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    光催化氧化治理环境污染的关键技术

    文章出处:华康中天    人气:171     发表时间:2019-05-26

      在环境污染的光催化降解治理中,催化剂的选择、光催化降解反应器的设计和对降解条件的优化是提高污染物光催化降解效率的关键技术。
      1光催化氧化降解催化剂的选择
      目前关于催化剂的研究,基本上是涉及非均相的光催化氧化体系。半导体粒子是理想的光催化剂,其中TiO2(锐态型)又是目前公认的最有效的半导体催化剂,它的显著优点是:能有效吸收太阳光谱中的弱紫外辐射部分;氧化还原性较强;在较大声值范围内的稳定性强;价廉无毒。但由于TiO2的禁带宽度为3.2eV,只能吸收波长小于387nm的紫外辐射,因此其吸收光谱只占太阳光谱中很小的一部分,不能充分利用太阳能,另外,T1O2的光量子效率也有待进一步提高。有鉴于此,国内外已从多种途径进行了TiO2材料的改性研究,包括对TiO2进行锻烧、表面贵金属淀积、金属离子掺杂、半导体的光敏化和复合半导体的研制等。掺杂特定金属离子或光敏化均有可能使催化剂吸收波长延长至可见光范围。若采用禁带宽度较小的半导体与TiO2复合,则可能拓展催化剂吸收光谱范围,如Fe203的禁带宽度为2.2eV,其最大吸收波长可达563nm。近年来又发现纳米级TiO2材料的催化效率高于一般半导体材料,中孔分子筛材  料由于具有大而规整的孔径,能加快活性物的扩散,引起了研究者们的极大兴趣。
    在实际的污染治理中TiO2催化剂的存在形式主要有两种:悬浮式和固定式。悬浮式是采取搅拌的方式使催化剂与污水充分混合,这样能保持催化剂固有的活性,但又有以下不足:TiO2微小颗粒易流失,细小颗粒与废水的分离缓慢又昂贵,悬浮粒子对光线的吸收阻挡影响了光的辐照深度。固定式是将TiO2等半导体材料喷涂在多孔玻璃、玻璃纤维、玻璃板或钢丝网卫,使污水流过经固定化的催化剂,并与之作用,以这种形式存在的TiO2不易流失,但催化剂因固定而降低了活性且运行时需要提高进入反应器的水压,催化剂还存在易淤塞和难再生的问题。此外,研究这类催化剂的存在状态,使之最经济、有效,是一项重要的课题。对于均相光催化剂体系,如何将均相变为非均相,选用哪种化合物与H2O2组合,以得到更好的降解效果、更好的吸收和利用太阳能,也在进一步深入研究中。


      2光催化降解反应器的设计
      设计与制造适宜的反应器,是进行一定规模太阳能光催化降解污染物的重要环节。根据各国经验,反应器可分为聚光、不聚光两种类型。
      2.1聚光式反应器
      在90年代初,开始用于实际污水处理的反应器主体为抛物槽镜,将能透过紫外光线的玻璃管(如高硼硅玻璃管)置于槽镜的焦线上,使催化剂TiO2粉末与污染水混合通过玻璃管时降解发生光化学反回聚光式反应器的突出优点是能使日光光强数十倍地增加,能取得很好的去污效果。但聚光式反应器价格昂贵,技术难度大,不能利用散射部分的光能,且污水处理量亦受到限制。
      2.2非聚光式反应器
      目前研究应用的非聚光式反应器主要有以下几种形式:箱式、管式、平板式、凹陷膜式和浅太阳池式等。其中,浅太阳池式尤其适合于在需要进行工业废水处理的场所建造。如果工业企业已经有用于微生物废水处理的池式设施,那么浅太阳池可以在进行微生物处理前或处理后与之相连接,以便利用阳光通过光催化氧化进行废水净化,有利于光化学技术与生物技术相结合。如采用太阳光一固定床多相光催化氧化法与生物氧化法组合工艺对染料废水处理,得到较好的色度及COD去除效果。
      2.3污染物光催化降解条件的优化组合
      为了优化光催化降解条件,提高污染治理效率,防止降解过程中产生有毒有害污染物带来的二次污染,需要研究有机物的光催化降解机理,确定反应各步骤的反应产物及反应速率常数,考察各种因素对有机物光催化降解速率的影响。
      在考察有机物光催化降解速率时,各种环境污染指标如TOC(总有机碳),COD(化学需氧量),BOD(生化需氧量)的变化速率和CO2的释放速率被用来表征有机物的降解速率。对不同条件下污染物光催化降解速率的研究发现,合适的催化剂投加量不仅能提高污染物的降解效率,而且能提高治理的经济效益。辐照度越大,光催化降解效率越高,当辐照度小于一个太阳时,有机物的光催化降解速率与辐照度成正相关。适当提高溶解氧浓度能促进有机物的光降解,另外,溶液pH值也是影响光催化降解效率的重要因素。在一定光照条件下,针对一定浓度、一定类型的污染椒催化剂的最适浓度、最易降解的pH值范围也不一样。溶液中存在的无机离子大多对有机物的光催化降解起抑制作用。因此,在污水的光催化降解治理中,应根据污水实际的物理化学状况,优化降解条件。

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