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光催化氧化工艺作为高级氧化技术的一种,是指有机污染物在光照下,通过催化剂实现分解。利用光催化降解手段消除有机污染物是近年发展起来的一项新技术,在常温常压下即可进行,不会产生二次污染,应用范围相当广泛,因其具有其他处理方法难以比拟的优越性,该技术也已成为国际上环境治理的前沿性研究课题,备受世界各国重视,并尝试用于饮用水和染料废水的深度处理研究。
05-2021
近年来,一种基于化学氧化法的新技术——高级氧化技术正成为水处理技术研究的热点课题。所谓高级氧化技术即是利用各种光、声、电、磁等物理、化学过程产生大量自由基,进而利用自由基强的氧化特性对废水中有机物进行降解的技术过程。光催化氧化技术就是高级氧化技术的一种,其他还有化学氧化技术、湿式氧化技术、电化学氧化技术等。
非均相光化学催化氧化主要是指用半导体,如TiO2、ZnO等通过光催化作用氧化降解有机物,这是近来研究的一个热点。将半导体材料用于催化光降解水中有机物的研究始于近十几年。目前,研究最多的是硫族化物半导体材料,如TiO2、ZnO、CdS、WO3、SnO2等。
钛(Ti)是TiO2的金属单质,在地球金属中储量占第四位,次于铝、铁、镁。钛是典型的过渡元素,根据价键理论,其核外电子轨道d轨道未充满,因此可随反应条件而与反应物直接作用或对反应产生间接影响。
化学气相沉积法是传统的制膜技术,是利用气态物质在固体表面上进行化学反应,生成固态沉积物的过程,前驱物需用载气输送到反应室进行反应。化学气相沉积法在负载TiO2时,系用钛醇盐或钛的无机盐作为原料,在加热的条件下使其气化,在惰性气体的携带下在载体表面进行化学反应形成一层TiO2薄膜。
液相法制备纳米TiO2的合成温度低、工艺简单以及设备投资小、是制备纳米TiO2粉体的较理想方法。液相法中,主要有水热合成法、溶胶-凝胶法、微乳液法、均匀沉淀法以及电泳沉积法等。
光催化反应器作为光催化反应的主体设备,它决定了催化剂活性的发挥和对光源的利用等问题,而这两个因素直接决定了光催化反应的效率。一个成功的反应器必然体现了催化剂活性和光源利用率的最优化组合。所以,如何提高对光源的利用率以及使催化剂活性得到最大限度发挥已成为反应器研制和开发的中心课题,也是光催化研究的重点之一。
PTC技术能够充分地利用直接照射的太阳光,能使日光光强数十倍地增加,从而使能量高的紫外辐射显著提高,此外反应器体积较小,水流为紊流状态,传质效率高,且闭路的系统不存在污染物挥发的问题,是一种相对成熟的技术。但此种反应器也存在一些难以克服的缺点。
光催化剂自身的性质对催化性能的影响是一个不容忽视的指标,粒径与比表面、表面羟基和混晶效应是影响催化剂活性的自身因素。催化剂的粒子越小以及比表面积越大,会有助于反应物的吸附,反应速率和效率就越大;同时粒径越小,电子和空穴的简单复合概率越小,光催化活性就越好。表面羟基能与空穴反应生成过氧化物,是表示复合中心的指标之一。最后,由于晶体结构不同,锐钛矿和金红石晶体混合后产生混晶效应,能有效地促进锐钛矿晶体中光生电子和空穴的分离。
研究表明,TiO2催化活性与催化剂粒度、晶形结构等有关,当具有混晶结构和小粒度时,催化效果较好,其中制备方法对TiO2晶形结构、粒度等性质影响较大,且影响催化剂的后续处理。通过对制备方法操作条件的改变,来得到性能更好的催化剂。
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