太陽能技術在污水處理中的應用研究

陳煌林

（漳州職業技術學院，福建 漳州 363000）

隨著經濟的快速發展和人類活動的增強，水污染問題日益突出，人們對水質問題給予了更多的關注，污水處理相關技術越來越被重視。當前，人們可以以二氧化鈦作為催化劑進行太陽能光催化污水處理。由于太陽能屬于再生能源及綠色能源，并且二氧化鈦化學穩定性高、無毒、氧化能力強，可重復利用，在光催化降解處理污水領域應用廣泛，光催化氧化技術近年來逐漸成為最受重視的污水治理新技術。但是，TiO2的能隙較寬，較難被太陽光激發，使得TiO2光催化技術難以高效地利用太陽能，進而影響了它的光催化性能。因此，本文引進一種新型光催化劑以提高其利用太陽能進行光催化降解的效率[1-4]。

1 反應機理

太陽能技術在污水處理中的應用主要是利用光催化劑進行太陽能光催化污水處理，當太陽光入射光催化劑表面，光催化劑受激而產生自由電子-空穴對，自由電子傳遞給電子受體而將其還原，空穴可以從電子給體獲得電子而將其氧化，因此光催化劑具有較強的氧化還原能力。并且，沒有被復合的光生自由電子、空穴被顆粒表面的水或羥基所俘獲形成強氧化性的自由基HO·。最后，自由基將污染物降解為CO2、H2O等[5]。

2 日光下TiO2污水處理

光催化劑TiO2吸收太陽光入射光，將在表面產生自由電子-空穴對，該自由電子-空穴對分離后各自向表面遷移，在遷移過程中存在重新復合而失去活性，沒有被復合的光生自由電子、空穴被顆粒表面的水或羥基所俘獲形成強氧化性的自由基HO·。這一過程機理方程如下：

自由基HO·具有很強的氧化性，可以將污染物降解，完成有機物的礦化。過程如下：

為了解太陽能光催化的優勢，本試驗在中性狀態下將亞甲基藍（MB）置于暗處、太陽光下及太陽光下的TiO2催化劑環境中，并對三者的降解效果做比較，結果如圖1所示。

圖1 亞甲基藍（MB）在（a）暗處，（b）太陽光，

由圖1可知，MB在pH值為中性狀態下，經過180 min后，發現MB于暗處沒發生自然降解，如曲線（a）所示；MB在pH值為中性狀態下，經過太陽光照射180 min后，發現MB的太陽光直接光解率約為30%，如曲線（b）所示；MB在pH值為中性狀態下，添加100 mg/L的TiO2催化劑，經過太陽光照射180 min后，發現MB的太陽光TiO2光催化降解率約為77%，如曲線（c）所示。由于太陽光直接光解受光強、反應溫度的影響，光解率僅為30%，而添加光催化劑TiO2后，降解率有了顯著的提高[6]。

3 日光下ZnWO4/TiO2污水處理

由于TiO2的禁帶寬度較大（約3.2 eV），無法充分利用太陽光能量激發光催化活性。因此有必要研究通過改性或修飾方法拓展了光譜吸收范圍，使光催化劑在可見光區具有光催化活性。

本文采用溶膠-凝膠法制備的ZnWO4/TiO2催化劑，在TiO2中催化劑中引入ZnWO4，使得光催化劑光譜吸收范圍紅移到可見光區，對MB的降解效率遠遠高于單純的TiO2，如圖2所示。

圖2 光催化劑的紫外-可見吸收光譜

為了解新型光催化劑的優越性，本試驗在pH值中性、太陽光充足條件下，分別用單純的TiO2、ZnWO4/TiO2光催化降解亞甲基藍（MB），對比效果如圖3所示。

圖3 TiO2、ZnWO4/TiO2的太陽能光催化效果

4 結語

研究表明，ZnWO4/TiO2可以更好地利用太陽能進行光催化降解，具有較強的光催化降解能力，具有較好的應用前景[7]。因此，對ZnWO4/TiO2復合光催化材料的礦化效率、活性穩定性的探討，將是本課題組接下來的研究重點。