水污染控制--光催化氧化技術(shù).ppt

水污染控制,光催化氧化技術(shù),目錄,2,光催化氧化技術(shù)的基本原理及特點(diǎn),1.,光催化氧化技術(shù)的影響因素,2.,光催化氧化技術(shù)存在問題,.3,參考文獻(xiàn),.4,光催化氧化技術(shù)的概念,3,光催化氧化是在反應(yīng)溶液中加入一定量的半導(dǎo)體催化劑，使其在紫外光的照射下產(chǎn)生，通過的強(qiáng)氧化作用降解有機(jī)污染物。,4,光催化氧化技術(shù)的基本原理半導(dǎo)體的能帶理論,當(dāng)用能量等于或大于禁帶寬度的光照射時(shí)，半導(dǎo)體價(jià)帶上的電子e-被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶產(chǎn)生相應(yīng)的空穴h+，這樣在半導(dǎo)體內(nèi)部生成e-h+對(duì)。它們能夠在電場(chǎng)作用下或通過擴(kuò)散的方式運(yùn)動(dòng)，與吸附在半導(dǎo)體催化劑粒子表面上的物質(zhì)發(fā)生氧化或還原反應(yīng)。,5,圖1光催化氧化原理圖,價(jià)帶,禁帶,導(dǎo)帶,還原性物質(zhì)被空穴h+氧化,氧化性物質(zhì)被電子e-還原,6,常用的催化劑,光催化氧化常用的催化劑有：TiO2、ZnO、CdS、WO3等。TiO2原料易得，耐腐蝕性能好，對(duì)光的穩(wěn)定性強(qiáng)，且具有較強(qiáng)的光催化氧化能力，是使用最多的光催化劑。,圖2TiO2光電效應(yīng)圖,7,TiO2光催化機(jī)理,8,光催化氧化技術(shù)的特點(diǎn),適用范圍廣，處理效果好反應(yīng)成本低且反應(yīng)條件溫和反應(yīng)易于控制且反應(yīng)過程不產(chǎn)生二次污染反應(yīng)速度快,9,光催化氧化的影響因素催化劑用量,有機(jī)污染物的降解率開始隨TiO2用量的增加而提高，當(dāng)量增加到一定量時(shí)降解速率不再提高，反而有所下降。開始速率提高是因?yàn)榇呋瘎┑脑黾?，產(chǎn)生的增加，當(dāng)催化劑增加到一定的程度時(shí)，會(huì)對(duì)光吸收有影響。,10,Fig.3EffectofcatalystloadingonphotocatalyticdegradationrateofBrij35Experimentalcondition:Brij350=0.25mM,I=19.9mWcm-2,VL=250mL,T=298K,pH7.0,最佳催化劑量0.1g/L,11,Fig.4EffectofcatalystloadingonPCDofphthalicacid(phthalicacidconcentration=100mg/L,reactiontime=6h),12,光催化氧化的影響因素污染物種類,吸附到TiO2表面的速度較快,但降解速度較慢,苯環(huán)結(jié)構(gòu)易受攻擊,有機(jī)污染物,以長碳鏈為主的烷烴類,含苯環(huán)的芳香族類化合物,13,Fig.5Degradationofvariousaromaticcarboxylicacidswithtime(acidconcentration=100mg/L,catalystamount=2.5g/L),鄰氯苯甲酸,苯甲酸,鄰苯二甲酸,鄰硝基苯甲酸,14,光催化氧化的影響因素溫度,受溫度影響的反應(yīng)步驟主要是吸附、解吸、表面遷移和重排,而這些均不是決定光反應(yīng)速率的關(guān)鍵步驟,因而反應(yīng)溫度對(duì)光催化降解污染物的影響很小。,15,麥草畏化學(xué)結(jié)構(gòu),Fig.6Effectoftemperatureonthesolarphotocatalyticdegradationofdicambainaqueoussolution.Insertfigure:plotofLn(k)versus1/T.Dicamba=10g/mL,TiO2=30mg(1mg/mL),irradiationtime=10min,lightintensity=1.6mW/cm2,pH5.0.,16,光催化氧化的影響因素溫度,Fig.7Proposedphotocatalyticdegradationpathwayofdicamba.,17,光催化氧化的影響因素pH,反應(yīng)體系的pH值對(duì)TiO2表面態(tài)、界面電位和表面電荷及聚集性均有較明顯的影響。