二氧化鈦光催化制藥廢水

1、二氧化鈦光催化廢水處理半導體多相光催化二氧化鈦已經(jīng)被證明是一有前途的水凈化處 理技術(shù)。它主要用于中低濃度廢水處理，光催化材料是一種半導體材 料，它具有光催化活性，能在紫外光甚至可見光照射下降解各類化學 物質(zhì)或殺滅細菌，例如納米TiO2在光照射下產(chǎn)生強烈的氧化能力，可 以把許多難分解的有毒有機污染物氧化分解為二氧化碳、水等無機 物，并且反應條件溫和，能耗不高，在太陽光下即可發(fā)生光催化反應， 反應速度快，降解沒有選擇性，最可貴的是無二次污染。使得納米二 氧化鈦在廢水處理、大氣凈化、城市垃圾處理以及除臭殺菌等環(huán)保領(lǐng) 域得到了廣泛研究和應用。最優(yōu)操作條件和降解途徑隨不同的主要藥 物產(chǎn)生的效果也不一樣。

2、本文主要討論的是二氧化鈦在各個領(lǐng)域的不 同應用，給人類帶來的各種好處，同時探討納米二氧化鈦的光催化研 究進展及制備納米二氧化鈦的不同方法。關(guān)鍵詞：光催化降解；二氧化鈦；廢水處理Titanium dioxide photocatalytic wastewater treatment Semiconductor heterogeneous photocatalytic titanium dioxide has proven to be a promising water purification treatment technology.It is mainly used for low conc

3、entration wastewater treatment, photocatalytic material is a kind of semiconductor material, it has the photocatalytic activity, can in the ultraviolet and visible light irradiation in all kinds of chemical substances and kill bacteria, such as nanometer TiO2 under light irradiation produces strong

4、oxidation ability, can take many difficult decomposition of toxic organic pollutants are decomposed into carbon dioxide, water and other inorganic oxide, and mild reaction conditions, low energy consumption, can occur in the sun light catalytic reaction, reaction speed, no selective degradation, the

5、 most precious of all is that no secondary pollution.Makes the nano titanium dioxide in wastewater treatment, air purification, city garbage disposal and deodorization sterilization has been widely used in research and environmental protection field.The optimal operation conditions and thedegradatio

6、n pathway with different mainly the effect of the drug is different also.Titanium dioxide are discussed in this paper, the application in various fields all kinds of benefits to mankind, at the same time discusses the research progress of nanometer titanium dioxide photocatalysis and preparation of

7、nanometer titanium dioxide different methods.Key words: photocatalytic degradation; Titanium dioxide; Wastewater treatment介紹世界性水資源短缺形勢已迫使世界各國政府高度重視水資源的 可持續(xù)和重復利用。隨著我國人口的增加，工業(yè)的發(fā)展和城市化進程 的加快，工業(yè)廢水的排放量在日益增加，水體資源遭遇廢水的嚴重污 染。環(huán)境工程系的一項研究成果顯示， 現(xiàn)在對于飲用水的處理難點主 要是一些新興的污染物，主要來源于抗生素類藥品、個人護理品和內(nèi)分泌干擾物三大類。中國污水治理經(jīng)過了一段漫長的摸

8、索， 探索到 通過投加水處理劑來達到水質(zhì)控制的目的。 通過對二氧化鈦在水處理 中的研究發(fā)展，使我們看到了希望。將對解決全球性的水荒和水體污 染發(fā)揮重要作用。許多研究表明藥品患病率在水環(huán)境中自 2000年以來顯著增加， 這引起了人們的廣泛關(guān)注。缺乏認識的潛在藥物對化合物及其代謝物 對人體和水生生物的影響，我們還不是很清楚。傳統(tǒng)的失敗污水處理 廠清楚的顯示了迫切需要創(chuàng)新的技術(shù)，進而可以有效地處理這些化合 物及其代謝物。高級氧化過程被認為是適當?shù)慕到馕廴疚铮?具有較高 的化學穩(wěn)定性和持久性。污水處理包括光解、光催化臭氧化，超聲波 輻射、超聲波分解、電化學氧化、濕空氣氧化。一般來說，所有高級氧化法的特

9、點是存在的活性氧，可以在水或 污水中與頑固的化合物產(chǎn)生降解反應。 活性氧和自由基物種是強氧化 劑，也可以采集礦物污染物簡單、無毒的分子。這些自由基物種是基 于原子或分子組成的一個或多個未配對電子如羥基自由基（？），超氧化物陰離子自由基（O?-）,氫過氧自由基或烷氧基，但是激進的鐵吸引 了最多的關(guān)注。欽激進分子積極的特點是他們的天性 ，高氧化電位與 其他氧化劑相比沒有任何添加劑、 污染物，與二氧化鈦光催化降解污 染物的速率也較快，特別是獨特的相對于其他高級氧化持久污染物從 污水的去除。該機理不涉及傳統(tǒng)光催化中半導體的帶 -帶吸收以及空 穴的生成和反應，而是利用染料污染物分子吸收可見光誘發(fā)的活性自

