廢水處理設(shè)備中光催化氧化技術(shù)是什么技術(shù)
作者：admin 發(fā)布日期：2017/9/12 關(guān)注次數(shù)：
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光催化氧化技術(shù)的概述
光催化氧化工藝作為高級(jí)氧化技術(shù)的一種，是指有機(jī)污染物在光照下，通過(guò)催化劑實(shí)現(xiàn)分解。利用光催化降解手段消除有機(jī)污物是近年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，在常溫常壓下即可進(jìn)行，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，因其具有其他處理方法難以比擬的優(yōu)越性，該技術(shù)也已成為國(guó)際上環(huán)境治理的前沿性研究課題，備受世界各國(guó)重視，并用于飲用水和廢水處理的中。
四川卓越水處理設(shè)備有限公司所生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)室廢水處理設(shè)備中運(yùn)用到了TiO2 作為催化劑，光催化氧化技術(shù)，來(lái)分解實(shí)驗(yàn)室廢水中的有機(jī)污染物，可實(shí)現(xiàn)無(wú)二次污染，安全可靠。
光催化氧化技術(shù)的原理
非均相光化學(xué)催化氧化主要是指用半導(dǎo)體，如TiO2，ZnO等通過(guò)光催化作用氧化降解有機(jī)物，這是近來(lái)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。將半導(dǎo)體材料用于催化光降解水中有機(jī)物的研究始于近十幾年。目前，研究最多的是硫族化物半導(dǎo)體材料，如TiO2，ZnO、CdS、WO3、SnO2等。光催化原理簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是這些半導(dǎo)體材料在紫外線的照射下價(jià)帶電子會(huì)被激發(fā)到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生具有很強(qiáng)反應(yīng)活性的電子（e－）-空穴（h＋）對(duì)，這些電子-空穴對(duì)遷移到半導(dǎo)體表面后，在氧化劑或還原劑（如污染物或小分子有機(jī)物）作用下，可參與氧化還原反應(yīng)，從而起到降解污染物的作用。
不同的光敏半導(dǎo)體在水處理中表現(xiàn)為不同的光催化活性，在這些半導(dǎo)體催化劑中，TiO2化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、難溶、無(wú)毒、成本低、并且具有較深的價(jià)帶能級(jí)，可使一些吸熱的化學(xué)反應(yīng)在被光照射的TiO2表面得到實(shí)現(xiàn)和加速，加之TiO2對(duì)人體無(wú)害，被公認(rèn)為是理想的光催化材料，所以目前在半導(dǎo)體的光催化研究中以TiO2最為活躍。在20世紀(jì)早期，TiO2主要作為工業(yè)原料被廣泛的用于染料、遮光劑、涂料、油膏等領(lǐng)域。
自從1972年Fujishima等發(fā)現(xiàn)TiO2電極在紫外光照射下可以電解水以后，由于其在光伏、光催化、光電化學(xué)和光電傳感器等領(lǐng)域具有許多潛在的應(yīng)用，因而引起了世界范圍對(duì)TiO2研究的熱潮。而其他催化劑如Fe2O3、ZnO、ZnS、CdS等不適具有毒性就是不穩(wěn)定，在光照下容易被腐蝕。出水中往往存在Fe3＋、Zn2＋、Cd2＋，而且效果沒(méi)有TiO2好，故一般不適用。正因?yàn)門iO2的這些優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于光催化處理多種水機(jī)廢水。
