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光化学氧化法技术原理及利用效率方法

发布时间:2014-05-14 22:14  文章来源:未知  文章作者:高级氧化技术工程

  为治理废水污染,保护水环境,人们经过长期努力,已经建立了许多净化处理废水的技术方法,并已广泛应用于实际的废水处理工程中,这些技术方法通常可以分为物理法、化学法、物化法、生化法等。常用的技术方法各有自身的优点,同时也不同程度地存在着某些不足之处。例如,有的技术方法对难降解污染物净化不彻底、处理速度慢,而有的可能造成二次污染,有的设备投资大、处理费用高等。随着国家推进削减主要污染物排放总量工作的开展以及逐步提高污染物排放标准,现有的技术方法难以满足更高的要求,因此有必要探索更加经济有效、便于推广应用的新技术。

光化学氧化法技术

  一、光化学氧化法技术

  光化学氧化法技术利用光激发氧化将O2、H2O2等氧化剂与光辐射相结合。所用光主要为紫外光,包括uv-H2O2、uv-O2等工艺,可以用于处理污水中CHCl3、CCl4、多氯联苯等难降解物质。另外,在有紫外光的体系中,紫外光与铁离子之间存在着协同效应,使H2O2分解产生羟基自由基的速率大大加快,促进有机物的氧化去除。所谓光化学反应,就是只有在光的作用下才能进行的化学反应。该反应中分子吸收光能被激发到高能态,然后电子激发态分子进行化学反应。

  光化学氧化法还原以n型半导体为催化剂,TiO2由于化学性质和光化学性质均十分稳定,且无毒价廉,货源充分,所以光催化氧化还原去除污染物通常以TiO2作为光催化剂。光催化剂氧化还原机理主要是催化剂受光照射,吸收光能,发生电子跃迁,生成“电子—空穴”对,对吸附于表面的污染物,直接进行氧化还原,或氧化表面吸附的羟基OH-,生成强氧化性的羟基自由基OH将污染物氧化。

光化学氧化法技术

  二、光化学氧化法反应特点

  1、适用范围广,处理效果好。光催化过程中产生的·OH是起主要作用的活性氧化物种,氧化能力很强,能有效地氧化分子结构复杂的难降解有机污染物,可广泛应用于有机合成化工废水、染料废水、农药废水、焦化废水、制药废水、造纸废水等难降解有机废水的处理中。

  2、反应易于控制且反应过程不产生二次污染。与化学氧化剂不同,光催化氧化反应中没有加入其它化学药剂,因此不会产生二次污染。另外在反应过程中,有机物彻底降解为CO2和H2O,也无须考虑反应产物的后续处置问题。

  3、反应速度快。在性能良好的催化剂的作用下,废水中污染物质的降解一般仅需要几分钟到几小时,远小于采用其他传统方法的反应时间。

  4、反应成本低且反应条件温和。光催化反应可使用太阳光或紫外光作为光源,是一种高效节能的废水处理技术。

  三、主要的光催化剂及应用

  臭氧高级氧化催化剂是引发和促进光催化氧化反应的必要条件。这些物质均属于半导体材料,具有能带结构,其价带和导带之间的能量壁垒。价带与导带之间由禁带分开,当用能量等于或大于禁带的光照射半导体材料表面时,价带上的电子受到激发,跃迁到导带,同时在价带形成空穴,分布在表面的空穴h+可以将吸附在材料表面的OH-和H2O分子氧化成羟基自由基HO·。

光化学氧化

  四、提高光催化利用效率的方法

  在光催化反应中,催化剂表面的OH-基团的数目将直接影响催化效果。TiO2 浸入水溶液中,表面要经历羟基化过程。晶粒尺寸越小,粒子中原子数目也相应减少,表面原子比例增大,表面OH-基团的数目也随之增加,从而提高反应效率。由于量子效应,近年来,新的研究方向就是研制纳米半导体材料—纳米光催化剂。纳米光催化材料比一般光催化材料在促进光催化反应的活性作用上,主要体现在2个方面。

  (一)从光催化机理来看,氧化、还原作用的强弱取决于光生电子和空穴的浓度。显然,光催化剂颗粒尺寸越小,总表面积越大,光吸收效率越高,并且电子和空穴移动到表面的几率也越大。同时随着尺寸的减小,比表面积增大,表面建态和电子态的活性增多,有利于对反应物的吸附,从而增大反应几率。

  (二)从能带理论角度上分析,任何氧化电位在半导体价带电位以上的物质原则上都可以被光生空穴氧化。同理,任何还原电位在半导体导带以下的物质,原则上都可以被光生电子还原。N型半导体材料,当其尺寸小于50 nm时,会产生所谓量子尺寸效应,使带间能隙增大,导带电位更负,价带电位更正,加强了光催化剂氧化、还原能力,提高光催化活性。如果TiO2 晶粒尺寸从30 nm 减小到10 nm 时,其光催化降解苯酚的活性提高了近45%。

  虽然光电催化氧化技术发展不是很完善,但由于其反应条件温和、操作条件容易控制、氧化能力强、无二次污染,加之TiO2 化学稳定性高、无毒等优点,使光催化氧化技术仍是一项具有广泛应用前景的新型水污染处理技术。今后的光催化氧化技术将集中于负载型纳米TiO2的制备、高效光催化反应器的研制、能用于回收粉TiO2的膜技术的发展和各种难降解有机物的光催化降解规律的研究方向,特别是高效太阳光源反应器的研制。纳米催化剂技术的广泛应用,必将在生态环境保护、实现可持续发展事业中发挥越来越大的作用。

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