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光電催化技術(shù)在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用

王欣（銳博環(huán)?？萍迹ū本┯邢薰?，北京100000）

光電催化技術(shù)應(yīng)用于有機(jī)廢水處理，是在外部施加偏壓以減少光生電子以及空穴的復(fù)合率，最終提高水中有機(jī)污染物的處理效果。作者綜述了基于半導(dǎo)體光電催化的機(jī)理、TiO2光電催化在污水處理方面的應(yīng)用等方面進(jìn)行介紹。

光電催化技術(shù)；廢水處理；有機(jī)廢水

在高有機(jī)污染物的處理中，光電催化技術(shù)成為當(dāng)前人們研究關(guān)注的熱點(diǎn)，其融合了光化學(xué)和電化學(xué)氧化法，大致可以分為光催化電芬頓工藝和半導(dǎo)體光電極輔助降解兩種。光電催化技術(shù)能夠有效將污水中的有機(jī)污染物化解成為無(wú)機(jī)小分子，或?qū)⒂袡C(jī)污染物轉(zhuǎn)化成有用的物質(zhì)。半導(dǎo)體有能帶結(jié)構(gòu)，構(gòu)成要素是空的導(dǎo)帶及填滿電子的價(jià)帶。這兩種要素之間存在禁帶。如果出現(xiàn)能量等于或者超過(guò)禁帶寬度的光照射半導(dǎo)體時(shí)，價(jià)帶上的電子就會(huì)被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶上產(chǎn)生空穴，使空穴具有極強(qiáng)的氧化性，一般會(huì)使用TiO2。在這個(gè)過(guò)程中電子會(huì)生成HO·，這種物質(zhì)能夠增強(qiáng)氧化劑反應(yīng)活性，而且對(duì)作用物沒(méi)有選擇。因此，才能使水中的有機(jī)污染物全部降解成為無(wú)機(jī)物。本文將以基于半導(dǎo)體光電極上的電輔助講解為研究對(duì)象，以TiO2光電催化技術(shù)為例，研究其在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用情況。

1　TiO2　光電催化技術(shù)的主要機(jī)理

二氧化鈦的外層電子結(jié)構(gòu)較為特殊，一般具有很深的價(jià)帶能級(jí)。當(dāng)它們接收到的能力超過(guò)袋洗能力的光照時(shí)，在其外部需要施加一定的偏壓，將價(jià)帶上的電子激發(fā)到導(dǎo)帶上，使得導(dǎo)帶上形成一種活性較強(qiáng)的電子，價(jià)帶上形成帶正電荷的空穴，以此構(gòu)建出一個(gè)氧化還原系統(tǒng)。溶解氧及水分別與二氧化碳中的電子與空穴發(fā)生反應(yīng)，使得產(chǎn)生活性較強(qiáng)，且氧化性也較強(qiáng)的HO·，以此氧化降解有機(jī)廢水中的難降解的有機(jī)物。但是因?yàn)槎趸伒膶?dǎo)帶捕捉活性強(qiáng)的電子能力不足，因此很容易使活性強(qiáng)的電子和光生空穴發(fā)生再?gòu)?fù)合的現(xiàn)象。光電催化就是通過(guò)在外部施加電場(chǎng)陽(yáng)極，捕捉活性強(qiáng)的電子，以此避免其余光生空穴再?gòu)?fù)合的現(xiàn)象，將電子轉(zhuǎn)移至電場(chǎng)陰極上，光生空穴則留在半導(dǎo)體的表面。以此提高光量子的反應(yīng)效率。

2　TiO2　光電極的制備

光電極是構(gòu)成光電催化反應(yīng)器的關(guān)鍵，當(dāng)前使用TiO2制備光電極，主要方法是懸浮態(tài)光電極、透明固定化膜電極和固定化膜光電極等方法。其中，固定化膜光電極的方法較為實(shí)用，且操作也較為簡(jiǎn)單。催化劑固定化一般是通過(guò)溶膠-凝膠法、直接氧化法、熱膠粘合法、化學(xué)氣相沉積法、陽(yáng)極氧化法等固定化方法實(shí)現(xiàn)的。如果固定床不同，那么光降解的效率也是不同的。特別是在外部施加電場(chǎng)的情況下，催化劑將負(fù)載與某個(gè)基體表面?；w不僅可以作為電催化劑的反應(yīng)載體，也可以增強(qiáng)反應(yīng)，降低催化劑的使用量，甚至和活性組分相瓦發(fā)生反應(yīng)，以此影響電極表面的性能和結(jié)構(gòu)。

