法。随着科技的不断进步,一些新的水污染治理技术开始显露出其独特的效果,光催化氧化就是其中一个典型的代表。
      光催化氧化技术具有诸多优点:可将有机物完全分解矿化,在常温常压下反应,操作简易,能耗低,所使用的催化剂TiO2无毒无害,稳定性高,成本低,可回收利用。因此,这门技术已引起越来越多的科研工作者的关注。
      光催化氧化法是近几十年来发展起来的一种深度氧化技术(advancedoxidationprocess,AOP)。它是将特定光源(如紫外光UV)与催化剂(TiO2或CdS)联合作用对有机废水进行降解处理的过程。
      TiO2受光源激发产生的空穴是一种强氧化剂,导带电子则是一种强还原,大多数有机物和无机物能够直接或间接被它们氧化还原。反应过程中生成的·OH具有很强的化学活性,利用这种高活性的自由基可以氧化包括生物难以转化的各种有机物并使之矿化,甚至能够氧化细菌体内的有机物生成CO2和H2O。另外,它还可以与有毒的无机物起氧化反应使其在短时间内失去毒性。


      早期光催化氧化的研究,多以悬浮相光催化为主,半导体粉末(TiO2)以悬浮态存在于水溶液中,这样催化剂就难以回收,活性成分损失较大。而且这种悬浮液在反应后要经过滤离心、共聚和沉降等方法进行分离,处理步骤复杂,费用较高。催化剂的固定是解决液相和悬浮相催化剂分离回收问题的有效途径。目前较常用的方法是采用溶胶一凝胶法制备TiO2膜,将其固定于担载相上。这种方法制备的薄膜不仅均匀性和结晶性较好,而且可以通过改变溶胶一凝胶参数来控制膜的表面积和孔结构,制得高活性的薄膜催化剂,且技术简单。已有文献报道了将TiO2膜固定于玻璃纤维镍网、空心球、石英管、海砂和活性炭等物质上并取得了良好的催化降解效果。这些固定方法不仅提高了TiO2的催化活性,加速了反应,还节省了TiO2的回收成本,为进一步大面积应用于生产中提供了良好的理论基础。
      在光催化氧化反应中常会用到冷阱来控制反应液的温度,其制造材料的选择会决定冷阱本身的透光性能。对玻璃和石英两种冷阱做对比实验得出,当采用石英冷阱时甲基橙的脱色率是采用玻璃冷阱的4.3倍。这主要是因为石英冷阱可透过更多的紫外光,能够更加充分地利用光源所产生的光子能量。
      光催化反应本身的活化能比较小,温度对它的影响不是很大。但继光反应之后的一系列氧化还原反应大多都伴随着吸热或放热效应,因而温度的影响是一个不容忽视的因素。
      在一定范围内TiO2的催化效率是随着投加量的增加而增加的。但是当投加量高于某一值后,其催化效率不仅不会再提高,而且会有稍降的趋势。其原因是由于较大浓度的TiO2悬浮颗粒会对入射光起到一个遮蔽的作用,降低了光源发射的光子效率。
      虽然光氧化技术具有良好的氧化还原能力,但由于当今水体中污染物的复杂性和多样性,使得单独使用某一技术往往达不到理想的效果。近几年来,许多科研人员将光催化技术与其他方法联用取得了诸多成果。把光催化氧化技术与其他方法相结合,产生高效、经济的新技术是行之有效的。
      但由于光催化氧化技术本身的一些局限性,如回收困难、光源利用率低、催化效果不高等因素,决定了今后的研究将主要集中在以下几个方面:
      (1)催化剂的合理回收和使用。研究开发有效的固定相TiO2载体,避免催化剂回收费用高和利用率低的缺陷。
      (2)提高光源的效率和使用年限。设计更加有效的工业用光源,增加其在特定波长范围内的照射强度,并提高它的使用寿命。
      (3)催化剂的改良。通过金属掺杂、复合半导体等技术提高TiO2的催化活性,制备出适用于以太阳光为光源的高效光催化剂。
      (4)氧化剂的有效添加和组合使用。在已经进行的研究基础上找出较为有效的氧化剂类型和添加量,并尝试把几种氧化剂组合以达到较佳的催化效果。

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