染料的光催化脫色技術(shù)廢水論文(編輯修改稿)
2024-07-17 00:24 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 方向之一。具體來(lái)說(shuō)光催化技術(shù)有以下幾點(diǎn)意義：1）低溫深度反應(yīng)：光催化氧化可在室溫下將水、空氣和土壤中有機(jī)污染物完全氧化成無(wú)毒無(wú)害的物質(zhì)。而傳統(tǒng)的高溫焚燒技術(shù)則需要在極高的溫度下才可將污染物摧毀，即使用常規(guī)的催化氧化方法亦需要幾百度的高溫。2）凈化徹底：它直接將空氣中的有機(jī)污染物，完全氧化成無(wú)毒無(wú)害的物質(zhì)，不留任何二次污染，目前廣泛采用的活性炭吸附法不分解污染物，只是將污染源轉(zhuǎn)移。3）綠色能源：光催化可利用太陽(yáng)光作為能源來(lái)活化光催化劑，驅(qū)動(dòng)氧化—還原反應(yīng)，而且光催化劑在反應(yīng)過(guò)程中并不消耗。從能源角度而言，這一特征使光催化技術(shù)更具魅力。4）氧化性強(qiáng)：大量研究表明，半導(dǎo)體光催化具有氧化性強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)臭氧難以氧化的某些有機(jī)物如三氯甲烷、四氯化炭、六氯苯、都能有效地加以分解，所以對(duì)難以降解的有機(jī)物具有特別意義，光催化的有效氧化劑是羥基自由基（HO），HO的氧化性高于常見(jiàn)的臭氧、雙氧水、高錳酸鉀、次氯酸等。5）廣譜性：光催化對(duì)從烴到羧酸的種類眾多有機(jī)物都有效，美國(guó)環(huán)保署公布的九大類114種污染物均被證實(shí)可通過(guò)光催化得到治理，即使對(duì)原子有機(jī)物如鹵代烴、染料、含氮有機(jī)物、有機(jī)磷殺蟲(chóng)劑也有很好的去除效果，一般經(jīng)過(guò)持續(xù)反應(yīng)可達(dá)到完全凈化。6）壽命長(zhǎng)：理論上，催化劑的壽命是無(wú)限長(zhǎng)的。光催化概述起來(lái)說(shuō)就是光觸媒在外界可見(jiàn)光的作用下發(fā)生催化作用；光催化一般是多種相態(tài)之間的催化反應(yīng)；光觸媒在光照條件（可以是不同波長(zhǎng)的光照）下所起到催化作用的化學(xué)反應(yīng)，統(tǒng)稱為光反應(yīng)[20]。光催化氧化反應(yīng)以半導(dǎo)體為催化劑，以光為能量，將有機(jī)物降解為CO2和水。在光照下，如果光子的能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度，其價(jià)帶上的電子（e）就會(huì)被激發(fā)到導(dǎo)帶上，同時(shí)在價(jià)帶上產(chǎn)生空穴（h+）。激發(fā)態(tài)的導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴又能重新合并，并產(chǎn)生熱能或其他形式散發(fā)掉。當(dāng)催化劑存在合適的俘獲劑、表面缺陷或者其他因素時(shí)，電子和空穴的復(fù)合得到抑制，就會(huì)在催化劑表面發(fā)生氧化—還原反應(yīng)。價(jià)帶空穴是良好的氧化劑，導(dǎo)帶電子是良好的還原劑，在半導(dǎo)體光催化反應(yīng)中，一般與表面吸附的H2O，O2反應(yīng)生成氧化性很活波的羥基自由基（?OH）和超氧離子自由基（?O2）。能夠把各種有機(jī)物氧化直接氧化成COH2O等無(wú)機(jī)小分子，而且因?yàn)樗麄兊难趸芰?qiáng)，使一般的氧化反應(yīng)一般不停留在中間步驟，不產(chǎn)生中間產(chǎn)物。 光降解通常是指有機(jī)物在光的作用下，逐步氧化成低分子中間產(chǎn)物最終生成COH2O及其它的離子如NOPO4Cl等[21]。有機(jī)物的光降解可分為直接光降解、間接光降解。前者是指有機(jī)物分子吸收光能后進(jìn)一步發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。后者是周圍環(huán)境存在的某些物質(zhì)吸收光能成激發(fā)態(tài)，再誘導(dǎo)一系列有機(jī)物的反應(yīng)。間接光降解對(duì)環(huán)境中難生物降解的有機(jī)污染物更為重要。水溶液中的光催化氧化反應(yīng)，在半導(dǎo)體表面失去的電子主要是水分子，水分子經(jīng)一系列的變化后產(chǎn)生氧化能力極強(qiáng)的羥基自由基?H，氧化各種有機(jī)物并使其礦化為CO2。在水溶液中利用光化學(xué)反應(yīng)降解污染物的途徑，包括無(wú)催化劑和有催化劑參與的光化學(xué)氧化過(guò)程。前者多采用氧和過(guò)氧化氫作為氧化劑，在紫外光的照射下使污染物氧化分解；后者又稱光催化氧化，一般可分為均相和非均相催化兩種類型。均相光催化降解中較常見(jiàn)的是以Fe2+或Fe3+及H2O2為介質(zhì)，通過(guò)photoFenton反應(yīng)產(chǎn)生?H使污染物得到降解，非均相光催化降解中較常見(jiàn)的是在污染體系中投加一定量的光敏半導(dǎo)體材料，同時(shí)結(jié)合一定量的光輻射，使光敏半導(dǎo)體在光的照射下激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，吸附在半導(dǎo)體上的溶解氧、水分子等與電子空穴作用，產(chǎn)生?H等氧化性極強(qiáng)的自由基，再通過(guò)與污染物之間的羥基加和、取代電子轉(zhuǎn)移等式污染物全部或接近全部礦化[22]。