TiO2光催化氧化反應(yīng)機(jī)理
半導(dǎo)體材料之所以能作為催化劑，是由其自身的光電特性所決定的。根據(jù)定義，半導(dǎo)體粒子含有能帶結(jié)構(gòu)，通常情況下是由一個(gè)充滿電子的低能價(jià)帶和一個(gè)空的高能導(dǎo)帶構(gòu)成，它們之間由禁帶分開(kāi)。當(dāng)用能量等于或大于禁帶寬度（一般在3eV以下）的光照射半導(dǎo)體時(shí)，其價(jià)帶上的的電子（e）被激發(fā)，越過(guò)禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶上產(chǎn)生相應(yīng)的空穴（h＋）;與金屬不同的是，半導(dǎo)體粒子的能帶間缺少連續(xù)區(qū)域，因而電子-空穴對(duì)的壽命較長(zhǎng)。在半導(dǎo)體懸浮液中，在能量的作用下電子與空穴分離并遷移到粒子表面的不同位置，參與加速氧化還原反應(yīng)，還原和氧化吸附在表面上的物質(zhì)。光致空穴有很強(qiáng)的得電子能力，可奪取半導(dǎo)體顆粒表面有機(jī)物或溶劑中的電子，使原本不吸收光物質(zhì)被活化氧化，電子也具有強(qiáng)還原性，活潑的電子、空穴穿過(guò)界面，都有能力還原和氧化吸附在表面的物質(zhì)。
遷移到表面的光致電子和空穴既能參與加速光催化反應(yīng)，同時(shí)也存在著電子與空穴復(fù)合的可能性。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)碾娮雍涂昭ǚ@劑，儲(chǔ)備的能量在幾個(gè)納秒之內(nèi)就會(huì)通過(guò)復(fù)合而消耗掉。而如果選用適當(dāng)?shù)姆@劑或表面空位來(lái)俘獲電子或空穴，復(fù)合就會(huì)受到抑制，隨即的氧化還原反應(yīng)就會(huì)發(fā)生。因此電子結(jié)構(gòu)、吸光特性、電荷遷移、載流子壽命及載流子復(fù)合速率的最佳組合對(duì)于提高氧化活性是至關(guān)重要的。由于光致空穴和電子的復(fù)合在ns到ps的時(shí)間內(nèi)就可以發(fā)生，從動(dòng)力學(xué)角度看，只有在有關(guān)的電子受體預(yù)先吸附在催化劑表面時(shí)，界面電荷的傳遞和被俘獲才具有競(jìng)爭(zhēng)性。
水溶液中的光催化氧化反應(yīng)，在半導(dǎo)體失去電子的主要是水分子，OH－和有機(jī)物本身也均可充當(dāng)光致空穴的俘獲劑，水分子經(jīng)變后生成氧化能力極強(qiáng)的羥基自由基.OH，?OH是水中存在的氧化劑中反應(yīng)活性最強(qiáng)的，而且對(duì)作用物幾乎沒(méi)有選擇性。光致電子的俘獲劑主要是吸附于TiO2表面的氧，它既可抑制電子與空穴的復(fù)合，同時(shí)也是氧化劑，可以氧化已羥基化的反應(yīng)產(chǎn)物，是表面羥基的另一個(gè)來(lái)源。同時(shí)TiO2表面高活性的e具有很強(qiáng)的還原能力，可以還原去除水體中的金屬離子。上述催化機(jī)理表示如下：
TiO2＋hv→e－＋h＋
水溶液中的OH－、水分子及有機(jī)物均可以充當(dāng)光生空穴的俘獲劑，從而形成氧化能力極強(qiáng)的自由羥基，具體的機(jī)理如下：
h＋＋OH－→?OH
h＋＋H2O→?OH＋H＋
光生電子的俘獲劑則主要是吸附于催化劑表面上的O2，具體的機(jī)理如下：
e－＋O2→?O2－
?O2－＋H＋→HO2?
