多相光催化在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用

1、（四）以太陽能綠色化學(xué)技術(shù)的課后心得體會為構(gòu)思主體，以太陽能、光化學(xué)、光催化等為關(guān)鍵詞，自行查閱中英文文獻(xiàn)寫一篇2000字以上的綜述性論文。要求包括題目、中英文摘要、國內(nèi)外研究背景，自已對某一光化學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的歸納性總結(jié)和自已的看法觀點(diǎn)、展望等。（80分）多相光催化在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用摘要：隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)水處理工藝中的物理、生物方法不能滿足水處理的需要。光催化反應(yīng)的應(yīng)用研究已在有機(jī)物降解、水質(zhì)處理、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域廣泛展開，利用日光進(jìn)行光催化反應(yīng)是光催化反應(yīng)應(yīng)用研究的重要課題。光催化技術(shù)為徹底解決水污染問題提供了新的手段，它在環(huán)境污染治理中有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:光

2、催化，環(huán)境污染前言：全球性的環(huán)境污染及生態(tài)破壞,許多有毒有害的有機(jī)污染物被水體和土壤自凈的速度很慢而凈化不徹底，并且在水體中存在時間長、范圍廣,對人類潛在影響很大, 如許多有機(jī)物或其降解的中間產(chǎn)物具有致癌、致畸、致突變?nèi)滦?這些有機(jī)污染物采用傳統(tǒng)的生物處理工藝已難以去除.迫使人們對環(huán)境問題給以足夠的關(guān)注, 并研究和開發(fā)出一系列用于環(huán)境污染物治理的新技術(shù)和新方法,光催化技術(shù)作為其中一種新興的環(huán)境凈化技術(shù),其實用化的研究和開發(fā)已受到廣泛的重視。1光催化氧化法處理、凈化受污染水體的方法是一種高級氧化技術(shù)其研究和應(yīng)用是近30年來迅速發(fā)展的一個新領(lǐng)域, 對許多有毒有害的有機(jī)污染物的處理均顯示出其獨(dú)特的

3、優(yōu)勢, 如氧化降解水體中不飽和有機(jī)化合物、芳烴、鹵化烴、芳香類化合物、雜環(huán)化合物、染料、表面活性劑有機(jī)氮磷農(nóng)藥等. 光催化能將難降解有機(jī)污染物氧化、分解，直至H2O、CO2和無機(jī)鹽等,使有機(jī)物部分或完全礦物 質(zhì)化(礦化) ,從而達(dá)到污染物無害化處理的要求.目前,用于光催化降解環(huán)境中污染物的催化劑多為N型半導(dǎo)型材料,如二氧化鈦、氧化鋅、硫化鎘、三氧化鎢、氧化錫、三氧化二鐵等,其中二氧化鈦因其活性高、穩(wěn)定性好,對人體無害而成為最受重視的一種光催化劑。實驗表明, 二氧化鈦至少可以經(jīng)歷12次的反復(fù)使用而保持光分解效率基本不變, 連續(xù)580分鐘光照下保持其活性,因而將其投入實際應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景。本

4、文系統(tǒng)闡述納米二氧化鈦的制備、光催化凈化機(jī)理、及在大氣污染和水污染治理中的應(yīng)用機(jī)理：二氧化鈦屬于一種N型半導(dǎo)體材料, 二氧化鈦的禁帶寬度為3.2eV,當(dāng)它的波長小于或等于387.5nm,價帶中的電子就會被激發(fā)到導(dǎo)帶上,形成帶負(fù)電的高活性電子e-,同時在價帶上產(chǎn)生帶正電的空穴h+(h+的氧化電位以標(biāo)準(zhǔn)氫電位計為3.0V,比起氯氣的1.36V和臭氧的2.07V,其氧化性要強(qiáng)得多)。在電場的作用下，電子與空穴發(fā)生分離,遷移到粒子表面的不同位置。分布在表面的空穴h+可以將吸附在二氧化鈦的OH-和水分子氧化成羥基自由基(OH)。其作用機(jī)理可用以下反應(yīng)式說明:2羥基自由基(OH)的氧化能力是水體中存在的氧

