TiO2光催化劑在廢水處理中應用的研究進展

陳 思

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TiO2光催化劑在廢水處理中應用的研究進展

陳 思

（延安職業技術學院，陜西 延安 716000）

介紹了TiO2光催化降解的反應機理，綜述了近些年來國內外TiO2光催化劑應用于有機廢水治理領域的研究進展及應用前景。

二氧化鈦；光催化；有機廢水

隨著工業的迅速發展，水資源污染問題日趨嚴重，傳統物理法、化學法、生物法對廢水中有毒有害污染物難以有效去除，直接排放勢必對人類及環境造成嚴重危害。作為一種獨特的高級氧化技術，光催化氧化因能耗低、處理效率高、操作簡便、降解徹底、無二次污染等優點，在難降解有機廢水的深度處理中具有較好的應用前景[1]。

1 光催化原理

光催化降解通常指在光作用下，催化劑通過自由基鏈式反應生成一系列具有高活性的×OH直接作用于有機污染物，使其逐步氧化成無機物，最終生成CO2、H2O、及其它無機離子NO3-、PO43-、鹵素等。在眾多催化劑中，銳鈦礦型TiO2因化學穩定性高、耐光腐蝕、能有效吸收太陽光譜中紫外輻射、價廉無毒等特點，成為水處理研究領域的熱點課題。

銳鈦礦型TiO2禁帶寬度（Eg）為3.2 eV，相對應的光譜吸收闕值為387 nm[2,3]，當波長低于上述波長時，TiO2體內自由電子被激發（e-），在價帶上留下空穴（h+），產生的自由電子（e-）和空穴（h+）與吸附在表面的O2/H2O等作用生成強氧化性的×OH/×O2-自由基，可氧化分解多種有機物。反應過程如圖所示。

圖1 TiO2光催化反應過程圖

2 改性TiO2光催化劑在廢水處理中的 應用

TiO2的帶隙較寬，只能吸收較短波長的紫外線，這部分光能僅占太陽光能的3%~5%。此外，在光催化降解過程中，通過光激發產生的電子-空穴對具有很高的活性，極易復合，導致光催化反應的量子效率很低。為了提高 TiO2對可見光響應性能和光催化性能，減小催化劑的禁帶寬度和載流子的復合概率，當前越來越多的研究的熱點集中在TiO2改性研究合成新型光催化材料，如金屬/非金屬摻雜[4]、貴金屬沉積[5]、半導體復合[6]、表面光敏化[7]等。

HM Sung-Suh[8]等將Ag摻入TiO2納米粒子，對羅丹明B染料進行降解處理，實驗結果表明：Ag摻雜的TiO2納米粒子在可見光下光催化效果顯著提高；吳晶[9]等利用稀土元素Tb對TiO2進行摻雜改性，實驗結果表明：當Tb摻雜率為0.15%時，催化劑COD去除率可達90.9%，比摻雜前提高69%。Yamaki[10]等采用離子植入技術制備了TiO2-xFx，其在紫外和可見光下對乙醛均表現出較高的催化活性，且高于P-25 TiO2；Irie[11]等通過直接氧化TiC得到銳鈦礦型TiO2-xCx，在400~530 nm的光源下能將2-丙醇轉化為丙酮和CO2。通過機理研究認為是C取代了晶格氧，并且C的2 p軌道與O的2 p軌道雜化，從而使禁帶寬度減小擴大了可見光的響應范圍；Wang[12]等合成CdS-TiO2-MT復合體系，其在可見光條件下表現出優越的光催化性能，150 min內羅明丹B去除率達到90%。該催化劑的激發波長位于可見光區，大大提高了對太陽光的利用率。可見光下，RGO/TiO2復合材料對雙酚A 的光催化降解速率是純 TiO2的 2.93 倍。

相比將TiO2光催化劑直接作用與液-固相中，將TiO2固定化形成負載型光催化劑能夠有效克服催化劑分離回收難，氣相夾帶的問題[13]。此外，改變載體的類型，調變活性組分和載體的功能，也是提高TiO2光催化性能的有效途徑。王勝武[14]等采用減壓蒸餾凝膠-煅燒法制備得到純態TiO2、TiO2/甲殼素、摻氮TiO2、負載型摻氮TiO2/甲殼素4種光催化劑，研究發現只有負載型摻氮TiO2/甲殼素具有較好的可見光催化活性，該催化劑在煅燒溫度400 ℃、煅燒時間2 h、初始p H值3時催化活性達到最大，甲基橙的殘留率為2%；董業碩[15]等以介孔硅基分子篩(MCM-41)為載體，采用溶膠-凝膠法制備了分子篩負載型TiO2催化劑，該催化劑在 600 ℃下煅燒2h活性最高，對酸性紅B的降解率達93％。張劍琦[16]等采用溶膠-凝膠結合煅燒后處理方法，以聚苯乙烯(PS)膠球和EO20PO70EO20(P123)作為雙模板劑制備了三維有序大孔復合材料3DOM TiO2-ZrO2，該復合產物對甲基橙表現出較高的催化活性。

近期的研究發現，TiO2等光催化劑與活性炭、碳納米管、石墨烯等[17-19]復合能大幅度提高光催化性能。劉宏菊[20]等采用溶膠-凝膠法制備了活性炭負載型的TiO2復合光催化劑，實驗結果表明：該復合光催化劑對采油廢水中大多數有機物有不同程度的光催化降解，處理后采油廢水COD去除率可達65.3％；Li[21]等制備 RGO/ TiO2復合材料用于光催化降解雙酚A，研究結果表明：石墨烯的加入使復合材料的光催化活性得到顯著的提高，同時也增加了復合材料對污染物的吸附能力；Hossain[22]等采用溶膠-凝膠法制得硼氮（B / N）共摻雜TiO2納米管，該復合催化劑在可見光條件下對亞甲藍表現出較好的去除效果，反應4 h降解率為56%。

3 結束語

TiO2光催化氧化技術具有原料豐富、工藝簡單、反應高效、無二次污染等優點，在有機廢水處理領域具有廣闊應用前景。未來有機廢水處理領域重點研究的方向包括：（1）通過TiO2改性增強催化劑活性，提高可見光利用率，開發新型光催化材料；（2）通過負載協同增強TiO2光催化材料的活性及回收利用率，拓展其實際應用范圍；（3）在TiO2光催化體系中引入高效助催化體系，協同電、磁、超聲波等外加“場”，以此提高TiO2對有機物的降解效率。

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Research Progress in Application of TiO2Photocatalysts in Wastewater Treatment

（Yan'an Vocational &Technical College, Shaanxi Yan'an 716000，China）

The reaction mechanism of TiO2photocatalytic degradation was introduced, and research progress and application prospect of TiO2photocatalysts in organic wastewater treatment were discussed in detail.

TiO2;photocatalysis ; organic wastewater

2017-03-10

陳思（1988-），女，研究生，現從事水污染治理相關工作。

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1004-0935（2017）05-0479-03