2 HO2?→O2＋H2O2
H2O2 ＋?O2－→?OH＋OH－＋O2
Organ＋?OH＋O2→CO2＋H2O＋其他產(chǎn)物
Mn＋(金屬離子)＋ne－→M0
幾種強(qiáng)氧化劑的氧化電位大小順序如下：
F2>?OH>O3>H2O2>HO2?>MnO－4>HCLO>CL2>Cr2O2-7>CLO2
可見(jiàn)，羥基自由基具有很高的氧化電位，是一種強(qiáng)氧化劑。OH?氧化電位為2.08V，僅次于氟的2.87V，故它在降解廢水時(shí)具有以下特點(diǎn)：OH?是高級(jí)氧化過(guò)程的中間產(chǎn)物，作為引發(fā)劑誘發(fā)后面的鏈反應(yīng)發(fā)生，對(duì)強(qiáng)降解的物質(zhì)的開(kāi)環(huán)、斷鍵，將難降解的污染物變成低分子或易生物降解的物質(zhì)特別適用；OH?幾乎無(wú)選擇地與廢水中的任何污染物反應(yīng)，直接將其氧化為CO2、水或鹽，不會(huì)產(chǎn)生二次污染；它是一種物理-化學(xué)處理過(guò)程，很容易控制，以滿足各種處理要求；④反應(yīng)條件溫和，是一種高效節(jié)能型的廢水處理技術(shù)。
四川卓越水處理設(shè)備有限公司生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)室廢水處理設(shè)備中采用了固定床式光催化反應(yīng)器，將半導(dǎo)體燒結(jié)在反應(yīng)器表面，由于它有效地讓光通過(guò)并且有較高比表面積，該光催化反應(yīng)器可省去光催化劑的分離、回收的繁冗過(guò)程，又可增加光催化劑與液體表面接觸面積，其反應(yīng)速率相對(duì)于其他反應(yīng)器更高效，反應(yīng)過(guò)程如下。
在光催化氧化過(guò)程中，有機(jī)物降解過(guò)程一般反應(yīng)模式如下：有機(jī)物污染→醛類→羧酸類→二氧化碳和水。
綜上，光催化氧化反應(yīng)的步驟可以描述如下：反應(yīng)物、O2及水分子吸附于TiO2表面；經(jīng)光照射后，TiO2產(chǎn)生電子及空穴；電子和空穴分別擴(kuò)散到TiO2粒子表面；電子、空穴、氧及水分子形成氫氧自由基；氫氧自由基和反應(yīng)物進(jìn)行氧化反應(yīng)。
光催化氧化工藝作為高級(jí)氧化技術(shù)的一種，是指有機(jī)污染物在光照下，通過(guò)催化劑實(shí)現(xiàn)分解。利用光催化降解手段消除有機(jī)污物是近年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，在常溫常壓下即可進(jìn)行，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，因其具有其他處理方法難以比擬的優(yōu)越性，該技術(shù)也已成為國(guó)際上環(huán)境治理的前沿性研究課題，備受世界各國(guó)重視，并用于飲用水和廢水處理的中。
四川卓越水處理設(shè)備有限公司所生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)室廢水處理設(shè)備中運(yùn)用到了TiO2 作為催化劑，光催化氧化技術(shù)，來(lái)分解實(shí)驗(yàn)室廢水中的有機(jī)污染物，可實(shí)現(xiàn)無(wú)二次污染，安全可靠。
光催化氧化技術(shù)的原理
