摘要：TiO2光催化技術(shù)是一種新型的現(xiàn)代水處理技術(shù)，由于它能廣泛地利用太陽(yáng)能，對(duì)多種污染物有明顯的降解效果，有廣闊的應(yīng)用前景。在闡述納米TiO2的催化特性和光催化氧化機(jī)理的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)要介紹光催化反應(yīng)的基本操作方式，重點(diǎn)綜述了納米TiO2光催化技術(shù)降解水體污染物如無(wú)機(jī)物、染料、農(nóng)藥、表面活性劑、含油廢水、高分子聚合物等的最新應(yīng)用進(jìn)展，對(duì)其實(shí)用化過(guò)程中存在的問(wèn)題提出了建議。
關(guān)鍵詞：光催化TiO2水體污染物

1前言

多相光催化氧化法是一種高級(jí)化學(xué)氧化技術(shù)。1972年，日本學(xué)者Fujishima和Honda[1]報(bào)道了在n-型半導(dǎo)體TiO2單晶電極上發(fā)生光電催化分解制氫，近20a來(lái)，各國(guó)學(xué)者圍繞高活性納米TiO2的制備[2～3]、多相光催化機(jī)理及動(dòng)力學(xué)研究[4～7]、提高TiO2的光催化活性[8～11]等方面做了工作。本文主要介紹近年來(lái)TiO2光催化技術(shù)降解水體污染物的最新應(yīng)用情況。

2TiO2光催化反應(yīng)機(jī)理

TiO2是一種半導(dǎo)體，它的能帶是不連續(xù)的，可分為價(jià)帶、導(dǎo)帶和禁帶。當(dāng)能量大于或等于禁帶能量的光照射到半導(dǎo)體時(shí)，處于價(jià)帶中的電子（e—）被激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，在價(jià)帶產(chǎn)生相應(yīng)的空穴(h )。

當(dāng)光生電子及空穴遷移到TiO2表面，并與吸附在TiO2表面的H2O、O2等發(fā)生作用，生成·OH、·O2-等高活性基團(tuán)，進(jìn)而氧化水中絕大多數(shù)有機(jī)污染物和部分無(wú)機(jī)物。該機(jī)理在國(guó)內(nèi)外許多文獻(xiàn)[12]中有詳述，這里不再贅述。

為使光催化反應(yīng)有效進(jìn)行，就需減少電子和空穴的復(fù)合。一方面，空穴h 可被TiO2表面的束縛水和羥基俘獲，或被體系中額外加入的一些空穴俘獲劑[13]俘獲，使體系中有足夠的高活性的電子e—；另一方面，反應(yīng)液中存在的電子受體如溶解氧[14]或加入的強(qiáng)氧化劑作為電子受體，消除光生e—，實(shí)現(xiàn)空穴與電子的有效分離，提高催化效率。

選擇納米級(jí)TiO2作為光催化劑主要考慮以下2個(gè)因素：其一是納米級(jí)TiO2粒徑小，表面原子數(shù)多，光吸收效率提高，增大了表面光生載流子的濃度，提高光催化效率；其二是粒徑越小，單位質(zhì)量的粒子數(shù)越多，比表面積也就越大，表面吸附的OH—、H2O增多，增大了光催化反應(yīng)速率。

3TiO2光催化反應(yīng)的基本操作方式

3.1懸浮式

直接將TiO2顆粒與待處理廢水混合，通過(guò)攪拌使催化劑分散均勻，由于納米TiO2比表面積大，光催化反應(yīng)速率和效率較好，因此具有較好的降解作用。王怡中等[15]利用懸浮式反應(yīng)器，研究了活性艷紅、陽(yáng)離子桃紅等初始濃度為20mg/L的8種染料光降解，光照4h后，各種染料降解率均達(dá)90以上。但分散態(tài)催化劑回收困難，不易與溶液分離、易流失等問(wèn)題限制了光催化氧化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，目前僅在實(shí)驗(yàn)中用于降解的可行性研究。

3.2固定式

將TiO2顆粒固定于纖維、玻璃、石英、不銹鋼等載體或制成薄膜，處理廢水時(shí)不需額外的設(shè)備和能量回收催化劑粒子，又可解決催化劑的懸浮體系中的均勻分散問(wèn)題，更利于光催化技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。蔣引珊[16]等利用天然沸石、膨潤(rùn)土作載體制備TiO2礦物復(fù)合物，對(duì)有機(jī)染料羅丹明-B具有分解脫色性能，脫色率達(dá)94以上，且光催化性能穩(wěn)定、持久。Kumara等[17]制成TiO2玻璃薄膜固定式光反應(yīng)器，廢水以100mL/h的流速連續(xù)流經(jīng)反應(yīng)器，在太陽(yáng)光照射下，水中酚類有機(jī)物最終全部礦化。Zhu等[18]以13-X、Na-Y、4A沸石分子篩為載體對(duì)直接堅(jiān)牢猩紅4BS和酸性紅3B染料的降解也取得較好效果。

4在水體污染物凈化中的應(yīng)用

4.1無(wú)機(jī)污染物的處理

無(wú)機(jī)水體污染物來(lái)源于采礦、金屬冶煉、化工、機(jī)械加工等行業(yè)，常見的有汞、鉻、鉛等重金屬離子和溶解在水中的有害氣體如H2S、SO2、NO2、NO等，其中，非重金屬的氰化物毒性最強(qiáng)。Aguado等[19]將催化劑TiO2固載于不同形態(tài)的SiO2上，考察了廢水中氰化物游離態(tài)和絡(luò)合態(tài)的降解效果。實(shí)驗(yàn)證明，平均降解率達(dá)80，特別適用于曝露在陽(yáng)光下的含氰化物廢水，因?yàn)椴环€(wěn)定的氰化物可解離成毒性很大的CN