光催化氧化处理难降解有机废水的研究
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作者: 白旭东 党凤霞
【摘要】 光催化氧化技术是近些年来发展起来的污染治理新技术，本文简要介绍了光催化氧化处理难降解有机废水的技术机理和光催化氧化的技术优点，并讨论了光催化氧化处理难降解有机废水的发展前景。
【关键词】 光催化氧化；有机废水处理；深度处理
难降解有机废水的治理作为环保领域的重要课题已受到全球范围的重视[1]。当前生物技术被认为是处理有机污染物应用前景最好的方法，但对许多有机化合物作用不大，如对微生物有毒害作用、对微生物降解有抵制或抑制作用，影响微生物降解，从而影响有机废水的综合处理效果，难以满足废水达标排放的要求。近年来有关污水的治理研究已逐步转向化学转化法，即通过化学反应使污染物得到破坏而实现无害化。
1 光催化氧化技术国内外研究进展
光催化氧化是20世纪70年代兴起的水处理工艺，自1961~1996年的36年间共有47个国家和地区的科学家从事光催化研究[2]，其中日本、美国、俄罗斯和中国这四个国家在光催化研究方面处于领先地位。
目前国内外关于光催化降解有机物的理论研究尚处于探索开拓阶段，大多数研究停留在证实过程可行性的水平上，即仅限于基本方法的研究。且目前的试验研究中对已经考察的有机污染物种类也十分有限，水处理的实验对象多用于化学试剂溶入去离子蒸馏水模拟工业废水。而实际的工业废水通常含有多种污染物，对于这种多组分体系的光催化转化过程的实验研究极少[3-4]。美国、日本、加拿大等国已尝试将光催化氧化技术应用于水处理，据报道目前只有美国建立了用太阳光作为光催化反应系统光源的试验装置[5]，并进行了大量有效的试验。其他国家的研究均处于模拟试验阶段，我国采用光催化处理有机废水的研究工作尚处于起步阶段，大都还限于实验室研究水平，尚未有把该技术投入实际应用的报道[1、2]。
2 光催化氧化原理
催化氧化法是对化学氧化法的改进与强化，根据所采用的不同改进措施，发展出了湿式催化氧化法、光催化氧化法、均相催化氧化法和多相催化氧化法[4]。其中光催化氧化法是目前催化氧化法中研究较多且应用前景较好的一项技术。
光催化氧化过程就是在水中加入一定量的光敏半导体材料(如TiO2)，结合具有一定能量的光照射（紫外光），在水中产生氧化能力很强的羟基自由基氧化水中污染物，将有机物逐步氧化成无机物，最终生成CO2、H2O及其它的无机离子如NO3-，PO43-等。这种光催化氧化技术对有机物分子结构具有很强的破坏作用，使长链分子变成短链分子(一些有机物甚至最终能被分解成二氧化碳和水)，从而增强了微生物对有机污染物的降解性能，有效地提高了对有机污染物的处理效率。
3 光催化氧化技术优点
光催化氧化是一种新型现代水处理技术，具有工艺简单、能耗低、易操作、无二次污染等特点，尤其对一些特殊的污染物比其他氧化法有更显著的效果[5]。在1989年美国环保局公布的129种基本污染物中，有9大类共114种有机物，国内外的研究表明光催化氧化法对大部分有机物有较大的降解作用。
4 光催化氧化技术处理废水的影响因素