3　TiO2　光電催化在水處理方面的應(yīng)用

二氧化鈦光電催化技術(shù)是一種比較高級(jí)的氧化技術(shù)，和傳統(tǒng)的水處理技術(shù)相比，其能夠?qū)U水中的有機(jī)污染物完全降解，提高難降解有機(jī)物的應(yīng)用效率，且不會(huì)發(fā)生再次污染，被廣泛應(yīng)用于各種有機(jī)污染物的降解中。

3.1光電催化降解染料

Socha等人利用二氧化鈦薄膜電極對(duì)雙偶氮染料、三偶氮染料進(jìn)行光電催化反應(yīng)降解。其溫度要求是60攝氏度，電流密度是0.025A·com-2，降解時(shí)間為3小時(shí)，這兩種染料的降解速率能夠達(dá)到74%與31%，光電催化降解要比直接電解的效果好。姚清照等人應(yīng)用納米結(jié)構(gòu)的二氧化鈦膜作為工作電極，對(duì)水溶液中的鉻藍(lán)K、一品紅、鉻黑T進(jìn)行光電催化降解，反應(yīng)時(shí)間為3小時(shí)，其降解效率是光降解效率的2倍，比光催化降解高31%。吳永健等人利用單槽和雙槽反應(yīng)器，光電催化降解水中的藍(lán)色染料，發(fā)現(xiàn)雙槽反應(yīng)器的效果明顯要比單槽反應(yīng)器好，當(dāng)外部施加偏壓為0.6V，pH為7時(shí)，雙槽反應(yīng)器中的光電催化降解效率能夠達(dá)到最大。

3.2光電催化降解甲酸

Anderson與Kim利用二氧化鈦薄膜電極光電催化降解水中的甲酸，考慮薄膜厚度、氧通量、外部施加偏壓等因素，系統(tǒng)深究了甲酸濃度、pH值、傳質(zhì)過(guò)程、Ag+效應(yīng)等對(duì)光電催化降解甲酸效率的影響。試驗(yàn)證明，當(dāng)pH值為3.4的時(shí)候起降解率達(dá)到最大，當(dāng)pH值大于6的時(shí)候，光電催化降解反應(yīng)將不再繼續(xù)，這主要是因?yàn)槭芗姿岬碾x解常數(shù)和二氧化鈦表面的電荷性質(zhì)限制。甲酸初始濃度對(duì)光電催化降解的效率影響不大，但是其傳質(zhì)過(guò)程卻對(duì)光電催化降解效率影響比較大。

3.3光電催化降解酚類(lèi)

Kesselman等人針對(duì)溶液不同濃度和pH值下二氧化鈦對(duì)4-氯酚的光電催化降解效率，實(shí)驗(yàn)證明，4-氯酚的降解屬于一級(jí)反應(yīng)動(dòng)學(xué)。Taghizadeh等人研究了4-氯間苯二酚和4，6-鄰苯二酚等弱吸附質(zhì)，以及3，4-二羥基苯甲酸和1，2，4-三羥基苯等強(qiáng)吸附質(zhì)在二氧化鈦表面進(jìn)行光電催化降解試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)吸附質(zhì)與弱吸附質(zhì)降解反應(yīng)較大，整個(gè)實(shí)驗(yàn)受吸附的化學(xué)鍵、電極性質(zhì)以及反應(yīng)物的極性影響。Waldner等人研究了二氧化鈦薄膜對(duì)草酸和4-氯酚降解的不同效果，發(fā)現(xiàn)光電催化降解草酸的效率要高于4-氯酚的效率，這是因?yàn)?-氯酚在降解的過(guò)程中生成了中間物。

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