摻雜型TiO2顆粒光催化處理廢水性能分析

何添銘+張卓夫+宋建

摘 要：概括了工業廢水處理的特點，分析了TiO2光催化活性的因素和改性二氧化鈦在光催化氧化性能和效果。

關鍵詞：TiO2；摻雜；光催化；廢水處理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.003

1 前言

由于工業生產中含有大量的苯系、萘系、苯胺及聯苯等有機化合物，而且在生產工藝過程中多與金屬纖維等物質接觸，使廢水具有TOC、COD高，色度大，化學成份復雜等特點。但是未經處理或預處理的紡織、造紙、塑膠、皮革、食品及化妝品工業中含有難生物降解的廢水，在生化處理方面存在著運營成本高，COD去除率低的問題。在上世紀70年代人們發現半導體材料具有光催化性能以來，由于二氧化鈦具有極高的降解效率和穩定性，因此，二氧化鈦已被廣泛用于作為催化劑在各種過程，如水凈化，或其他三廢處理上[1]。

2 影響TiO2光催化活性的因素

2.1 TiO2的晶體結構

TiO2具有銳鈦礦型、金紅石型、板鈦礦晶型，因為板鈦礦晶型熱穩定性差，幾乎不具有光催化活性，因而研究價值很低。大部分情況下銳鈦礦型的TiO2光催化活性更高，但在銳鈦礦型、金紅石型共存的情況下會比單一晶型的光催化活性更高。Li等人[2]發現，二氧化鈦表面存在銳鈦礦和金紅石的混合晶相時，其光催化活性得到很大提高，在光催化制氧的反應中，具有混晶結構的TiO2的產氧速度最大可比純金紅石相TiO2快近3倍。

2.2 晶粒尺寸

晶體尺寸的大小直接影響光催化反應的效率，粒徑越小，催化劑比表面積越大，光吸收效率越高，小粒子的銳鈦礦型TiO2在有機物的光催化降解反應中活性較高，而大粒子的金紅石型TiO2則更適于光解水反應的進行[3.4]。弓瑩等[5]指出1%的La摻雜在TiO2里能使催化劑的比表面積增加，具有介孔結構。

3 改性二氧化鈦光催化劑的研究

3.1 稀有金屬鑭摻雜TiO2的研究

稀土金屬的電子結構較為豐富，用稀土元素改性的TiO2能夠通過較大的軌道半徑，引起晶格缺陷改變價帶結構，降低光生電子空穴對的復合速率最終提高TiO2的光催化活性。水淼 [6]等認為當La摻雜量低于0.8%時摻雜量越高越好，鑭進入了TiO2晶格中引起了晶格膨脹，改善了TiO2的光活性，經過600℃處理的摻鑭的TiO2對亞甲基藍的降解率為58.9%，并且比經過同等條件處理過的純TiO2[7]。

3.2 非金屬元素氮摻雜TiO2的研究

N元素是目前摻雜在TiO2中非金屬元素最熱門的一種元素，有研究[8]表明由于N的摻雜在價帶中產生的雜質能級導致了TiO2的吸收帶邊紅移。石建穩 [9]指出適量氮的摻雜可以提高TiO2的可見光利用率。

3.3 鑭-氮共摻雜TiO2的研究

綜合了兩種元素的優點，使TiO2具有吸收帶紅移的同時獲得光生電子和空穴復合速率低的特點。N的加入促進了樣品中 TiO2由銳鈦礦相向金紅石相的轉變，而La摻雜能強烈抑制樣品中TiO2由銳鈦礦相向金紅石相的轉變，與N的摻雜促進相變轉化的不利因素相抵消，對保持具有較高催化活性的銳鈦礦型TiO2，提高光催化性能有積極的作用[10]明La和N共摻雜引起銳鈦礦 TiO2能帶結構發生了很大變化，TiO2的禁帶寬度變窄，提高了太陽能利用率[11]。La-N共摻雜TiO2對孔雀石綠的降解率是未摻雜的1.8倍[12]。共摻雜處理染料活性比未摻雜或單一元素摻雜的TiO2更好，處理效果也更好[13]。

4 結論與未來展望

隨著對光催化的各種因素的研究，改性TiO2在污廢水方面發揮了極大的優勢，無論是在理論層面還是在應用層面上都得到了極大的發展。但是光催化技術還存在這光生電子空穴對分離率低、太陽能利用率低、耗能高、處理廢水效率不高等缺點。所以對TiO2改性以提高光催化效率和可見光利用率是解決這一問題的有效途徑。

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