光电催化技术在有机废水处理中的应用

王欣（锐博环保科技（北京）有限公司，北京　100000）

光电催化技术在有机废水处理中的应用

王欣（锐博环保科技（北京）有限公司，北京100000）

光电催化技术应用于有机废水处理，是在外部施加偏压以减少光生电子以及空穴的复合率，最终提高水中有机污染物的处理效果。作者综述了基于半导体光电催化的机理、TiO2光电催化在污水处理方面的应用等方面进行介绍。

光电催化技术；废水处理；有机废水

在高有机污染物的处理中，光电催化技术成为当前人们研究关注的热点，其融合了光化学和电化学氧化法，大致可以分为光催化电芬顿工艺和半导体光电极辅助降解两种。光电催化技术能够有效将污水中的有机污染物化解成为无机小分子，或将有机污染物转化成有用的物质。半导体有能带结构，构成要素是空的导带及填满电子的价带。这两种要素之间存在禁带。如果出现能量等于或者超过禁带宽度的光照射半导体时，价带上的电子就会被激发跃迁到导带上产生空穴，使空穴具有极强的氧化性，一般会使用TiO2。在这个过程中电子会生成HO·，这种物质能够增强氧化剂反应活性，而且对作用物没有选择。因此，才能使水中的有机污染物全部降解成为无机物。本文将以基于半导体光电极上的电辅助讲解为研究对象，以TiO2光电催化技术为例，研究其在有机废水处理中的应用情况。

1　TiO2　光电催化技术的主要机理

二氧化钛的外层电子结构较为特殊，一般具有很深的价带能级。当它们接收到的能力超过袋洗能力的光照时，在其外部需要施加一定的偏压，将价带上的电子激发到导带上，使得导带上形成一种活性较强的电子，价带上形成带正电荷的空穴，以此构建出一个氧化还原系统。溶解氧及水分别与二氧化碳中的电子与空穴发生反应，使得产生活性较强，且氧化性也较强的HO·，以此氧化降解有机废水中的难降解的有机物。但是因为二氧化钛的导带捕捉活性强的电子能力不足，因此很容易使活性强的电子和光生空穴发生再复合的现象。光电催化就是通过在外部施加电场阳极，捕捉活性强的电子，以此避免其余光生空穴再复合的现象，将电子转移至电场阴极上，光生空穴则留在半导体的表面。以此提高光量子的反应效率。

2　TiO2　光电极的制备

光电极是构成光电催化反应器的关键，当前使用TiO2制备光电极，主要方法是悬浮态光电极、透明固定化膜电极和固定化膜光电极等方法。其中，固定化膜光电极的方法较为实用，且操作也较为简单。催化剂固定化一般是通过溶胶-凝胶法、直接氧化法、热胶粘合法、化学气相沉积法、阳极氧化法等固定化方法实现的。如果固定床不同，那么光降解的效率也是不同的。特别是在外部施加电场的情况下，催化剂将负载与某个基体表面。基体不仅可以作为电催化剂的反应载体，也可以增强反应，降低催化剂的使用量，甚至和活性组分相瓦发生反应，以此影响电极表面的性能和结构。

3　TiO2　光电催化在水处理方面的应用

二氧化钛光电催化技术是一种比较高级的氧化技术，和传统的水处理技术相比，其能够将废水中的有机污染物完全降解，提高难降解有机物的应用效率，且不会发生再次污染，被广泛应用于各种有机污染物的降解中。

3.1光电催化降解染料

Socha等人利用二氧化钛薄膜电极对双偶氮染料、三偶氮染料进行光电催化反应降解。其温度要求是60摄氏度，电流密度是0.025A·com-2，降解时间为3小时，这两种染料的降解速率能够达到74%与31%，光电催化降解要比直接电解的效果好。姚清照等人应用纳米结构的二氧化钛膜作为工作电极，对水溶液中的铬蓝K、一品红、铬黑T进行光电催化降解，反应时间为3小时，其降解效率是光降解效率的2倍，比光催化降解高31%。吴永健等人利用单槽和双槽反应器，光电催化降解水中的蓝色染料，发现双槽反应器的效果明显要比单槽反应器好，当外部施加偏压为0.6V，pH为7时，双槽反应器中的光电催化降解效率能够达到最大。

3.2光电催化降解甲酸

Anderson与Kim利用二氧化钛薄膜电极光电催化降解水中的甲酸，考虑薄膜厚度、氧通量、外部施加偏压等因素，系统深究了甲酸浓度、pH值、传质过程、Ag+效应等对光电催化降解甲酸效率的影响。试验证明，当pH值为3.4的时候起降解率达到最大，当pH值大于6的时候，光电催化降解反应将不再继续，这主要是因为受甲酸的离解常数和二氧化钛表面的电荷性质限制。甲酸初始浓度对光电催化降解的效率影响不大，但是其传质过程却对光电催化降解效率影响比较大。

3.3光电催化降解酚类

Kesselman等人针对溶液不同浓度和pH值下二氧化钛对4-氯酚的光电催化降解效率，实验证明，4-氯酚的降解属于一级反应动学。Taghizadeh等人研究了4-氯间苯二酚和4，6-邻苯二酚等弱吸附质，以及3，4-二羟基苯甲酸和1，2，4-三羟基苯等强吸附质在二氧化钛表面进行光电催化降解试验，发现强吸附质与弱吸附质降解反应较大，整个实验受吸附的化学键、电极性质以及反应物的极性影响。Waldner等人研究了二氧化钛薄膜对草酸和4-氯酚降解的不同效果，发现光电催化降解草酸的效率要高于4-氯酚的效率，这是因为4-氯酚在降解的过程中生成了中间物。

［1］曲江，张海荣.光催化氧化技术在化工废水处理中的应用［J］.资源节约与环保，2016，01：61.

［2］秦微，谢陈鑫，王震，李肖琳.光电催化氧化处理高氨氮废水技术研究［J］.广东化工，2015，05：90-91.

［3］李杨，赵曼曼，姚颖悟.光电催化技术在有机废水处理中的研究进展［J］.电镀与精饰，2014，01：12-17.

［4］徐进，刘豹，兰华春，刘锐平，赵元凤，曲久辉.有机工业废水的电化学处理工艺技术原理与应用［J］.净水技术，2014，04：36-40.