光催化氧化的技术应用

谢春怡 徐启龙 蔡士俊

内蒙古科技大学材料与冶金学院 内蒙古自治区包头市 014010

摘 要：分别介绍硫酸根自由基（SO₄^-·）和氢氧自由基（·OH）的催化氧化原理,归纳总结了目前不同光催化剂在不同方向的应用情况,并对光催化氧化技术在有机和无机污染物处理中的进一步研究提出建议。

关键词：氢氧自由基（•OH）；硫酸根自由基（SO4-•）；有机和无机污染物

1. 研究背景

从光催化现象发现至今，经过三十多年的发展，多项光催化已经逐渐形成两大主要研究反方向：太阳能转化光催化和环境光催化。太阳能光催化主要致力于新能源的开发和储能，主要途径是利用太阳能光解水制氢；环境光催化是最近20年发展起来的多项光催化的另一部分，随着全球的环境恶化，解决环境污染问题变成了人类迫切需要解决的重大问题。最近几年，人们发现光催化剂表面在较弱的紫外光线照射下，表现出超亲水性和强氧化—还原性

2.光催化氧化原理

光催化氧化是在外界可见光的作用下发生催化作用，以半导体及空气为催化剂，以光为能量，将有机物降解为CO2和H2O及其它无毒无害成份，以氢氧自由基（OH）做氧化剂的光催化氧化技术是传统的光催化氧化技术，通过模拟阳光或自然光照射一些具有能带结构且禁带宽度相对较小的半导体催化剂(如TiO2、ZnO等)，当其价带电子受到大于或等于禁带的太阳光能照射时，会被激发并且跃迁到导带之中，这个时候价带上会产生成正电形空穴（光生空穴），导带上会产生具有高活性的电子，从而形成了电子-空穴对。光生空穴具有很强的捕获电子能力，它可以将吸附于半导体颗粒表面的H2O和OH-氧化为氢氧自由基（OH）。导带上的电子会使吸附于半导体颗粒表面的溶解氧捕获电子，并且经过一系列反应生成HO2、H 2O2、OH等。OH拥有强氧化性，可将有机物氧化为无污染的H2O、 CO2等物质[1]；以硫酸根自由基（S O 4-）作氧化剂的光催化氧化技术环境中污染物的种类与数量不断增加的情况下随着人类社会和工业技术的进步而进步。在无机化学和生物领域利用S O 4-具有强氧性的性质，在一些特定情况下S O 4-氧化性能（氧化还原电位超过OH的氧化还原电位，是目前应用在环境领域中的氧化性最强的自由基，可将有机物氧化转化为无污染的 H2O、CO 2等物质。主要是通过过一硫 酸氢钾加热、紫外或过渡金属活化产生S O 4-。

3.光催化氧化的实际应用

3.1 TiO2 光催化氧化技术在印染废水处理中的实际应用

TiO2这种类型的催化技 术对于印染废水而言，能够对废水展开脱色时具备较强的催化性能，而且这种类型催化剂的光谱中详细表明了，在其表面上存有一定的路易斯酸，TiO2能够在表面与末端形成一定的路易斯酸，最终产生一定的活性氧，可以有效废水中酸碱、染料、漂浮物、除无机盐等。被处理过的印染废水当中含有很多种元素，包括农作物在生长过程中所需要的营养成分，用净化过的废水灌溉农田可以大幅度提高农作物的产量[1]

3.2光催化氧化技术在粪便无害化处理场除臭系统改造中的应用

利用高能UV 紫外线光束分解空气中的氧分子产生游离氧，即活性氧，因游离氧所携正负电子不平衡所以需与氧分子结合，进而产生臭氧高能UV紫外线光束照射恶臭气体，使恶臭气体的分子链断裂。臭氧及羟基自由基对被裂解的小分子物质进一步氧化，使恶臭气体转化为低分子无臭无害化合物，如 H2O、CO2、无机离子等低分子物质。为了确保除臭效果，在光催化氧化除臭以后，又增加了一级活性炭，活性炭具有高度发达的孔隙构造，比表面积大，气体通过时，能与气体充分接触，具有极强的吸附能力。光催化氧化后尚未完全分解的臭气、臭气分解后产生的有害物质以及多余的臭氧，会被活性炭进一步吸附，臭气再次得到净化。粪便无害化处理场是城市重要的环卫基础设施，但是由于其自身功能特点，不可避免地产生臭气。光催化氧化加活性炭吸附技术，采用物理化学方法去除臭味，具有能效高、 能耗低等优点。光催化氧化除臭完全能够满足环保要求，是一种较好的处理方法。

3.3化工企业实验室有机废气光催化净化工

企业实验室废气污染因子为甲醇和非甲烷总烃，排气筒 20 m。光催化法是在一定的波长太光照下，吸附在基体表面的有机物发生氧化还原反应，是因为催化剂的光催化活性，最终有机物发生氧化还原反应让甲醇和非甲烷总烃成无机小分子物质、H2O 和 CO2。紫外线)光催化还可分解空气中的氧分子，空气中的氧分子产生游离氧，游离氧所携带正负电子，导致与氧分子结合，进而产生臭氧[4]。臭氧具有极强的氧化作用，对挥发性有机气体具有极强的清除作用[7]。光催化氧化还原以N型半导体为催化剂，如TiO2、ZnO、 Fe2O3、SnO2等。其中TiO2因为光化学性质和化学性质全都很稳定，反应条件温和、易控、能耗低、效率高和无二次污染，并且无毒，价廉，容易获得，是目前大家一致认为的最适合的光催化剂光催化技术

3.4细菌的光催化氧化消毒

目前常用的水消毒方法有臭氧氧化法、氯化法、紫外线照射法，但是每一种方法本身都存在或多或少的缺点或者说是一种自身局限性。当使用TiO2的半导体光催化剂的时候，在光催化剂作用下并且在波长小于385 nm照射时，能够形成带电载流子。这些载体分别与吸附在TiO2表面上的氧和水分子发生反应，生成高度氧化的羟基自由基。这些高度氧化的羟基自由基可以灭活细菌细胞

4结论

目前，光催化氧化的技术，在人们日益提高的需求当中快速发展，光催化已经成为大部分老式技术的替代品，光催化技术相比于老式的技术的缺点和局限性更明显的减少，并且与老式技术而言，原本的性能更为可靠，高效环保，安全无毒。 光催化氧化法作为一种新兴高级氧化技术，在水污染防治领域具有良好前景，是近年来的重点发展方向。其作用机理是在表面催化剂存在的条件下，利用一定波长的紫外辐射提供能量，产生强氧化性物质——羟基自由基，氧化降解废水中的有机污染物。该反应具有氧化能力强、选择性小、反应速度快，及反应条件温和等优点，在处理水中难降解有机物方面取得良好成效。目前，我国光催化氧化技术在实验室阶段已成功应用于焦化废水、造纸废水、二沉池出水、垃圾渗滤液、柠檬酸废水等难降解污水的处理，下一阶段将加大现场工作力度，推进该技术的成型和落地。

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