10、 由基和分子氧的共同作用導致污染物降解。 該原理不僅能用于有色染 料污染物本身的可見光光催化降解，還在無色小分子污染物的氧化降 解、鹵代污染物的還原脫鹵以及可見光光催化合成化學品等方面有著 廣泛的應用前景。國際純粹與應用化學協(xié)會給光催化的定義是 “改變化學反應的速 度或其開始暴露于紫外線、可見光或紅外線輻射的物質(zhì)，吸收光量子 的光催化劑參與反應的化學轉(zhuǎn)換合作伙伴” 。1972年,藤島昭和本田 發(fā)現(xiàn)水分裂的可能性，通過光電化學電池組成的金紅石二氧化鈦光電 陽極和Pt反電極。這一發(fā)現(xiàn)促使空氣凈化等新的應用程序，自動清潔 表面，有機合成，消毒，抗癌治療。這一發(fā)現(xiàn)，一個有趣的應用是在水的凈化，降解各種

11、有機目標化 合物如染料、農(nóng)藥和藥品。萊特化學誘導光催化降解有機污染物的機 械過程被描述。當二氧化鈦催化劑的光輻照的足夠能量，界面氧化還 原反應和光生電子流洞已被確認為重要的光催化降解反應。一般來說，波長在300和400海里（近紫外范圍）二氧化鈦光催化 的反應最激烈，通過人工紫外線燈或太陽光譜的一小部分。自然光誘 導光催化過程已經(jīng)普遍采用二氧化鈦作為光催化劑。 環(huán)境中的醫(yī)藥制 藥視為緊急事件。由于他們復雜的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)，各種藥品和 其他污染物的混合物產(chǎn)生了不同的水質(zhì)，先進的二氧化鈦光催化可以 應用于退化治療。藥物的降解、礦化和轉(zhuǎn)型路徑二氧化鈦光催化在大多數(shù)的二氧化 鈦光催化的研究中，重點是

12、確定的最優(yōu)操作條件產(chǎn)生最佳性能的退化 和礦化。經(jīng)常研究操作參數(shù)包括光催化劑加載、藥品的初始濃度，在接受調(diào)查，各種類型的光催化劑，解決方案的pH值，波長，光強度。其 他操作參數(shù)，提高了降解速率，包括添加無色無味的氧化劑和電子受 體的濃度。生產(chǎn)活性藥物成分的研究報道，由于各種降解產(chǎn)物的形成，動態(tài) 評估(api)在紫外線/二氧化鈦降解通常變得復雜。雙氯芬酸二氧化鈦 光催化氧化已被用于去除雙氯芬酸(DCF)的各種研究，旨在提高礦化 的程度和降解動力學通過改變不同的操作參數(shù)。最全面的研究紫外線/二氧化鈦是Calza教授和他的團隊。識別的研究包括中間體形成、 礦化和參數(shù)控制降解率。雖然二氧化鈦的光催化效率

13、的增加，但是由于沒有積極影響光散射，高載荷(0.8 - -0.9 g / L)對退化也沒有積極影響。二氧化鈦的最佳組合加載/初始濃度分別是(0.6 g / L) /( 8.17 mg / L), 降解率最高的新興污染物污水、表面和飲用水在加 利西亞(NW/西班牙)。臭氧層的化學氧化布洛芬在鐵物種的存在中性 pH值附近。光催化反應的量子效率低(理論上不會超過20%謔其難以實用化 的最為關(guān)鍵因素之一。光催化反應的量子效率取決于載流子的復合幾 率，載流子復合過程則主要取決于兩個因素：載流子在催化劑表面的俘獲過程和表面電荷遷移過程。增加載流子的俘獲或提高表面電荷遷 移速率能夠抑制電荷載流子復合，增加光

14、催化反應的量子效率。電子和空穴復合的速率很快，在TiO2表面具速率在10-9s以內(nèi)，而載流子被 俘獲的速率相對較慢，通常在10-710-8s(Hoffmann , 1995)。所以為了 有效俘獲電子或空穴，俘獲劑在催化劑表面的預吸附是十分重要的。催化劑的表面形態(tài)、晶粒大小、晶相結(jié)構(gòu)及表面晶格缺陷均會影響載 流子復合及電荷遷移過程。如果反應液中存在一些電子受體能夠及時 與電子作用，通常能夠抑制電子空穴的復合，電子對復合的幾率。盡管通常認為電子被俘獲的過程相對于載流 子復合過程要慢得多，但Joseph(1998)等人發(fā)現(xiàn)當光強很弱時，在ns 時間范圍內(nèi)電子吸收譜主要取決于電子在催化劑表面的俘獲，而