5、化劑中最強(qiáng)的,能氧化大多數(shù)的有機(jī)污染物及部分無機(jī)污染物,將其最終降解為二氧化碳、水等無害物質(zhì),為使反應(yīng)體系中有足夠的羥基自由基(OH)就必須防止電子和空穴的復(fù)合,因此可以在體系中額外加入一些強(qiáng)氧化劑作為電子受體如過硫酸鉀高硫酸鉀、雙氧水、臭氧等能夠俘獲催化劑表面的電子,盡可能削弱如( 7) 所示的復(fù)合過程的進(jìn)行。而另一方面二氧化鈦表面高活性的電子e-則具有很強(qiáng)的還原能力,可以還原除去水體中的金屬離子,其過程可以表示為:Mn+ (金屬離子) + ne- M0 ( 8)這里同樣要考慮電子和空穴的復(fù)合問題,為此可以加入一些空穴俘獲劑如甲醇,從而使體系中有足夠的高活性的電子e- 。體系選用的光催化劑二

6、氧化鈦之所以為納米級主要考慮以下兩方面的影響:一方面從光催化機(jī)理上分析,物質(zhì)的降解速度必然與光生載流子電子和空穴的濃度有關(guān)。而納米級的二氧化鈦隨著粒徑的減小，表面原子迅速增加,光吸收效率提高,從而增加表面光生載流子的濃度,另一方面催化反應(yīng)的速率與物質(zhì)在催化劑上的吸附量有關(guān),隨著晶粒尺寸的減小,比表面增大,表面鍵態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同,表面原子的配位不全導(dǎo)致表面活性位置增多,因而與大粒徑的同種材料相比,活性更高,有利于反應(yīng)物的吸附,從而增大反應(yīng)幾率。優(yōu)勢和不足：由于光催化氧化法對于水中的烴、鹵代有機(jī)物（包括鹵代脂肪烴、鹵代羧酸、鹵代芳香烴）、羧酸、表面活性劑、除草劑、染料、含氮有機(jī)物、有機(jī)磷殺

7、蟲劑等有機(jī)物，以及氰離子、金屬離子等無機(jī)物均有很好的去除效果，一般經(jīng)持續(xù)反應(yīng)可達(dá)到完全無機(jī)化。所以半導(dǎo)體光催化氧化技術(shù)作為一種高級氧化技術(shù)，與生物法和其它高級化學(xué)氧化法相比，具有以下顯著優(yōu)勢:3(1)以太陽光為最終要求的輻射能源，把太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能加以利用。太陽光，是取之不盡、用之不竭的，因此大大降低了處理成本，是一種節(jié)能技術(shù)。(2)光激發(fā)空穴產(chǎn)生的OH是強(qiáng)氧化自由基，可在較短時間內(nèi)成功分解水中難降解有機(jī)物在內(nèi)的大多數(shù)有機(jī)物，它還能分解水中微量有機(jī)物，因此是一種普遍實用的高效處理技術(shù)。(3)半導(dǎo)體光催化技術(shù)具有穩(wěn)定性高、耐腐蝕、無毒的特點(diǎn)，并且在處理過程中不產(chǎn)生二次污染，從物質(zhì)循環(huán)的角度看，

8、有機(jī)污染物能被徹底無機(jī)化，因此是一種潔凈的處理技術(shù)。(4)對環(huán)境要求低，對pH值、溫度等沒有特殊要求。(5)處理負(fù)荷沒有限制，即：可以處理高濃度廢水，也可以處理輕微污染水源水。此外，光催化降解不僅能用于治理有機(jī)污染，而且能還原某些高價的重金屬離子，使之對環(huán)境氧化穩(wěn)度變小。如對含Cr6+水的試驗表明，以濃度為2g/L的WO3/W/Fe2O3的復(fù)合光敏半導(dǎo)體為催化劑，用太陽光光照3h，Cr6+濃度由80 mg/L降為0.1mg/L，降解率達(dá)99.9。而且，光催化凈化還可用于飲用水方面，飲用水水源污染，特別是微量有機(jī)物的污染，是自來水行業(yè)存在的嚴(yán)重問題。迄今為止，國內(nèi)外飲用水去除有機(jī)物的技術(shù)均不能令

9、人滿意，尤其有機(jī)氯化合物很穩(wěn)定，一般的處理方法很難去除，而應(yīng)用光催化降解法，均能在短時間內(nèi)降解此類難去除的化合物。目前以二氧化鈦半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的光催化技術(shù)還存在幾個關(guān)鍵的科學(xué)及技術(shù)難題，使其廣泛的工業(yè)應(yīng)用受到極大制約。這些問題包括： (1)量子效率低(4)。難姒處理量太且濃度高的工業(yè)廢氣和廢水； (2)太陽能利用率低。由于二氧化鈦半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)(Eg=32eV)決定了其只能吸收利用太陽光中的紫外線部分；(3)光催化劑的負(fù)載技術(shù)。難以在既保持較高的光催化劑活性又滿足特定材料的理化性能要求的前提下在不同材料表面均勻、牢固地負(fù)載上光催化劑。在水污染物治理中的應(yīng)用：有機(jī)廢水的降解處理。二氧化鈦光催化反