pH較低時(shí),TiO2表面質(zhì)子化,使其表面帶有正電荷,因而對(duì)光生電子向TiO2表面轉(zhuǎn)移有利；pH較高時(shí),OH-將使TiO2表面帶有負(fù)電荷,有利于空穴從顆粒內(nèi)部轉(zhuǎn)移到顆粒的表面；因此,光催化氧化一般在pH值較高或較低時(shí)反應(yīng)速度最大。,18,Fig.8EffectofinitialpHonthesolarphotocatalyticdegradationofdicambainaqueoussolution.Dicamba=10g/mL,TiO2=30mg(1mg/mL),irradiationtime=10min,lightintensity=1.6mW/cm2,20,最佳pH5.0,19,Fig.9PhotocatalyticdegradationofBrig35atdifferentpH,20,光催化氧化的影響因素污染物初始濃度,反應(yīng)物濃度很低時(shí)，降解速率與濃度成正比；反應(yīng)物濃度增加到某一程度時(shí)，隨著反應(yīng)物濃度加，反應(yīng)速率雖有所增加，但這種增加與反應(yīng)物已不存在正比例關(guān)系；反應(yīng)物濃度達(dá)到某一高度時(shí)，反應(yīng)速率將不再隨濃度的變化而變化。,21,Fig.10Effectofinitialconcentrationofphthalicacidonthedegradationamount(catalystamount=2.5g/l,reactiontime=3h).,22,光催化氧化的影響因素光源和光強(qiáng),半導(dǎo)體光催化降解所需要的光源為紫外或近紫外波段，光催化光源大多為汞燈、紫外燈、黑光燈等。實(shí)踐中常用180-380nm的波段，通常隨著光強(qiáng)的增加，產(chǎn)生的光子數(shù)目增多，光催化劑受光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)增多，溶液中的越多，有利于污染物的降解。,23,光催化氧化的影響因素催化劑的結(jié)構(gòu),催化劑的晶粒尺寸、存在狀態(tài)以及表面改性等均對(duì)其光催化性能有較大影響。,固定相膜體系光催化氧化：用化學(xué)或物理方法將半導(dǎo)體材料固定于載體如石英玻璃板、玻璃纖維布、陶瓷等的表面，制成薄膜光催化劑。通過金屬離子或稀土金屬的摻雜以提高光催化活性，晶格中摻雜的Fe3+、Mo5+、V5+、Re2+等可顯著提高光催化效率。,24,Fig.11PhotocatalyticdecompositionofRhBundervisiblelightirradiationwith(a)nophotoctatlyst,(b)nonporousTiO2film,(c)porousTiO2film,(d)-(f)porousF-TiO2film:10mM,40mM,50mM,AFMimagesof(a)porousTiO2filmand(b)porousF-TiO2(40mM)film,25,光催化氧化技術(shù)存在的問題,光催化量子效率低，難以處理量大且污染物濃度高的廢水；光譜響應(yīng)范圍窄，太陽能利用率低；光催化氧化效率受到廢水色度、濁度和其他多種因素制約多相光催化氧化反應(yīng)機(jī)理尚不清楚；光催化劑易失活，難回收等。,26,參考文獻(xiàn),1V.G.Gandhi,M.K.Mishra,M.S.Rao,etal.Comparativestudyonnano-crystallinetitaniumdioxidecatalyzedphotocatalyticdegradationofaromaticcarboxylicacidsinaqueousmediumJ.JournalofIndustrialandEngineeringChemistry.2011,02:331-3392YongYongEng,VirenderK.Sharma,AjayK.Ray.Photocatalyticdegradationofnonionicsurfactant,Brij35inaqueousTiO2suspensionsJ.Chemosphere.2010,01:205-2093KiyoykiEGUSA,SatoshiKANECO,YukaKAWAMOTO,etal.SolarPhotocatalyticDegradationofDicambainAqueousSolutionandItsMechanismJ.BUNSEKIKAGAKU.2011,60(4):345-3514RongxinMu,ZhaoyiXu,LiyuanLi,etal.Onthephotocatalyticpr