非均相光化學(xué)催化氧化主要是指用半導(dǎo)體，如TiO2，ZnO等通過(guò)光催化作用氧化降解有機(jī)物，這是近來(lái)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。將半導(dǎo)體材料用于催化光降解水中有機(jī)物的研究始于近十幾年。目前，研究最多的是硫族化物半導(dǎo)體材料，如TiO2，ZnO、CdS、WO3、SnO2等。光催化原理簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是這些半導(dǎo)體材料在紫外線的照射下價(jià)帶電子會(huì)被激發(fā)到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生具有很強(qiáng)反應(yīng)活性的電子（e－）-空穴（h＋）對(duì)，這些電子-空穴對(duì)遷移到半導(dǎo)體表面后，在氧化劑或還原劑（如污染物或小分子有機(jī)物）作用下，可參與氧化還原反應(yīng)，從而起到降解污染物的作用。
不同的光敏半導(dǎo)體在水處理中表現(xiàn)為不同的光催化活性，在這些半導(dǎo)體催化劑中，TiO2化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、難溶、無(wú)毒、成本低、并且具有較深的價(jià)帶能級(jí)，可使一些吸熱的化學(xué)反應(yīng)在被光照射的TiO2表面得到實(shí)現(xiàn)和加速，加之TiO2對(duì)人體無(wú)害，被公認(rèn)為是理想的光催化材料，所以目前在半導(dǎo)體的光催化研究中以TiO2最為活躍。在20世紀(jì)早期，TiO2主要作為工業(yè)原料被廣泛的用于染料、遮光劑、涂料、油膏等領(lǐng)域。
自從1972年Fujishima等發(fā)現(xiàn)TiO2電極在紫外光照射下可以電解水以后，由于其在光伏、光催化、光電化學(xué)和光電傳感器等領(lǐng)域具有許多潛在的應(yīng)用，因而引起了世界范圍對(duì)TiO2研究的熱潮。而其他催化劑如Fe2O3、ZnO、ZnS、CdS等不適具有毒性就是不穩(wěn)定，在光照下容易被腐蝕。出水中往往存在Fe3＋、Zn2＋、Cd2＋，而且效果沒(méi)有TiO2好，故一般不適用。正因?yàn)門iO2的這些優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于光催化處理多種水機(jī)廢水。
TiO2光催化氧化反應(yīng)機(jī)理
半導(dǎo)體材料之所以能作為催化劑，是由其自身的光電特性所決定的。根據(jù)定義，半導(dǎo)體粒子含有能帶結(jié)構(gòu)，通常情況下是由一個(gè)充滿電子的低能價(jià)帶和一個(gè)空的高能導(dǎo)帶構(gòu)成，它們之間由禁帶分開(kāi)。當(dāng)用能量等于或大于禁帶寬度（一般在3eV以下）的光照射半導(dǎo)體時(shí)，其價(jià)帶上的的電子（e）被激發(fā)，越過(guò)禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶上產(chǎn)生相應(yīng)的空穴（h＋）;與金屬不同的是，半導(dǎo)體粒子的能帶間缺少連續(xù)區(qū)域，因而電子-空穴對(duì)的壽命較長(zhǎng)。在半導(dǎo)體懸浮液中，在能量的作用下電子與空穴分離并遷移到粒子表面的不同位置，參與加速氧化還原反應(yīng)，還原和氧化吸附在表面上的物質(zhì)。光致空穴有很強(qiáng)的得電子能力，可奪取半導(dǎo)體顆粒表面有機(jī)物或溶劑中的電子，使原本不吸收光物質(zhì)被活化氧化，電子也具有強(qiáng)還原性，活潑的電子、空穴穿過(guò)界面，都有能力還原和氧化吸附在表面的物質(zhì)。
遷移到表面的光致電子和空穴既能參與加速光催化反應(yīng)，同時(shí)也存在著電子與空穴復(fù)合的可能性。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)碾娮雍涂昭ǚ@劑，儲(chǔ)備的能量在幾個(gè)納秒之內(nèi)就會(huì)通過(guò)復(fù)合而消耗掉。而如果選用適當(dāng)?shù)姆@劑或表面空位來(lái)俘獲電子或空穴，復(fù)合就會(huì)受到抑制，隨即的氧化還原反應(yīng)就會(huì)發(fā)生。因此電子結(jié)構(gòu)、吸光特性、電荷遷移、載流子壽命及載流子復(fù)合速率的最佳組合對(duì)于提高氧化活性是至關(guān)重要的。由于光致空穴和電子的復(fù)合在ns到ps的時(shí)間內(nèi)就可以發(fā)生，從動(dòng)力學(xué)角度看，只有在有關(guān)的電子受體預(yù)先吸附在催化劑表面時(shí)，界面電荷的傳遞和被俘獲才具有競(jìng)爭(zhēng)性。