15、 fs 至ps范圍以及msA上時電子吸收譜則取決于載流子的復合，即在 ns 時間尺度電子被俘獲的過程相對于電子.空穴復合的過程更具有優(yōu) 勢，如果沒有空穴俘獲劑的存在，數(shù) mst仍能測到電子的存在。光催化氧化反應體系的主要氧化劑究竟是 HO還是空穴，一直存 在爭論，許多學者認為HO起主要作用(Turchi , 1990; Sun, 1996; Schwarz, 1997)。ESRF究結(jié)果證實了光催化反應中 HO及一些活性 氧自由基的存在(Noda,1993),Mao(1991)等則證實了氯乙烷的降解速 率限制步驟是HO-對C-H鍵的攻擊過程。但空穴對有機物的直接氧化 作用在適當?shù)那樾蜗乱卜浅Ｖ匾?/p>

16、，特別是一些氣相反應，空穴的直接 氧化可能是其反應的主要途徑。不同的情形下空穴與羥基自由基能夠 同時作用，有時溶液的pH直也決定了羥基自由基還是空穴起主要作用 (Sun, 1995)。管TiO2是目前已知所有半導體材料中光催化反應活性 最高的，但是迄今為止，文獻報道TiO2光催化反應的量子效率都還是 很低，也就是說絕大部分光子在反應中不能夠被利用，所以提高TiO2的催化活性是多相光催化技術(shù)推廣應用的重要任務。止匕外，由于TiO2的帶隙高(銳鈦礦3.20eV和金紅石3.03eV),所以只有光線的輻射能大于其帶隙才能夠在光催化反應中被利用， 而太陽光中只有很小的一部 分滿足這樣的能量要求，基于這些

17、原因，摻雜或改性 TiO2光催化劑以 達到對可見光的利用和提高其活性是很有必要的，國內(nèi)外科技工作者對此進行了大量的研究。改性Ti02光催化劑的方法主要有：金屬摻雜 改性、金屬表面修飾、半導體復合、染料表面修飾等。近年來的一些 研究表明以非金屬摻雜改性同樣具有高的效率并且顯示出可見光活 性，這些方法包括氮摻雜、碳摻雜改性以及 F、S元素等摻雜改性。結(jié) 語納米TiO2光催化技術(shù)作為一種新型的水污染治理技術(shù)對于高濃度難降解 工業(yè)廢水的研究在理論和實踐上取得了較大的進展。研究者通過無機和有機改 性、光催化劑的負載技術(shù)、新型高效催化反應器的設(shè)計等幾個方面提高了催化劑 的效率和實用性。然而絕大多數(shù)研究尚處

18、于實驗室和理論探索階段，目前中試放大的研究報道極少，納米TiO2光催化性能真正地大規(guī)模工業(yè)化的應用尚有許 多問題需要解決。為了使光催化氧化技術(shù)這一經(jīng)濟環(huán)保的污水處理技術(shù)能投入實際應用 后主要應從以下幾個方面加強研究：(1)提高TiO2的光催化效率和可見光響應范圍，優(yōu)化制備工藝條件，制備 出高活性的TiO2光催化劑；(2)在基礎(chǔ)研究方面，光催化技術(shù)需要解決的問題是：揭示光催化氧化的機 理，影響光催化劑性能的因素，半導體表面的能級結(jié)構(gòu)與表面態(tài)密度的關(guān)系，TiO2催化劑的改性機理，光生載流子的移動和再復合的規(guī)律，催化降解有 機物的活性與有機物分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系等；(3)研發(fā)高效多能型光催化反應器，在機理

19、和實際廢水催化氧化動力學研究 的基礎(chǔ)上對光催化反應器進行最優(yōu)化設(shè)計；(4)加強高活性負載型光催化劑的研究，提高催化劑的回收率?？傊獯呋?技術(shù)的研究和光催化產(chǎn)品的開發(fā)都應該圍繞經(jīng)濟、 適用的原則向?qū)嶋H生產(chǎn)和生活 靠攏。參考文獻1賈金平,中哲民，等.含染料廢水處理方法的現(xiàn)狀與進展.上海環(huán)境科學,2000 ,19(1) :262范少華，崔玉民.光催化技術(shù)在污水處理方面的應用.化工進展,2002 ,21(5) :3453張彭義，余剛，等.半導體光催化劑及其改性技術(shù)進展.環(huán)境科學進展，1997 ,5(3) :14張穎，王桂茹，等.光催化氧化法處理活性染料水溶液.精細化 工，2000 ,17(2) :7

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