TiO2光催化降解有机污染物研究进展.pdf

第38卷第7期
化工技术与开发
Vol38 No.7
2009年7月
Technology &Development of Chemical Industry
Jul.2009
TiO2光催化降解有机污染物硏究进展
张鸱会,王九思,韩迪
兰州交通大学化学与生物工程学院,甘肃兰州730070)
摘要:近年来对光催化降解有机物进行的广泛研究,使得非均相光催化以各种各样的形式出现。目前,在光
催化领域里,TO2起着非常重要的作用,与其它半导体相比,它具有成本低、惰性以及光稳定性的特点。本文综述
了有关在光照射下以TO2对有机污染物催化降解情况的研究进展,闻述了TO2在紫外光和可见光下的光化机
理,并对T2光催化降解有机物的研究前景进行了展望。
关键词;TO2;可见光;有机污染物;光催化
中图分类号:X783
文献标识码:A
文章编号:1671-9905(2009)07-0051-04
难降解有机物在空气和废水中的持续增长,已
严重成胁着人类的健康,引起了人们的高度重视。1光催化作用的基本原理
为了降解这些污染物,研发新型、环境友好型的降解
非均相催化作用原理包括许多反应,例如:有机
方法势在必行。与传统方法不同的是,目前研究主合成、水的分解、光致还原、氢的转移、O218~O216以
要集中在利用高级氧化工艺(AOPs)来降解合成的及氘一烷烃间的同位素转换、重金属的降解、气体污
有机物。高级氧化工艺主要是利用太阳光、化学或染物的去除等。在净化空气和水中污染物的时
其他形式的能量在某种情况下产生活性OH自由候,T2光催化降解是一种可以替代传统方法的有
基-2]。高级氧化工艺最吸引人的特点在于:OH前途的处理技术,因此,它受到了广泛的关注。
自由基几乎无选择地将水中有机物氧化。
光催化作用的最基本原理(光物理和光化学原
在非均相催化过程中,TO2光催化降解水中、理)已经建立,并且许多文献也报道过10-1。催化
空气中的有机污染物已经被证明非常有效]。非剂在不同光照射下作用机理不同,下面就不同光照
均相光催化作用包括在半导体催化剂上的加速光化射的机理进行讨论。
反应。非均相催化剂的一个主要应用是:通过光催1.1TYO2紫外光光催化机制
化氧化(POO)使气相或液相有机污染物部分或全部
TiO2等半导体粒子的能带结构一般由填满电
矿化成小分子无机物质们。尽管光催化降解有机子的价带(VB)和空的高能导带(CB)构成,价带和
物是从部分降解开始的,而“光催化降解”这个术语导带之间存在禁带,当用能量等于或大于禁带宽度
通常涉及到完全的光催化氧化或者光矿化,最终把的光照射到半导体时,价带上的电子(e-)被激发跃
有机物降解成无机小分子:CO2、H1O、NO9-、PO3~迁到导带形成光生电子(e-),在价带上产生空穴
以及卤素离子等[
(ht),并在电场作用下分别迁移到粒子表面。光生
20世纪80年代后期,随着对环境污染控制研电子(e、)易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获,而
究的日益重视,光催化氧化法被应用于气相和液相空穴因具有极强的获取电子的能力而具有很强的氧
中一些难降解污染物的治理研究中,并取得了显著化性,UV下TO2表面的有关反应归纳如下13-141
的效果。根据已有的研究工作6~8,发现卤代脂肪
TO2+hv(UVの→TO2(ea+hn)
烃、鹵代芳烃、有机酸类、硝基芳烃、取代苯胺、多环
TiO2(h)+H1O→TiOの+H+OH
芳烃、杂环化合物、其他烃类、酚类、染料、表面活性
TO2(ha)+OH→TiO+O
(3
剂、农药等都能有效地进行光催化反应,消除其对环
TiO2(ea)+02→TiO2+O2
(4)
境的污染及对人体健康的危害。
O2+H→OH2
(5)
Ong+OH?→降解产物
作者简介;张鹏会(1983-),男,甘肃镇原人,在读硕士研究生
收稿日期:2009-03-02
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化工技术与开发
第38卷
Og+ha→氧化产物
(7)实验条件下甲基橙的脱色率达到70%以上,实验结
Og+ea→还原产物
(8)果较理想。
N. Guetta1等{1?对TO2光催化降解甲基橙的
光源(紫外线
400m以下hv
e: o+e
最佳参数进行了研究,试验表明当TO2质量浓度为
0.8g?L-1、pH=3、染料浓度较低(≤50mg?L-1リ)
导带
吸附
时,采用 Degussa P5(一种商业TO2粉末)为光催
机物
激发什Eg
化剂时甲基橙的降解速率最快。
价带
董振海等[18以纳米TO2为光催化剂,采用自
一氧化钛
分解
Eg=3. 2ev
制的间歇式悬浆体系光催化反应器对活性红K-2BP
h:HO+htーOH+H
染料模拟废水进行光催化降解试验,活性红K-2BP
光催化降解反应最佳催化剂用量为0.4%,最佳pH
1光催化剂作用机理
为6~8,外加H2O2可以提高反应速率,降解过程可
1.2TYO2可见光光催化机制
以用 Langmuir- Hinshelwood方程式描述,并求得反
由于TiO2只能吸收太阳光的不足5%的紫外应速率常数K1=2.1mg-(Lmin)-,平衡吸附常
光,这极大地限制了它的应用范围尤其是在废水净
数K2=0.086Lmg1
化上的应用。如何使TO2对可见光起感光敏化作
俞慧芳?等研究了TO2光催化氧化降解苯酚
用成为人们的研究重点,最常用的方法是对TiO2进
废水工艺过程的影响因素,考察了pH值、苯酚浓
行掺杂或光敏化处理1。可见光光敏氧化反应(也度、催化剂TO2的用量、光照时间、过渡金属离子的
叫光助降解)机制与外光光催化降解有机物机制掺杂等因素对苯酚去除率的影响,结果表明,当苯酚
不同,它是通过激发态的有机物污染物(一般表示为溶液初始浓度为4×10-3g“催化剂的用量为
Og)的电子转移来实现的,O吸收可见光生成1.5×10-3gL、光照时间为3h、pH值为2.1时,
激发态的Og,然后Og*将电子注入TO2的导带降解效果较好,去除率达85%。
(CB)后变成阳离子自由基Org+,再降解生成无毒
陈广春等)采用纳米TO2光催化降解酸性嫩
无害产物1,
黄。当进水浓度为20mg·L'时,通过降解效率的
Ong+hv(Vis)→Org
比较得出反应的最佳条件为:TO2的投加量600
Org"+Tio*"*+Ti0(ea:
(10)
Tio2(e3)+OO"+Ti
mgeL-',pH值为3.56,宜选择紫外光作为光源
(11)
Ong++O2'→降解产物
(12)实验还发现,酸性嫩黄的光催化降解动力学符合
Langmuir-hinshelwood动力学模型,并求得反应速
2TiO2光催化有机污染物
率常数K=0.36mg“(Lmin)-1,表观吸附平衡常
有机物能在水中长期稳定地存留,并通过食物数K=0.0169mg-Lo
Liu21]等报道了TO2光催化降解甲醛,并提出
链富集最后进人人体。它们中的一部分化合物具有了其降解机理如下:
致癌致畸和致突