光催化技术在水处理中的应用研究

孙晓蕊 杨威

【摘要】水资源的匮乏，已成为限制人类社会高速发展的重要因素。利用半导体纳米材料的光催化氧化技术以其环保、高效的有点，现已成为环保工作者重点研究之一。本文介绍光催化技术在水处理中对多种有机污染物的降解研究应用。

【关键词】光催化；有机物；降解

1 前言

我国人均水资源量相当匮乏，尽管水资源总量位列世界第六位，但人均占有量仅为世界的四分之一。并且水污染情况日益严重。工业等排放的废水含有大量有毒的和生物难以降解的有机污染物，如酚类、有机染料等，传统的污水处理方法在脱色方面以及COD的去除方面均不能达到很好的效果，现有的环保技术也难以彻底降解这些污染物。因此，光催化氧化技术逐步进入环保研究者的视野。

2 半导体纳米材料的光催化性能

半导体纳米材料在结构上具有独特的性能，可以催化体相材料所不能催化的反应，且活性更高。其一，半导体纳米材料具有量子尺寸效应，导带与能带能级不同，当受到能量激发时，会产生电子跃迁现象，为氧化还原反应提供可能。其次，半导体纳米材料的粒子尺寸小，与体相材料相比，同等质量条件下，拥有更大的比表面积，这对于光及污染物的接触吸收更加有利。

3 光催化机理

目前对于光催化机理的解释，多从能带理论出发。因纳米半导体光催化剂的特殊结构，且能带具有不同的能量，分为高能导带和低能价带。当催化剂受到光能量激发时，价带与导带之间会发生电子跃迁现象，形成光生电子一空穴对，与OH-、H2O等反应生成具有强氧化性的羟基自由基（·OH），最终将有机污染物降解成H2O、CO2等小分子。

4 光催化技术在水处理中的应用

传统的水处理技术但对低浓度可溶性有毒、有害物质的处理效率相对较低，有时甚至应用极高的成本却没有任何处理效果。

4.1 在工业废水处理的应用

光催化氧化技术可以有效降解多种有机物（如烃类、醛、卤代烃等），甚至做到彻底分解成无毒害的无机小分子。大量研究表明，在光照条件下，纳米TiO2可光催化氧化水中苯、氯仿、甲醛等有机污染物。

4.2 在农药废水处理的应用

大量研究表明，光催化技术可以有效降解有机农药。以TiO2为光催化剂，经紫外光照射，有机磷农药和有机硫农药可以完全无机化，并能定量地被氧化成PO43-及SO42-。曹连秋应用制备的AC/TiO2催化剂，光催化降解三氮苯類有机农药一阿特拉津，实验结果表明，TiO2可均匀分散于活性炭微孔中，对阿特拉津的降解率高于88%。

4.3 在印染废水处理中的应用

染料废水大多含有苯环、胺基、偶氮基团等致癌物质，不仅对环境造成严重污染，同时危害人类身体健康。实验证明，在以纳米TiO2为光催化剂、溶解氧存在的条件下，水溶性偶氮染料易发生光催化降解反应。金伟等利用水热法制备出的Mn/ZnO，在紫外光催化反应4h，罗丹明B的降解率可达92%。李霞等利用直接沉淀法制备了纳米ZnO，光催化降解甲基橙溶液120min，降解率可达88%。

4.4 在抗生素废水处理中的应用

医疗水平的不断提高，药物日新月异，抗生素的生产及使用量也越来越大。城市污水处理厂很难彻底清除抗生素，流入江河中的抗生素将对生态系统以及人类健康造成严重危害。李耀中等以Ti02为催化剂，在光催化反应器中降解制药废水，仅15分钟COD去除率可达80%以上。郭佳以TiO2为催化剂，紫外光催化降解废水中头孢曲松，去除率高达90%以上。

4.5 在造纸废水处理中的应用

Pintar等以纳米TiO2和Ru/TiO2为催化剂，光催化降解牛皮纸漂白废水。结果表明，以纳米TiO2为催化剂进行光催化时，废水中的有机总碳（TOC）大幅度降低。以纳米Ru/TiO2为催化剂进行光催化时，TOC含量进一步降低。

4.6 在石油废水处理中的应用

随着石油的开发与应用，石油流人海洋中，对海洋生物及沿岸环境造成污染危害。针对石油密度低于水而漂浮于水面的情况，武汉大学研究室将纳米TiO2偶联在两种硅铝陶瓷空心微球上，制备出了能飘浮在水面的TiO2光催化剂，对漂浮于水面的辛烷进行光催化降解，降解率高达90%。

4.7 在无机废水处理中的应用

无机废水的处理，主要是通过氧化低价态毒性物质和还原高价态毒性物质，最终实现物质毒性的降低，甚至无毒。重金属水污染就是有毒无机废水的一大代表。纳米TiO2可以将Cr6+还原转化为Cr3+，此时Cr6+的强致癌毒性大大降低降低。

5 存在的问题

尽管光催化氧化技术在降解有机污染物上存在高效、环保等优势，但走出实验室，实现工业化仍然很难。主要因为受到几方面因素的限制：其一，光催化反应中，催化剂表面的光生电子一空穴对复合速率过快，造成量子效应过低；其次，目前研究中的光催化剂多对紫外光反应，对可见光的吸收较低，这就导致对太阳光的利用率过低；除此之外，对于投加到废水中的固体催化剂，如何有效的实现固液分离，也是今后研究的一大重点。

参考文献：

[1] Tan Y W， Xue X Y， Peng Q， et al.Controllable fabrication and electricalperformance of single crystalline Cu2O nano wires with high aspectratios[J].Nano Letters，2007，7（12） 13723-3728

[2]韩宙.纳米氧化锌的制备及在生物和光催化方面应用研究[D].北京理工大学，2015

[3]熊若晗，汤题.光催化技术处理抗生素废水研究进展[J].环境与可持续发展，2017，42（02）：114-117

[4]金伟，田彦文.氧化锌的制备及其光催化性能研究[J].材料与冶金学报，2007，6（1）：29-32

[5] Pintar A， Bercic G， Besson M， et al CatalyticW et-A it oxidation of In-dustrial Effluents Total M ineralization of Organics and Lunped KineticModelling [J] .Appl Catal B， 2004，47 （3） ： 143-152

[6]方佑龄，赵文宽，尹少华，等.纳米TiO2在空心陶瓷微球上的固定化及光催化分解辛烷[J].中国应用化学学报，1997，14（2）：81-83。