tio2光催化氧化污水处理技术的研究进展 2页

'TiO2光催化氧化污水处理技术的研究进展王晓玲(江苏建筑职业技术学院江苏徐州221116)摘要：TiO。光催化氧化技术作为近年来发展起来催化剂。首先将纯钛板用洗涤剂、乙醇等清洗后，在Na2CO，和草酸的水处理新技术被研究者广泛关注论文对Tio，光催化溶液中进行处理，用去离子水冲洗干净，晾干备用；其次将一定量的氧化水处理技术在悬浮式光催化氧化和负载式光催化氧钛酸四丁酯和乙酰丙酮依次加入正丙醇中，混合均匀后滴加少量的化方法中光催化剂、光催化氧化反应器和光能利用三要素去离子水静置，作为制备TiO：薄膜的涂覆液；最后将钛板浸入涂覆的研究进展进行了总结和评述：在分析其各自优缺点的基液中，在钛板上形成溶胶液膜，待凝胶老化、干燥后，在马福炉中进础上，指出实现Tio光催化氧化技术工业性应用今后需行高温焙烧即可。在完善催化剂的改性技术、激活催化性能、提高回收率和2．光催化反应器的研制优化催化反应器的设计与太阳能可见光利用方面着重开展研究。2．1悬浮式光催化反应器关键词：TiO2光催化氧化；光催化剂；光催化氧化在悬浮式光催化氧化方法污水处理过程中为了解决催化剂反应器：光能利用与废水不能充分接触、不易分离等问题。侯娜等p设计出一种新型光催化反应器。如图1所示，光催化剂加入待处理的混合液中，开随着现代化工业的迅速发展，大量有毒、难于降解的人工合成启水泵，使水在光催化反应器内和分离装置间循环流动。待光催有机物不断产生，对人体和动植物有着急性或慢性、直接或间接的化剂达到悬浮状态，打开紫外灯，反应开始；有机污染物得到降解，毒害作用。然而常规的水处理工艺对有机污染物的去除效果甚微，光催化剂通过分离装置时被截留；合格水从分离装置流出，光催难以满足饮用水水质标准，如传统的液氯消毒，不仅产生天然有机化剂颗粒与水实现分离。这种反应器既保证了光催化氧化的高效物(NOM)、藻类及其代谢产物等前驱污染物，而且还生成三卤甲烷、率，又实现了光催化剂颗粒与水的有效分离。难挥发性卤乙酸(HAAs)等可致癌、致突变的后续有害副产物。TiO：光催化氧化技术因其在消除水中微量有机污染物的彻底性及对饮用水消毒杀菌无毒的优越性被研究者广泛关注，处理方法主要有悬浮式和负载式两种。本文对TiO光催化氧化技术中的催化剂、反应器和光能利用方面的研究成果进行总结，分析其优缺点，希望对提高光催化氧化技术在水处理中的研究与应用有所帮助。1催化剂的分类与应用日本科学家Fujishima和Hondat1(1972年)首次发现半导体金属氧化物TiO单晶在紫外线(380nm)作用下电极能使水在常图1即时分离型光催化反应器示意图温常压下发生氧化还原反应，生成氢气和氧气。其后国内外大量1．光催化反应容器2．紫外灯3．石英管4．水泵研究表明，金属氧化物TiO：具有良好的化学和生物惰性，不溶于5．压力表6．分离装置7．合格水流量计8．回流水流量计水，无毒无污染，将其作为催化剂应用于水处理领域有许多优势。2．2负载式光催化反应器随着科技的进步，近年来研究者根据处理方式的不同研制出不同负载式光催化反应器又分为定式反应器(反应器固定不动)特性的TiO2催化剂。和旋转式反应器。在定式反应器方面，尤宏等设计出三相内循环流化床光催1．1悬浮式纳米Tio：催化剂化反应器。如图2所示：反应器分三层，中心放置紫外光源，内层常规TiO：悬浮在液相中与污染物接触面积大，反应速率高，是气、固、液三相升流但悬浮态TiO粉末存在难回收，损耗大，效率低等缺陷，为了提高区，外层是降流区。反催化剂催化效率，研究出纳米TiO催化剂。