纳米二氧化钛在环境治理方面的应用

陈雪芹

重庆交通大学河海学院，重庆 400074

纳米二氧化钛和普通的材料相比，不仅有较大的比表面积，表面活性大，具有良好的热导性、光吸收性以及磁性，而且还具有稳定的光化学性质、较高的催化效率，以及比较强的氧化能力，无毒且造价低廉。在实际的应用过程中，其不仅具有简单的工艺流程和容易控制的操作条件，而且不会对环境造成二次污染。这些性质使其在废水处理、土壤修复以及大气净化等环保领域都有广泛的应用[1]。

1 纳米二氧化钛的光催化降解机理

在波长＜387.5nm的紫外线的照射下，二氧化钛价带上的电子会发生跃迁，跃迁到倒带，激发电离出电子，并且产生正电性的空穴，从而形成电子-空穴对。其能够与吸附在表面上的氧气以及水进行反应，并将OH-和H2O氧化成为H0自由基。在能够在水体中存在的氧化剂中，OH自由基是氧化能力最强的，其能够无选择性地将水体中大部分有机和无机污染物氧化。同时，二氧化钛表面的电子还能够俘获氧，使之形成O2-。表面电子具有很强的还原性，能够将水中的金属离子还原，然后去除。在原子氧以及氢氧自由基的作用之下，有机污染物会被还原分解，并最终被分解成CO2、H2O等，从而消除水体污染[2]。因为二氧化钛在紫外线的照射下，才能够具备上述特点，所以人们将其称为光触媒。

需要紫外线照射后才具备上述功能，严重地制约了纳米二氧化钛的应用。为了解决这一问题，技术人员进行了大量的研究，发现通过在二氧化钛表面进行选择性地晶格掺杂，能够有效地解决这一问题。在二氧化钛薄膜上掺杂离子，能够使其表面结构出现变化，从而在其表面形成浅势捕获阱。其具有捕获光生电子的功能，从而实现光生电子和光生空穴二者的有效分离，这样就极大地提升了催化剂的催化活性。研究发现，将Fe、Mo、Re、V、Pt、Ag、Cu和Rh等金属离子掺杂到二氧化钛中，都可以大幅度提升其光催化特性，这样就不需要应用紫外线照射，而是在室内光线下就可以实现上述反应。这种技术改进，降低了纳米二氧化钛的应用条件，极大地提高了其应用范围。

2 纳米二氧化钛在环境治理中的应用

2.1 污水处理

近年来，我国水体污染问题日趋严重。工业、种植业、养殖业以及日常生活都产生大量的废水，是水体中污染物的主要来源。其中染料、杀虫剂、抗生素以及农药等是水体中主要的污染物。

纳米二氧化钛薄膜光催化剂能够有效地处理水体中的不同污染物，如可以应用于治理工业染料造成的废水污染之中。纳米二氧化钛作为光催化剂，在可见光照射的情况下，可以使燃料污水中水溶性的偶氮染料发生光催化降解[3]。而对于活性黄、活性艳红以及活性艳蓝等污染物，纳米二氧化钛可以作为催化剂，在紫外光照射下，使这些污染物降解。

纳米二氧化钛在药物污水的处理中也有重要的应用，药物污水主要是指药物生产或使用中产生的污水。在众多的药物之中，有机磷类农药的生产以及使用量是最多的，同时其废水还具有毒性大、难以降解的特点，容易在生物体内累积。可以使用纳米二氧化钛粉体以及纳米二氧化钛薄膜，在紫外光的照射下，实现药物光催化降解。这种方式对于百草枯等毒性较大的农药都具有良好的效果。还可以采用复合工艺，或者是辅助超声联合降解等方式实现大量的药物污水的处理。

2.2 气体处理

我国在发展经济的过程中，缺乏对于环境的保护，导致了环境污染问题严重。工厂废气的排放、汽车尾气、城市燃煤等对空气造成了严重的污染，每年冬天都会出现大范围、长时间的雾霾天气。而严重的空气污染问题会导致肺癌的发病率大幅度提升，对人们的生活和健康造成了巨大的威胁。空气的污染还会造成生态破坏、臭氧层空洞以及冰山融化等一系列问题，因此治理空气污染十分迫切。在传统的技术手段下，空气的净化方法主要包括活性炭吸附、生物法以及化学氧化等，这些方法需要投入大量的资金，并且需要很长时间才能够起到作用。而应用纳米二氧化钛来进行空气的治理，不仅价格低廉，而且还具有无毒、无害、节能高效的特点。同时，纳米二氧化钛应用到室内的空气净化中，同样具有很好的效果。在现代装饰施工中，难免会引入甲醛、苯系物质等污染物，这对于人体而言是非常有害的。对于婴幼儿而言，危害尤其严重。婴幼儿的身体抵抗力有限，这些污染物很可能会导致婴幼儿出现白血病或者癌症。将纳米二氧化钛以拌和的方式添加到墙体的装潢材料中，能够起到降低苯系污染物的效果，促进苯、甲苯、乙苯以及苯乙烯等有机物的分解，使其分解成CO2和H2O等无毒的小分子物质，有效地降低室内装潢对于环境和人体健康的影响[4]。但目前这种技术还没有大范围地应用，在实际应用过程中还存在一些限制，需要进一步研究。

2.3 土壤修复

当前，我国土壤污染问题比较严重，工厂污水、种植业和养殖业废水等渗入到土壤，以及农药化肥等过度使用等，导致土壤被严重污染。研究表明，土壤污染问题每年会给我国农业带来超过200亿的经济损失。土壤受到污染之后，会影响到植物的生长，还会抑制土壤中微生物的生长，导致土壤环境进一步恶化。研究人员已经对纳米二氧化钛在土壤修复中的应用进行了大量的研究。例如中科院南京土壤研究所的工作者就进行了这类研究，其应用纳米二氧化钛去除土壤中的污染物，如二苯砷酸，同时还对纳米二氧化钛对土壤中污染物的吸附能力进行了研究，并对纳米二氧化钛催化剂的条件进行了优化。试验结果表明，纳米二氧化钛可以有效地提升土壤对污染物的吸附能力，通过搅拌的方式可以提升土壤以及纳米颗粒受到紫外线照射的辐射概率，有效地提升污染物的降解率。另外，研究结果还显示，用均相光催化修复有机污染物土壤能够取得比较好的效果，而且其不仅仅在紫外光的照射下能够取得良好的修复效果，在可见光下也可以达到比较好的效果。此外，研究还发现，纳米二氧化钛光催化剂还能够有效地进行受到毒死蜱以及DDT等农药污染的土壤的光催化修复。

3 结语

利用纳米二氧化钛的光催化效应，能够通过紫外光或者可见光的照射，使污染物降解，从而达到去除污染物的目的。这种方式不仅去除污染物的效果好，而且具有价格低廉、无毒、无害、不会造成二次污染等优点，在水体、大气和土壤的污染治理中都有广泛的应用。因此，应进一步加强纳米二氧化钛性质的研究，提升其去除污染物的效果，从而使其在污染治理中发挥更重要的作用。