光催化氧化在水溶性染料降解处理中的应用

光催化氧化在水溶性染料降解处理中的应用Ξ胡长峰(呼和浩特职业学院生物化学工程学院,内蒙古呼和浩特010051)摘要:本文简述了染料废水的危害及其处理的重要性,并以水溶性染料为对象,探讨光催化氧化处理基本原理及特点,论述了光催化氧化处理水溶性染料研究的进展和最新研究成果,并对其发展前景进行了展望。关键词:光催化氧化;水溶性染料;降解;光催化剂水资源同能源资源、耕地资源并称为支撑我国经济社会可持续发展的三大重要战略资源。随着染料纺织工业的迅速发展,染料的品种和数量不断增加,合成染料厂和印染厂每年都要排放大量的染料废水,已经成为水系环境的重点污染源之一,有效处理这些废水是环境保护的必然要求。而染料废水水质复杂,有机污染物含量高,pH值变化大,COD、BOD差别大,不易生化降解。半导体多相光催化是近20年发展起来的新兴研究领域。因反应体系在光催化下将吸收的光能直接转变为化学能,因而使许多通常情况下难以实现的反应在比较温和的条件下能够顺利进行。半导体多相光催化在环境保护方面的突出优点,有力地推动了人们对其在深度和广度上的研究。1半导体材料光催化降解水溶性染料机理光催化材料大多是金属氧化物、硫化物或复合氧化物等半导体材料,具有特殊的电子结构。与金属相比,半导体的能带是不连续的。充满电子的低能价带和空的高能导带之间的能量差(Eg)称为禁带。当用一定能量的光照射时,半导体可受激发,则价带中的电子可被激发到导带,成为高活性电子(e-),而同时在价带留下一个带正电荷的空穴(h+),进而与吸附在催化剂表面上的H2O作用生成高活性的HO·,与污染物分子发生一系列化学反应。只要光的能量等于或大于半导体的禁带宽度,便可实现价带电子向导带跃迁。根据半导体光催化原理,能隙的减小有利于可见光的吸收,从而可提高对太阳光的利用率,即可提高光催化活性。对于光催化反应,捕获光激发产生的空穴,并与给体或受体发生作用才是有效的,而且光激发产生的电子和空穴的复合在10-9s甚至10-12s内就可以发生。因此,为使光催化反应能有效地进行,需要减少电子-空穴的简单复合。否则,分离的电子和空穴可能在半导体粒子内部或表面复合并放出热能。2染料废水的光催化降解应用研究2.1TiO2的应用常见的单一化合物光催化剂多为金属氧化物或硫化物,如TiO2、ZnO、ZnS、CdO、CdS及PbS等。这些催化剂各自对特定反应有突出优点,具体研究中可根据需要选用。CdS半导体带隙能较小,跟太阳光谱中的近紫外光段有较好的匹配性能,可以很好地利用自然光能,但它容易发生光腐蚀,使用寿命有限。1976年,Carey等[1]研究发现在紫外光照射下,纳米可使难降解的有机化合物多氯联苯脱氯。相对而言,在多相光催化降解燃料废水应用中,二氧化钛以其无毒、稳定、催化活性高及抗氧化能力强等特点而备受瞩目。浙江大学[2]分别将印染厂分散大红及分散深蓝配成硬顶浓度的溶液。50min后,水溶液中分散大红和分散深蓝均被降解,脱色率100%,COD去除率>70%,照射180min后,COD去除率>80%。但本身还存在一些不足,如半导体载流子的复合率高、量子效率低,由于TiO2禁带为Eg=3.2eV,需要在紫外光的照射下,才能有效地产生氢氧根自由基和空穴对,从而利用太阳光的比例低。粉末,在其光催化性能评价实验中,多数研究人员采用紫外灯作为研究光源。然而,实际应用中它只能利用真正无污染、免费能源——太阳能的小部分,从而限制了这项技术的应用。当两种或两种以上半导体材料复合时,催化活性可能会显著改观。李芳柏等[3]以钛酸丁酯和钨酸铵为原料制备了不同质量分数的WO3�TiO2纳米粉体。活性测试表明,掺入一定量WO3后光催化活性明显高于TO,而且在掺杂量为%时活性最912008年第7期内蒙古石油化工Ξ收稿日期作者简介胡长峰(),男,蒙古族,硕士,吉林前郭人;专业物理化学。i22:2008-01-12:1980-:高。2.2天然锰矿的应用天然锰矿在自然界储量丰富,其中含有一些边加金属氧化物,如Mn(�)和Mn(�)等。锰氧化物具有半导体特性,锰矿复杂的祖坟和结构有利于光子的吸收、电子迁移及电荷载流子生成。汤鸿霄[4]等对天然锰矿对有机物的吸附和光催化进行了研究,认为染料化合物在锰矿颗粒物界面的光催化作用可能有三方面的原因:首先,光加速了具有半导体特性的锰矿颗粒表面价电子激发到导带生成电荷载流子的速度,光至电子和孔穴参与并加速氧化还原反应;其次,由于染料分子是具有还原性的有机配体,颗粒物表面是高价态锰氧化物,因此在两者形成的络合物中有机配体中心离子之间存在电荷转移跃迁,光使这种点和转移谱带吸收光子,生成激发态络合物,在激发状态下,配位电子易于向表面中心离子迁移;第三,作为配体的染料分子中除了含有不饱和双键的生色基团外,同时还存在含孤对电子的O,S