纳米TiO_2在化工废水处理方面的研究进展_殷榕灿

CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS2009年第28卷增刊·72·化工进展纳米TiO2在化工废水处理方面的研究进展殷榕灿（阜阳师范学院，安徽阜阳236000）摘要：概述了纳米TiO2光催化氧化机理及其在水处理技术在化工废水方面的研究与应用动态。关键词：纳米TiO2；水处理；化工废水水是人们赖以生存的源泉，是工业生产不可或缺的条件。随着工业化的进程，水体污染越来越严重，已经影响到了工业生产，增大设备腐蚀，影响产品质量，甚至使生产不能进行下去。水体污染同时又影响人们的生活，破坏生态，直接危害人的健康。因此污水处理显得迫在眉睫。1976年Fujishima等[1]报道了紫外光照射下TiO2可使难生化降解的有机化合物多氯联苯脱氯后，纳米TiO2作为一种水处理方法技术就引起各国众多学者的广泛重视。1纳米TiO2光催化反应的原理纳米TiO2有3种不同的晶型：锐钛型、金红石型和板钛型，不同晶型有不同的特性。不同的晶型可以相互转化，一般情况下，板钛型在650℃转变为锐钛型，锐钛型在915℃转变为金红石型。转变温度和TiO2颗粒大小、含杂质以及制备方法有关。颗粒越小，转变温度越低，锐钛型纳米TiO2向金红石型转变的温度不大于600℃。锐钛矿相TiO2对氧的吸附能力较强，具有很高的催化活性；而金红石相对氧的吸附能力较差，比表面积较小，因而光生电子和空穴容易复合，光催化性能受到一定的影响。因此，作为光催化剂使用时，锐钛矿相TiO2较金红石相TiO2具有更高的催化效率[2]。纳米TiO2是一种N型半导体材料，禁带宽度较宽，其中锐钛型为3.2eV，金红石型为3.0eV，当它吸收了波长小于或等于387.5nm的光子后，价带中电子就会被激发到导带，形成带负电的高活性电子e-，同时在价带上产生带正电的空穴h+。吸附在TiO2表面的氧俘获电子形成·O2－，而空穴则将吸附在TiO2表面的OH－和H2O2氧化成具有强氧化性的·OH，反应生成的原子氧、氢氧自由基都有很强的化学活性，氧化降解大多数有机污染物。同时空穴本身也可夺取吸附在半导体表面的有机物质中的电子，使原本不吸光的物质被直接氧化分解。这两种氧化方式可能单独起作用，也可能同时起作用[3]。原子氧、氢氧自由基和空穴还能和细菌内的有机物反应，生成CO2、H2O和一些简单的无机物，从而杀死细菌，消除油污[4]。半导体表面的高活性电子具有很强的还原能力，电子受体可直接接受光生电子而被还原，所以可以用来除去环境中的一些特定污染物，例如铜离子。另外光子效率和激发态电子、空穴到达表面的时间有关，纳米TiO2作为光催化剂，其粒径越小，电子和空穴到达反应表面的数量越多，光催化效率越高。半导体纳米TiO2光催化的基本原理可用如下反应式表示：TiO2+hν→h++eh++e－→EH2O→H++OH－h++OH－→·OHh++H2O+O2－→·OH+H++－O2－h++H2O→·OH+H+e－+O2→O2－·O－2+H+→HO2·2HO2·→O2+H2O2H2O2+·O－2→·OH+OH－+O2H2O2+hν→2·OHOrgan+·OH+O2→CO2+H2O+其它产物Mn++ne－→M2纳米TiO2光催化在水处理方面的应用光催化氧化技术的优点在于降解速度快降解无选择性，几乎能降解任何有机物氧化反应条件温和，投资少，能耗低，用紫外光照射或暴露在阳光下即可发生催化氧化反应，无二次污染，有机物彻底被氧化降解为和必应用范围广，几乎所有的污水都可以采用。尤其是近年来高效率的光催化剂、纳米粒负载和金属掺杂、光电结合的催化方法以及太阳能DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2009.s2.106增刊殷榕灿：纳米TiO2在化工废水处理方面的研究进展·73·技术的研究开发，使光催化氧化法应用于水处理领域有良好的前景。2.1染料废水的处理在染料的生产和使用中，有大量碱度高、色泽深、臭味大的染料进入环境，对生态环境和饮用水造成相当大的危害。近年来在染料的脱色、光解等方面的研究日益增多，并取得了一定的成果。Puat等[5]制备了掺杂银离子的TiO2，并用于降解紫罗兰和甲基红混合溶液。在紫外光照射下，90min的光催化降解率是86%。Liu等[6]制备了氮掺杂的TiO2纳米催化剂，并研究了该催化剂降解3种含氮染料的催化活性：酸性橙、普施安红和活性黑。研究发现该催化剂在可见光下有很好的活性，并且对3种染料的催化活性均优于DgeusasP25，1h酸性橙的降解率可达95%；3种染料的混合溶液到达70%的降解率需要1h，完全降解需要3h。Priya等[7]用燃烧法合成了锐钛型TiO2，发现他们制备的催化剂活性比DegussaP25好。瞿娟等[8]用工业级TiO2（110℃干燥的产品）经焙烧后得到晶粒尺