非均相光催化氧化法降解有机污染物的研究现状与发展趋势

第·27卷第5期2006年1O月化学工业与工程技术JournalofChemicalIndustry&EngineeringVo1．27No．5()ct．，2006非均相光催化氧化法降解有机污染物的研究现状与发展趋势陈华(长安大学环境科学与工程学院，陕西西安710064)摘要：高级氧化法(AOPs)中的非均相光催化氧化法，以其在处理工业废水中复杂有机污染物的显著优势越来越受到人们的关注。介绍了非均相光催化氧化法的原理、优点、常见的类型及研究现状，并对非均相光催化氧化法与均相光催化氧化法进行了简单的对比。关键词：高级氧化法；非均相光催化氧化法；均相光催化氧化法中图分类号：TQo32．41文献标识码：A文章编号：1006—7906(2006)05—0045一O4随着工业的迅猛发展，环境中难降解的有机污染物已经成为环境治理中的一个焦点问题。最常用的生化法对这种分子量从数千到数万的有机污染物的处理存在一定困难。1972年，日本学者Fujishi—ma和Honda首先发现光催化降解法_1]。1978年，Glaze等提出的高级氧化法l2(Advancedoxidationprocesses，简称AOPs)克服了一般生化法存在的问题，且在难降解的有机污染物处理中发挥着日益重要的作用。根据产生羟基自由基方法的不同，高级氧化法分为均相光催化氧化法和非均相光催化氧化法_3]。在均相光催化氧化法中，含有HO，O。或同时含有二者的均相溶液受到紫外光(UV)的辐射，过氧化物发生光分解，产生活泼的·OH自由基。在非均相光催化氧化法中，半导体胶体微粒(如TiO，CuO等)吸收紫外光，在胶体和溶液界面产生·OH。可见，高级氧化法的处理原理是利用·OH的强氧化性。高级氧化法中的非均相光催化法虽然起步早，但近几年仍得到了诸多关注，发展迅速。均相光催化氧化法的发展空间受限，主要原因是_4]：(1)能耗高，处理成本高；(2)试剂的制取、运输、储存困难；(3)对污染物的选择性高，处理效果不理想；(4)UV／O。抵抗大气辐射能力差。非均相光催化氧化法不仅克服了以上不足，且具有自身的特点：(1)半导体光催化剂无毒，稳定性好，便于运输、存储；(2)一般可使有机物完全降解，处理效果好且无二次污染；(3)半导体催化剂与均相光催化氧化法中的氧化剂相比，能耗低，成本低廉；(4)物质的转化和完全矿化更容易，且产物毒性小。l非均相光催化氧化降解方法的原理与特点1．1非均相光催化氧化的原理非均相光催化氧化法是以N型半导体的能带理论为基础的。半导体(SC)的能带结构由一个充满电子的低能价带(VB)和一个空的高能价带构成，二者之间的区域称为禁带。当光子被大于禁带能量的光激发，光子便激发电子从价带跃迁到导带(CB)，离开一个称为空穴的电子空隙。在价带上，禁带能量是需要激活电子的最少能量，从而在半导体表面产生了具有高度活性的空穴／电子对。以二氧化钛为例：TiO的带隙能为3．2×10。J]，相当于波长为387．5nm光子的能量。当TiO。受到波长小于387．5nm的紫外光照射时，价带上的电子便跃迁到导带上，形成空穴／电子对。表达式如下：TiO2+h(光能)一TiO2(e一，h)式中：e一一导带电子；h一一空穴。所产生的电子则与吸附在TiO颗粒表面的OH～和H0中的分子氧化成·OH自由基。表达式如下：Tj。_+0H一+h1。一Ti”OH·收稿日期：2006—05—2O作者简介：陈华(1981一)，女，陕西蒲城人，长安大学环境科学与工程学院环境工程系2004级在读硕士研究生，研究方向为水污染控制。E-mail：chenhua0714@sohu．corn维普资讯http://www.cqvip.com·46·化学工业与工程技术2006年第27卷第5期Ti”+H2O+h一Ti()H·+H·OH自由基很强的氧化能力使有机物得以转化，另外，有些有机物还可以直接被空穴氧化。1．2非均相光催化氧化法的特点1．2．1氧化能力强表1给出了与污染物分解过程有关的自由基的氧化还原电势。表1常见自由基、氧化剂的氧化还原电位由表1可见，羟基自由基是一种极强的化学氧化剂，其氧化能力比一般的氧化剂和自由基要强。1．2．2多因素作用a)羟基自由基。非均相光催化氧化法处理有机物的主要因素是羟基自由基，这一点已被许多研究工作者证实[。b)空穴。空穴在降解过程中也起到一定的作用_8叫。一般在不同的情形下，空穴与·OH能同时起作用。最近Ishibashi和Fujishima等通过研究测定反应过程中的HO·和空穴的量子产率，推测其在反应过程中所起的作用¨]。结果表明，HO·的产率是7x10_，空穴的产率为517x10，而一般的光催化反应其量子效率在～10数量级。这一结果说明，空穴是光催化反应的主要物质，但目前还没有更多的研究结果来支持这一观