10、應(yīng)能有效地將染料廢水、農(nóng)藥廢水、表面活性劑、氯代物、氟里昂、含油廢水等廢水中的有機(jī)物降解為水、二氧化碳、磷酸根離子、硫酸根離子、硝酸根離子、鹵素離子等無機(jī)小分子, 達(dá)到完全無機(jī)化的目的。王怡中等5用二氧化鈦光催化降解苯酚、甲基橙,在平均照度為92600lx的晴天,當(dāng)甲基橙溶液的初始濃度為20mg/L,初始pH為3.88時,光照2h后色度去除率達(dá)90%以上,4h后TOC去除率接近70% ?？琢钊实?將二氧化鈦粉末附著在海砂和玻璃表面對可溶性染料4BS、KNB、MB的二氧化鈦光解結(jié)果表明,幾種染料均顯著光解,而附著態(tài)二氧化鈦重復(fù)使用15次(每次8h)后其催化能力僅降低17.9%。Hidaka等對表

11、面活性劑的降解作了系統(tǒng)的研究。研究結(jié)果表明,含芳環(huán)的表面活性劑比僅含烷基或烷氧基的更易斷鏈降解實現(xiàn)無機(jī)化,而直鏈部分降解速率較慢。Kanno等人研究說明TiO2對于CFC113的降解具有良好的光催化活性。用TiO2/WO3體系降解CFC113,在100h內(nèi)可保持催化效率高于99.6%。吳海寶等采用開放式懸浮型光催化反應(yīng)器,以太陽光為光源,利用二氧化鈦進(jìn)行染料的光催化氧化脫色研究結(jié)果表明,在一般晴天條件下,經(jīng)過2h太陽能輻射后,陽離子藍(lán)X-GRRL染料脫色率在80%-93%之間。已有的研究結(jié)果都說明,太陽能是非均相光催化氧化降解廢水中有機(jī)物的有效紫外光源,太陽能二氧化鈦光催化技術(shù)是經(jīng)濟(jì)實用、效率

12、高、發(fā)展前景廣闊的有機(jī)廢水處理技術(shù)。結(jié)語上述關(guān)鍵問題的根本解決有賴于深入的基礎(chǔ)研究尤其是應(yīng)用基礎(chǔ)研究。圍繞這些問題開展進(jìn)一步的研究不僅可望在光催化基礎(chǔ)理論方面獲得較大的寒破，而且使光催化技術(shù)真正能在環(huán)境治理和新材料等領(lǐng)域得到廣泛工業(yè)應(yīng)用，導(dǎo)致許多具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高新技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的形成。目前國際上許多國家(特別是日本)都投入了大量的人力和物力進(jìn)行該領(lǐng)域的研究與開發(fā)。我國也資助了數(shù)十項有關(guān)的項目其中部分項目取得了一定程度的進(jìn)展，但各個項目資金很少，課題分散，難以取得重大突破。特別需要國家基金委組織一個重點(diǎn)項目，綜合物理化學(xué)和環(huán)境化學(xué)學(xué)科中光催化研究的優(yōu)勢力量。學(xué)科交叉、優(yōu)勢互補(bǔ)，力爭在該領(lǐng)域的若干

13、方面有創(chuàng)新性突破。并培養(yǎng)一批跨世紀(jì)的優(yōu)秀科研人才，逐步擴(kuò)大我國該領(lǐng)域在國際上的影響。參考文獻(xiàn)1王光輝.納米二氧化鈦光催化技術(shù)及其在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用J.環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2001,98(6):16-182李寧,李光明,趙建夫.光催化氧化降解水中有機(jī)污染物的研究進(jìn)展J.韶關(guān)學(xué)院學(xué)報,2003,24(12):100-102 3王鳳英,王連壽,唐莉.光催化氧化處理難降解污水的應(yīng)用前景J.油氣田環(huán)境保護(hù),2004,14(9):19-23 4王光輝.納米二氧化鈦光催化劑技術(shù)及其在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用J.環(huán)境科學(xué)技術(shù),2001,98(6):19-20 5王怡中,湯鴻霄.環(huán)境科學(xué)學(xué)報J.1999,19(1):63 6孔令仁,陳曦.環(huán)境科學(xué)學(xué)報J.1996,16(4):406 7Miyake M,Yoneyama H,Tamura