光催化氧化技术在处理废水时其降解效果受催化剂用量、pH值、光照强度、光照时间、水中的溶解氧等因素的影响[6]：(1) 催化剂用量要适当，投加量过少，有效光子不能完全转化为化学能，而投加量过多，会造成光散射，降低反应速度。(2) 光催化氧化法降解有机物时，去除率可能先上升后又下降、再上升，这是由于废水中大分子有机物分解为小分子有机物的难易程度所致。(3) 光催化氧化法有耐冲击负荷的优点，能有效降解的废水浓度范围较宽。(4) 光催化氧化法降解速率受pH影响较大。在高pH和低pH时反应速率较快。(5) 在一定条件下，适当增加光照强度能提高废水有机物降解效果，但太大时存在中间氧化物在催化剂表面的竞争性复合，提高效果不明显。(6) 光催化氧化反应需要消耗水中的氧气。氧在该反应中是光致电子的俘获剂、・OH的重要来源以及羟基化产物进一步的氧化反应剂，它能有效地抑制电子-空穴对的简单复合，提高光子效率。
5 光催化氧化技术应用前景
光催化氧化法由于其自身的优点，用于处理水中的有机污染物的研究已经越来越受到人们的重视，作为一种新兴的水处理技术，有着广阔的应用前景。其在彻底氧化水中有机污染物和可以利用太阳能而节约能源等方面有着突出的优点，特别是当水中有机污染物浓度很高或用其它技术方法很难降解时，有着更明显的优势。此外，近几年高效率的光催化剂、光电结合的催化方法以及应用太阳能技术的研究和应用的进步，使得光催化应用在水净化领域有着良好的市场前景和经济、社会效益。
高浓度有机废水的处理是一项难度较大的工作。为有效地解决有机废水造成的污染问题，国内外都在致力于新技术的研究与开发。目前，在北美洲，以加拿大为核心的先进氧化技术的应用研究正在蓬勃兴起，为有机废水处理技术的研究开拓了一个新的研究方向[7]。其中紫外光催化氧化技术的研究格外引人注目，当前的一系列研究表明这项新技术具有新颖性、高效性，与现有有机废物多采用的焚烧处理法相比较，投资少，如配合生物处理法，可以解决大多数有机物造成的污染问题，具有很好的应用前景。
目前的研究表明，光催化氧化技术由于其高效节能，工艺简化和清洁无毒，可望在以下几个方面得到广泛应用[8]：①用于饮用水的深度处理，去除水中微量有机污染物。②用于工业废水的处理，去除其中的有机污染物和有毒的无机离子如Cr2O72-、CN-、Pb2+、Hg2+等。
然而，迄今为止的研究大部分还停留在实验室阶段，未来的研究将集中于以下几个方面：①制备高效率的催化剂，通过在催化剂表面负载惰性金属或利用掺杂其它物质改变催化剂晶形结构的方法，降低能带宽度，使其能被长波光激发，提高对太阳光的利用率。②寻找合适的载体和固定化方法，制备负载型催化剂。利用载体和催化剂的复合功能，例如使用具有吸附功能的载体，将吸附、降解、分离有机地结合起来，克服悬浮相催化氧化中，催化剂易凝聚且难以分离回收、活性成分损失大等特点。③并结合负载型催化剂的制备，设计出高效、多功能、实用型的水处理装置，解决光催化氧化的实际应用问题。
参考文献
[1] 叶庆国等．光催化氧化法降解丁醛废水．青岛化工学院学报，2000，21（3）：206-208
[2] 石庆平等．光催化研究与发展的文献计量分析．催化学报，1999，20（3）：293-295
[3] 李琳．多相光催化在水污染治理的应用．环境科学进展，1994，2（6）：23-30
[4] 张彭义等．半导体光催化剂及其改性技术进展．环境科学进展，1997，5（3）：1-5
[5] 胡将军等．光催化氧化处理有机废水．环境污染与防治，2000，22（1）：31-32
[6] 温东辉等．高浓度降解有机废水的催化氧化技术发展．环境科学，1993，15（5）：88-91
[7] 吴东平等．紫外光催化氧化技术处理有机污染物的研究动态．环境工程，1998，16（3）：64-67
[8] 时桂杰．光催化氧化处理水中污染物的研究现状与发展趋向．环境科学与技术，1998，（82）：1-4
收稿日期：2008-3-23
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