水溶液中的光催化氧化反應(yīng)，在半導(dǎo)體失去電子的主要是水分子，OH－和有機(jī)物本身也均可充當(dāng)光致空穴的俘獲劑，水分子經(jīng)變后生成氧化能力極強(qiáng)的羥基自由基.OH，?OH是水中存在的氧化劑中反應(yīng)活性最強(qiáng)的，而且對(duì)作用物幾乎沒(méi)有選擇性。光致電子的俘獲劑主要是吸附于TiO2表面的氧，它既可抑制電子與空穴的復(fù)合，同時(shí)也是氧化劑，可以氧化已羥基化的反應(yīng)產(chǎn)物，是表面羥基的另一個(gè)來(lái)源。同時(shí)TiO2表面高活性的e具有很強(qiáng)的還原能力，可以還原去除水體中的金屬離子。上述催化機(jī)理表示如下：
TiO2＋hv→e－＋h＋
水溶液中的OH－、水分子及有機(jī)物均可以充當(dāng)光生空穴的俘獲劑，從而形成氧化能力極強(qiáng)的自由羥基，具體的機(jī)理如下：
h＋＋OH－→?OH
h＋＋H2O→?OH＋H＋
光生電子的俘獲劑則主要是吸附于催化劑表面上的O2，具體的機(jī)理如下：
e－＋O2→?O2－
?O2－＋H＋→HO2?
2 HO2?→O2＋H2O2
H2O2 ＋?O2－→?OH＋OH－＋O2
Organ＋?OH＋O2→CO2＋H2O＋其他產(chǎn)物
Mn＋(金屬離子)＋ne－→M0
幾種強(qiáng)氧化劑的氧化電位大小順序如下：
F2>?OH>O3>H2O2>HO2?>MnO－4>HCLO>CL2>Cr2O2-7>CLO2
可見(jiàn)，羥基自由基具有很高的氧化電位，是一種強(qiáng)氧化劑。OH?氧化電位為2.08V，僅次于氟的2.87V，故它在降解廢水時(shí)具有以下特點(diǎn)：OH?是高級(jí)氧化過(guò)程的中間產(chǎn)物，作為引發(fā)劑誘發(fā)后面的鏈反應(yīng)發(fā)生，對(duì)強(qiáng)降解的物質(zhì)的開(kāi)環(huán)、斷鍵，將難降解的污染物變成低分子或易生物降解的物質(zhì)特別適用；OH?幾乎無(wú)選擇地與廢水中的任何污染物反應(yīng)，直接將其氧化為CO2、水或鹽，不會(huì)產(chǎn)生二次污染；它是一種物理-化學(xué)處理過(guò)程，很容易控制，以滿足各種處理要求；④反應(yīng)條件溫和，是一種高效節(jié)能型的廢水處理技術(shù)。
四川卓越水處理設(shè)備有限公司生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)室廢水處理設(shè)備中采用了固定床式光催化反應(yīng)器，將半導(dǎo)體燒結(jié)在反應(yīng)器表面，由于它有效地讓光通過(guò)并且有較高比表面積，該光催化反應(yīng)器可省去光催化劑的分離、回收的繁冗過(guò)程，又可增加光催化劑與液體表面接觸面積，其反應(yīng)速率相對(duì)于其他反應(yīng)器更高效，反應(yīng)過(guò)程如下。
在光催化氧化過(guò)程中，有機(jī)物降解過(guò)程一般反應(yīng)模式如下：有機(jī)物污染→醛類→羧酸類→二氧化碳和水。
綜上，光催化氧化反應(yīng)的步驟可以描述如下：反應(yīng)物、O2及水分子吸附于TiO2表面；經(jīng)光照射后，TiO2產(chǎn)生電子及空穴；電子和空穴分別擴(kuò)散到TiO2粒子表面；電子、空穴、氧及水分子形成氫氧自由基；氫氧自由基和反應(yīng)物進(jìn)行氧化反應(yīng)。
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