实验室采用光催化氧化法处理有机废水的应用

  随着水环境污染的加剧和水质标准的提高，水污染问题的复杂性日益突显，对污水进行深度处理然后再生回用是缓解当前水资源短缺最有效的手段之一。光催化氧化技术作为一种高效率节约能源的现代处理技术在降解有机废水方面具有极大的应用潜力。光催化技术具有反应条件温和、能耗低、操作简单便捷、能矿化绝大多数有机物、可减少二次污染及可以用太阳光作为反应光源等突出优点，在难降解有机物、水体微污染等处理中具有其他传统水处理工艺所不能够比拟的优势，是一种极具发展前途的水处理技术，对太阳能的利用和环境保护有着重大意义。

  摘要：随着我们国家工业化、城镇化速度的加快，水污染问题日趋严重，水质标准也慢慢地提高，对工业污水进行深度处理并再生会用是缓解当前水资源短缺最有效的手段之一。而光催化氧化技术在污水深度处理领域成为一种极具应用前景的新技术，被誉为21世纪最有前景的环境净化高级氧化技术。为了将先进的水处理技术转化为教学、科研设备，以便更好地为生产发展提供理论依照和技术支撑，本实验自行设计了太阳能光催化氧化装置对苯酚废水做处理。本设计采用内置紫外灯光源的环状光反应器，内壁附着含有TiO2催化剂的薄膜，以水泵抽动有机废水流经管壁受到连续紫外灯光照射。该技术是一项集污水深度处理、环境保护、节约水资源的绿色环保技术，符合可持续发展理念。

  由于涉及到材料成本、化学稳定性、抗光侵蚀的能力及光匹配性能等多种因素，常见的光催化剂主要有：TiO2、CdS、ZnO、SnO2等。1976年最先选用TiO2作为催化剂应用于水处理。现在，TiO2已被公认是最好的光催化剂。相比较其他催化剂，有如下优点：货源充足、价格实惠公道；对生物无毒；在很宽的pH变化范围内，化学性能、光电化学性能均十分稳定；TiO2的所有同素异形体都有较高的光催化活性，容易在固体表面挂膜，耐光腐蚀，能被太阳光所激发并且具有较高的价带能级，可使许多化学反应在被光辐射的TiO2表面得以实现和加速，所以对TiO2光催化的研究最为活跃。

  光催化降解水中污染物的研究近几十年来取得许多进展，众多国内外研究者尝试将该技术应用于各种物质的处理，包括烃类、醇、酚、酸、卤代脂肪族化合物、卤代芳香族化合物、含氮化合物、染料、农药、表面活性剂、油类、无机物等多种物质，并取得了较好的效果。同时，光催化氧化技术在污水深度处理领域成为一种极具应用前景的新技术而非常关注，尤其众多研究中将光催化氧化技术与生物处理方法、膜技术联用，使得光催化氧化技术在污水的深度处理与回用方面展现了广阔的应用前景，被誉为21世纪最有前景的环境净化高级氧化技术。

  光催化技术一般会用电光源作为激发源，虽其具有可控性、稳定性等优点，但在实际应用中，其运行的成本较高，且常规使用的寿命短。而太阳光是一种低成本的清洁能源，阳光中有4%～6%的光能激发催化剂（如：TiO2

  太阳能光催化氧化技术的关键又在于如何有效地利用太阳光，这就要求合理地设计反应器，光催化反应器是光催化处理废水的反应场所，发生于光催化反应器的现象能分解为反应传质、传热、动量传递。目前已开发出多种新型反应器，最重要的包含聚光型反应器和非聚光型反应器，如转盘反应器（RDPR）、分配式反应器、抛物槽型聚光反应器（PTCR）、复合抛物型反应器（CPCR）、双层薄板反应器（DssR）、薄膜固定床反应器（TFBFR）、滴流平板式反应器、加压平板式反应器和管式平板式反应器等。表l详细的介绍了各种光催化反应器分类及特点。

  光催化剂的活性和负载化是光催化技术工业应用的决定因素。研究者采用氢氧焰气相水解法、硫酸氧钛水解法、溶胶凝聚法、化学气相沉积法、等离子体气相沉积法、超声雾化热解法等多种方法制备TiO2光催化剂，通过对催化剂进行修饰以提高催化剂的活性和选择性。具有较高光催化活性的二氧化钛为纳米级的颗粒。TiO2有三种晶型：板钛型、锐钛型、金红石型，而锐钛型的TiO2是最适宜的环境用光催化半导体。

  光催化降解技术中，通常是以TiO2等电子导电型半导体氧化物为催化剂。故本实验将TiO2粉末按照每150毫升水0.8克的比例混合制成悬浮液，经过30分钟超声振荡后，与150克洗净的黄砂混合，放在烘箱里于100℃左右烘干，再在300℃下焙烧1小时待用。纳米TiO2的带隙较宽决定了只能被紫外光所激发。而紫外光在太阳能中所占的比例不到5%，这极大的限制了TiO2的实用价值。故采用掺杂浓度为0.1%～0.5%之间Fe3离子溶液，以降低TiO2半导体带隙，进而达到使太阳更高效利用的目的。Choi等人研究了21种溶解金属离子对量子化TiO2，粒子的掺杂效果，根据结果得出，掺入Fe3及V4能有效地捕获光生电子，抑制电子空穴的复合，提高光催化活性。

  该体系采用内置紫外灯光源作为辅助光源环状光反应器，反应器内环以石英材料制造成，其余部分为有机玻璃，内壁附着含有TiO2催化剂的薄膜，以水泵抽动有机废水流经管壁受到连续紫外灯光照射。

  该光催化氧化反应器的核心装置采用内置光源环状光反应器组成，附属设备有水泵、水质检测装置、水箱、紫外灯及输水管材若干。紫外光催化氧化装置外部采用304不锈钢材料质地制作，耐腐蚀和抗老化性能好，强度高，内置四支紫外光灯管，灯管寿命1500小时，耐高温，耐腐蚀，内部设置温度传感器等设备监控系统各部分参数，从而保障系统正常运转。

  本实验自行设计了太阳能光催化氧化装置对苯酚废水做处理，通过实验数据监测该装置的处理效果，有助于激发学生的创新热情、充分的发挥学生的潜能，使教学实验更优化，同时开展的相关科学研究，有利于该项技术更好地向大规模实际应用和工业化发展推广。

  光催化氧化技术的基础原理是利用光敏半导体（TiO2、ZnO、Cu2O等以及其他复合半导体）在光的照射下激发产生“电子空穴对”；和半导体表面的溶解氧、水分子等发生反应，产生氧化性极强的“HO·，然后通过“HO·”与污染物间的加合、取代、电子转移等作用，使污染物达到完全或部分矿化，最终达到降解污染物的目的。