该催化剂与常规材料应器底部安装环状曝相比具有小尺寸、大比表面积、宏观量子隧道效应等新特性。TiO气头，产生气泡，气泡纳米粒子的制备方法主要有：溶胶一凝胶法、水解沉淀法等，其中上浮，升流区和降流溶胶一凝胶法因其具有温度低，粒径分布均匀，化学活性大，工艺区之间产生密度差，简单等优点，目前被很多研究者采用。流体夹带固体催化剂1．2负载式光催化剂在两区之间循环流负载式光催化剂主要应用于负载式光催化氧化水处理中。将动。顶部放大段形成催化剂负载在固定载体如玻璃片、纤维网、石英、硅胶等物质上或缓冲区使气、固、液分其他悬浮型微粒载体如空心玻璃球、活性炭(AC)上，这种催化剂离，处理后的上清液流负载方式可以解决催化剂的回收。出反应器。流化床光图2三相流化床反应器结构示意图王海燕等口以钛板为基材，应用溶胶凝胶法制备固定薄膜TiO：《资源节约与环保》2013年第11期 催化反应器使催化剂、流体、光三者充分接触，提高光催化降解速度；料，中心设有低压汞灯；光催化装置面向赤道和水平面呈31。放同时解决了催化剂回收问题。但由于颗粒之间相互碰撞，纳米TiO催置，采集的太阳紫外辐射被反射到光催化膜组件上；负载在高比化剂容易脱落，所以提高负载的稳定眭，是目前研究的重点。表面积玻璃纤维网上的TiO催化膜分内外两层设置。这种反应器为解决定式反应器光、固、液接触面积小，传质有限，降解效在阴雨天时太阳能反应率下降，需开启电光源加以弥补。果较差的缺陷尹晓红等设计了转筒式负载膜光催化水处理器。该反应器处于旋转式反应器，采用在转筒内壁上负载催化剂TiO膜，光源置于转筒一侧，直接照射转筒内表面。该反应器能够加快催化剂与液体的表面接触，提高降解效果。3光源的利用与优化光在光催化氧化技术中起到非常重要的作用。当半导体受到能量等于或大于半导体的禁带宽度(波长小于或等于387．5nm)的图3PTR截面反射示意图4CPCR截面反射示意光照射时，电子空穴对与水、电子与溶解氧反应，产生羟基自由基(·OH)和氧自由基(·0—2)等，将有机污染物降解为CO、HO。当前主要研究的方向为人工光源与太阳能。3．1人工光源人工光源多集中在采用小型紫外线电光源催化装置如汞灯、荧光灯等。赵峰等rq设计了一种非聚光式光催化氧化反应器，该装图5全天候太阳能固定膜光催化反应器截面示意图置采用聚氯乙烯板制成的光学纤维载TiO膜，选用主波长为4小结与展望254nm的紫外灯为光源，降解苯酚、4一氯酚等有机物。但这种紫外光源只限于实验室的研究，耗电量巨大，造价太高，在实际工程项光催化氧化处理技术只需要光、催化剂和空气，对微污染水源，目中不能大规模使用。和污水能够去除彻底、杀菌、抑制病毒’活．陛且无二次污染，处理成本3．2太阳能的利用相对较低，是—个非常有前途的水处理方法。但在工业应用方面面临太阳能是清洁而经济的能源，以太阳能为激发光源的TiO光催着分离难，催化效果不佳，光能利用率低等问题，尽管针对每一个问化氧化技术具有节能、高效、无二次污染的优点，极具实用价值。但题都提出了相应的解决办法，仍需要综合考虑，才能达到最好的效TiO：作为一种宽禁射直带●(●E●g●●=皇．3．2e虚反Ⅵ半导一～体～一化合物，只有波长较短的太阳果。主要表现在两方面：(a)研制高效的催化剂。在进一步完善催化剂光能f<387nm1紫外光才能激发其催化涪l生。但紫外光区域在太阳的改洼技术和激活催化陛能的同时选择合适的载体，改进负载技术，．⋯．．．．．．．．．一．．十，J￡能中只占到4％～6％．，．可．．．．见．．．．光．．．．却●占太阳能总能量的45％。因此，要充加强稳定性，提高回收利用。(b)优化反应器的设计。