西安环境监测:“太阳光催化技术在水处理应用”

1、光催化法的产生与机理1972年Fujishima等发现受辐照的二氧化钛(TiO2)微粒可以使水发生持续的氧化还原反应并产生氢气,揭开了多相光催化研究的帷幕。此后,光催化氧化技术得到了广泛的重视和快速的发展。TiO2作为一种优良的光催化剂,以其低廉的成本,稳定的化学性质,无毒无害的特征,吸引科学家们不断探索。自1976年Carey等先后报道了TiO2水浊液在近紫外光的照射下可使多氯联苯完全脱氯去毒、TiO2在多晶极氙灯作用下对二苯酚、I-、Br-、Cl-、Fe2+、Ce3+和CN-的光解过程、TiO2在紫外光照射下有杀菌作用以来,大量的深入研究表明:利用光催化技术不仅能够处理多种难降解有机污染物,同时具有很好的杀菌及抑制病毒活性的作用,且不会形成对人体有害的中间产物。TiO2光催化技术逐渐在水处理领域展现出了诱人的前景,西安环境监测并被认为是当前最具有开发前景的水处理技术。

然而,TiO2只有在紫外光的激发下才能表现光催化活性。紫外光发射装置构造复杂,耗电量大,运行成本高,影响了二氧化钛光催化氧化技术在实际工程中的大规模应用。太阳光是一种清洁。如果多相光催化技术可以以太阳光为驱动力,无疑具有强大的工程潜力。但太阳光中紫外光的含量只占3%~5%,因此TiO2直接利用太阳光进行光催化的效率较低。为了改善TiO2对太阳光的利用能力,许多科学家和实验室都做了大量的研究。当前的研究热点主要集中在中在两个方面:一是如何提高TiO2对太阳能的利用效率;二是如何设计合理的反应器,充分利用太阳光能。TiO2光催化氧化机理:TiO2是一种半导体光催化剂,具有锐钛矿、金红石及板钛矿三种晶体结构,其中只有锐钛矿结构和金红石结构具有光催化特性。锐钛矿型TiO2粒子比金红石型TiO2粒子具有更高的催化活性(200~3000倍)。TiO2的带隙能为3.2eV,相当于波长为387.5nm光子的能量,当TiO2受到波长小于387.5nm的紫外光照射时,处于价带的电子就会被激发到导带上去,从而分别在价带和导带上产生高活性的光生空穴和光生电子9]。光生电子和光生空穴都有很高的能量,远远高出一般有机污染物的分子链的强度,可以轻易将有机污染物分解成最原始的状态。同时光生空穴还能与空气中的水分子反应,产生羟自由基(·OH),亦可分解有机污染物并且杀灭细菌、病毒。

2、TiO2对太阳能利用效率的提高2.1催化剂的表面修饰TiO2的光催化活性起源于光激发产生的电子-空穴对,由于电子-空穴对易于复合,大大降低了光催化降解效率。如果TiO2表面有能接受电子的物质,改变氧化还原反应过程,有利于电子和空穴的转移,并延长其分离时间,就有可能降低电子与空穴的复合,提高TiO2的光催化效率。根据半导体的特性,通常采用如下修饰手段:①在半导体微粒表面形成浅电子陷阱,西安环保验收俘获电子,阻止电子和空穴复合,贵金属沉积、过渡金属离子掺杂属于这类修饰。②利用光敏剂和TiO2形成的量子尺寸效应来促进半导体的光生电子-空穴对的生成和分离,使其光激发响应范围向长波方向移动甚至达到可见光区,为利用太阳能提供有价值的途径。2.2 加入氧化剂强氧化剂能够产生·OH,可以作为UV-可见光的一种有效补充,来提高降解速率。向TiO2光催化体系中加入O3、O2、H2O2、Fe3+等氧化剂,能够俘获催化剂表面的电子,有效抑制电子和空穴的简单复合,同时促进·OH的生成。目前常用的强氧化剂有Fenton试剂和Na2S2O8。Fenton试剂是过氧化氢和亚铁离子的混合溶液,在酸性环境下,能够大大提高被吸收的UV-可见光的波长(<580nm),但需要在反应后去除铁离子。采用Na2S2O8也可以达到相似的效果,且不需要在反应后再除去阳离子,但制备较为麻烦。2.3 光电催化光电催化是利用电化学辅助减少电子-空穴对复合的方法,在半导体系统内通过加压可使电荷分离。具体方法是将TiO2薄膜覆盖在光学透明电极上作为阳极,铂丝为阴极,饱和甘汞电极为参比电极,构成化学电极。在紫外光照射的同时施加电压,由光照激发而产生的电子通过外电路流向阴极,将氧化态组分还原,从而降低电子与空穴的复合速率,提高光催化效率。

3、太阳光反应器直接利用太阳光中的紫外线进行光催化降解有机物,需要增加紫外光的照射强度,这就涉及到如何聚光的问题,于是各类型的太阳光反应器应运而生。3.1 聚光式反应器20世纪80年代末,西安环评公司抛物面柱式聚光反应器(PTC)曾应用于太阳光催化反应,它由聚光器、日光跟踪装置以及反应器三部分构成,利用线聚焦方式来吸收光能,光线被聚焦固定到抛物面或抛物槽上的管状反应器中。SERI实验室在美国的新墨西哥城组装了第一个中试规模的反应装置。该装置由排成一线的6个PTC反应器和6个单轴太阳光追踪器构成。净采光面积为465m2,可聚集50倍太阳光。紧接着,西班牙PSA实验室也设计了一个相似的中试装置。反应器置于小塔楼上,4个平行的抛物槽上装有32面镜子,12个双轴太阳能追踪器,总面积为32m2。

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