光催化氧化技術(shù)在常溫常壓下進(jìn)行，并且可利用太陽(yáng)光作為光源。在早期有人曾對(duì)芳香族化合物及苯環(huán)上有取代的化合物進(jìn)行光催化研究，確定多種有機(jī)物可以完全無(wú)機(jī)化，含硫、含氮、含磷的有機(jī)物在TiO2濁液中進(jìn)行光催化氧化可完全無(wú)機(jī)化[23]。由此可見(jiàn)，光催化在有機(jī)污染物降解的技術(shù)非常有前途。光催化技術(shù)雖然已經(jīng)在不少領(lǐng)域成功應(yīng)用并表現(xiàn)出其優(yōu)越性,在降解水污染物、節(jié)約能源、維持生態(tài)平衡等方面都有著很多的優(yōu)點(diǎn)。但是光催化技術(shù)目前的應(yīng)用研究，尚屬于起步階段，在實(shí)際應(yīng)用中還存在諸多問(wèn)題。反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，尋找高效光催化劑，反應(yīng)器模型的設(shè)計(jì)，催化劑的固載化的工業(yè)化應(yīng)用，降低成本等方面尚需作進(jìn)一步的研究，跨學(xué)科的合作也有待加強(qiáng)。相信在不久的將來(lái)，這一技術(shù)能夠逐漸成熟、完善起來(lái)，為全球的可持續(xù)發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。第四章 印染廢水的光催化研究目前，我國(guó)印染企業(yè)大多屬于中小型企業(yè)，設(shè)備工藝落后，單位印染物耗水量大，廢水排放量大，水量水質(zhì)變化劇烈，隨著化學(xué)纖維織物的發(fā)展和染整技術(shù)進(jìn)步，PVA漿料、新型助劑等難生化降解有機(jī)物大量進(jìn)入印染廢水中，COD濃度上升到2000～3000mg／L[24] 。其可生化性能差，含有多種有毒有害物質(zhì)，在傳統(tǒng)生化處理系統(tǒng)中難以選擇、馴化、培養(yǎng)某種優(yōu)勢(shì)菌種來(lái)適應(yīng)水質(zhì)水量變化和進(jìn)行有效的降解。另外，生化處理系統(tǒng)設(shè)備多，占地面積大，工藝控制條件較為復(fù)雜，限制了生化法的廣泛采用。傳統(tǒng)的物理、化學(xué)方法也很難使印染廢水處理后達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，新的聯(lián)用技術(shù)的開(kāi)發(fā)引起了重視。其中，超聲波輔助光催化降解、超聲協(xié)同電化學(xué)等技術(shù)均有研究報(bào)道，且處理效果良好，具有可觀的應(yīng)用前景。以利用太陽(yáng)能為主的多相光催化氧化技術(shù),對(duì)有機(jī)物的氧化具有廣譜性,能使之完全礦化并節(jié)約能源,是一種非常有前景的環(huán)境治理技術(shù)[25]。四磺酸鐵酞菁(FePcS)結(jié)構(gòu)類似細(xì)胞色素P450,近年來(lái)作為光催化劑在處理廢水方面?zhèn)涫荜P(guān)注[26],但是均相催化存在小分子酞菁進(jìn)入水中形成二次污染,酞菁化合物在溶液中易形成聚合體,降低其催化活性的問(wèn)題。將酞菁負(fù)載在纖維上既可以提高其抗氧化能力,又可以減少二次污染,可實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用。本文將FePcS負(fù)載到陽(yáng)離子改性的棉纖維上,制得新型催化纖維。在可見(jiàn)光照射下,該催化纖維能催化H2O2氧化難降解的有機(jī)染料活性紅,并取得良好的催化效果[27]。 TiO2/活性炭光催化技術(shù)應(yīng)用于印染廢水TiO2光催化劑材料近幾年來(lái)一直是材料學(xué)及催化科學(xué)研究的熱點(diǎn)。TiO2以其廉價(jià)無(wú)毒、腐蝕性小、無(wú)二次污染等諸多優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是當(dāng)前最具有開(kāi)發(fā)前景的綠色環(huán)保型光催化劑。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),單獨(dú)用TiO2降解有機(jī)物和單獨(dú)用活性炭對(duì)水中的有機(jī)物進(jìn)行吸附的效果都遠(yuǎn)遠(yuǎn)次于TiO2/活性炭負(fù)載體系的處理效果。因?yàn)門iO2在進(jìn)行光催化降解有機(jī)物時(shí),首要條件就是將有機(jī)物分子吸附在催化劑的表面。本實(shí)驗(yàn)條件下由于處理對(duì)象的濃度較低,TiO2光催化劑與有機(jī)物分子碰撞頻率較低,吸附作用進(jìn)行的緩慢,限制了光催化反應(yīng)的速率,對(duì)于TiO
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