以太阳能可见光L●●●●●●●●●●●●，为光源，优化催化反应器的设计，提高分离效果和太阳能可见光的利分利用太阳能，需开发可见¨v，光作为激发光源。其中拓宽TiO：的光响应用。只有这样才能将此项技术真正应用到大规模工业中。范围和提高光吸收率是提高太阳能利用率的有效途径。参考文献3．2．1拓宽TiO的光响应范围[1】FujishimaA，HondaK．Electrochemicalphotolysisofwaterata拓宽TiO：的光响应范围主要通过对TiO：进行改性，目前研semiconductorelectrode[J]．Nature，1972，238(53—58)：37—38．究的技术有金属掺杂，非金属掺杂等。金属掺杂，辛柏福等制备[2]王海燕，蒋展鹏，杨宏伟．TiO固定薄膜光催化剂的制备与表征了一种光催化剂：表面沉积贵金属银的Ag—TiO纳米粒子，其催[J]．环境化学，2008，27(6)：726—730．化性能比TiO单独使用催化性能高，当掺入量等于5％时，其[3]侯娜，魏宏斌，邹平，等．“表观”即时成膜型光催化反应器去除水光催化活性最高；非金属掺杂，孙秀云等以Ti(S04)为钛源、碳酸中有机物研究[J]．中国给水排水，23(13)：16—19．氢铵为氮源，采用均匀沉淀法制得水合沉淀物，在N：气氛下，于『4]尤宏，罗薇楠，姚杰，等．三相内循环流化床光催化反应器及其性不同温度下焙烧水合沉淀物，制得N掺杂TiO：可见光响应催化能『J]|环境化学，2005，24(6)：696—698．剂。结果表明：N一掺杂TiO的可见光催化活性显著提高，焙烧温【5]尹晓红，孑，J、长江，辛峰，等．转筒式负载膜光催化水处理器的设计度为300~C时可见光催化活性最为优异；与模拟lJ】．化工学报，2008，59(1)：77—83．3．2．2提高光吸收率技术【6]赵峰，魏宏斌，徐迪民．非聚光式光催化氧化反应器降解水中有为提高太阳能光吸收率，太阳能光催化反应器必须满足结构简机物『J]．中国给水排水，2003，19(9)：52—53．单、反应效率高、能够长期稳定运行等要求。目前主要研究的反应器【7]辛柏福，王鹏，任志宇．TiO2纳米粒子的表面光电压与光催化活有抛物槽型反应器R)和复合抛物面反应~(CPCR1两种类型。性的关系【J1．哈尔滨工业学抛物槽型反应器(PrR)通过跟踪装置追踪太阳光，将直射光报，2008，40(7)：1121—1124．聚集到位于抛物槽焦线上的反应管(如图3所示)，反应管内层涂【8]孙秀云，段传玲，李欣，等．焙烧温度对N掺杂TiO2催化剂催化覆催化剂。FrrR能够充分地利用直接照射的太阳光，但这种反应性能的影响【J】．环境化学，2007，26(6)：787—791．【9]段小平，李田，刘华平．太阳能光催化反应器的研究进展与前景器只能利用直射光，而且造价昂贵，严重限制其投入工业应用。复合抛物面反应器(CPCR)采用的复合抛物面采光板可将集【JJ．给水排水，2004，30(11)：104—108．【1O]林少华，李杰瑞，李田等．太阳能固定膜光催化反应器饮用水处光角范围内的所有直射和散射光均匀地反射在反应管的圆周上理效果[J】．水处理技术，2008，34(10)：63—66．(如图4所示)。与R相比，CPCR的聚光比接近于1，同样的反应作者简介体积下，它所需的光照面积要小得多[91。林少华等『叼f究出太阳能王晓玲，女，山西朔州人，工学硕士，研究方向，建筑给排水与复合抛物面固定膜光催化反应器(如图5所示)。该装置外管为高工程造价。硅氧玻璃管，内管采用对短波紫外光透射率超过90％的石英材《资源节约与环保》2013年第11期'