纳米TiO2光催化降解在治理废水中的应用

    一般认为纳米TiO₂光催化降解的机理如下：锐钛型纳米TiO₂具有较高的光催化氧化能力。其禁带宽度为Eg=3.2eV,相当于波长387nm光的能量，这正好处于紫外区，所以，用TiO₂作为光催化氧化反应需紫外光源，例如，太阳光、卤钨灯、汞灯等。在紫外线作用下它的价带上电子被激发到导带，而在价带上产生空穴，形成自由电子一空穴对。即在紫外线的照射下，能够自行分解出自由移动的带负电的电子(e^-)和带正电的空穴(h＋)，发生一系列化学反应，形成电子一空穴对，而吸附溶解在TiO₂表面的氧俘获电子形成O₂^-，空穴则将吸收在TiO₂表面的OH^-和H₂O氧化成HO·，生成的原子氧和氢氧自由基有很强的化学活性，特别是原子氧能与多数有机物反应，使有机物被氧化分解，最终分解为CO₂、H₂O和(或)无机物。    据统计目前已发现3000多种难降解的有机物可以在紫外线照、射下，通过纳米TiO₂迅速降解，特别是当水中有机污染物浓度较高或用其他方法很难降解时，这种技术有着更明显的优势。    纳米TiO₂具有光催化降解性能，不仅可以处理废水中的有机污染物，同时也可以处理空气中的污染物。如氮氧化物(NO_x)、油污、乙醇、甲醇、甲醛、丙酮、硫醇等，其中对氮氧化物降解率达80％。处理这些污染物，无需将污染物与主流液(气)体分离，就可以把它们直接转化为无毒、无害的CO₂、H₂O和(或)无机物。因而可以避免吸收、吸附等净化方法可能产生的二次污染。同时可以使操作过程简化。因此利用纳米TiO₂光催化除污已成为治理环境最有发展前途的方法之一。纳米TiO₂光催化降解有机物废水处理技术的优点如下:①具有巨大的比表面积，因而具有与废水中的有机污染物更充分的接触，可将有机物极大限度地吸附在它的粒子表面;②具有更强的紫外线吸收能力，因而具有更强的光催化降解能力，可快速将吸附在其表面的有机物分解掉。    1.处理染料废水    染料废水中含有苯环、氨基、偶氮基团等致癌物质，常规方法处理水溶性染料的降解效率通常很低。研究发现，用TiO₂/SiO₂体系能够很迅速地降解R-6G染料。采用TiO₂/SiO₂光催化降解染料不仅能有效地破坏染料中的发色基团，而且可以破坏染料分子中的芳香基团，达到完全降解的目的。    2.处理农药废水    纳米TiO₂光催化降解有机磷农药时，只需向反应液中加入微量的Fe³⁺，就可以大大提高COD的去除率及无机磷的回收率。    3.处理含表面活性剂的废水    含表面活性剂的废水不但容易产生异味和泡沫，而且还会影响废水的可生化性。非离子型和阳离子型表面活性剂不但很难生物降解，有时还会产生有毒或者不能溶解的中间体。采用纳米TiO₂光催化分解表面活性剂已取得了较好的效果，研究发现，苯环比烷基或烷氧基更容易断链降解实现无机化，直链部分降解速度极慢，这是因为苯环中的π电子可能被空穴移到TiO₂表面上，生成阳离子自由基的缘故。虽然表面活性剂中的链烷烃部分采用光催化降解反应还较难完全氧化成CO₂,但随着表面活性剂苯环部分的破坏，表面活性及毒性大为降低，生成的长链烷烃副产物对环境的危害明显减少，目前国内外公认将此法用于废水中表面活性剂的处理具有很大的吸引力。    4.处理含油废水    石油工业的不断发展，促进了各国经济的发展，同时也产生了十分严重的环境污染问题，含油废水就是其中较为严重的污染之一。处理这种不溶于水且密度比水小的油污，一直是人们关注的难题。用纳米TiO₂粉体处理含油废水，其降解率可达到94.74％。若能将其负载于某一载体上，使其漂浮于水面，则能有效提高TiO₂的光催化活性。用浸涂、热处理的方法在空心玻璃球表面负载TiO₂薄膜，或者用硅偶联将纳米TiO₂牢固地黏附于载体空心陶瓷微球表面，光催化降解辛烷都能取得满意的效果。    5.处理造纸废水    造纸工业废水排放量大，难处理，污染严重，是我国主要的工业污染源之一。采用纳米TiO₂光催化氧化法对造纸废水进行二级处理，结果表明，经过光催化深度处理后的造纸废水的COD质量浓度由250.Omg/L降至81.Omg/L,色度由86.0％降至50.0%，完全达到国家废水排放标准。    6.纳米TiO₂表面高活性的电子e^-具有很强的还原能力，可以还原除去废水中的一些重金属    7.照相工业产生的污水，也是有毒、有害的，并且难以降解。  近年来已可用纳米TiO₂光催化降解。除此之外，还有烃类、卤代烃、有机酸、含氮有机物、酚类、木材防腐剂等也都可以利用纳米TiO₂光催化降解。    纳米TiO₂光催化氧化处理废水有着广泛的应用前景。国内利用纳米TiO₂光催化技术进行废水处理的研究，已有十几年的历史，但大多数都停留在实验室初试阶段，尚没有实际应用的报道．原因是工业上应用受到制约:①量子产率低，约4％，最高不超过10％，难以处理量大、浓度高的工业废气、废水；②太阳能利用率低，以TiO₂为主的光催化剂只能吸收利用太阳光中的紫外线部分，而不能充分利用可见光部分。今后如何提高量子产率、提高太阳能利用率和提高纳米TiO₂光催化效率，降低环境治理成本，仍是十分重要的课题。