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光催化纳米材料在工业废水处理中的应用

发布日期:2021-8-17 15:47:06

国内在发展工业的同时,缺乏相应的污染处理设施,工业废水的排放导致水域环境污染。据统计近两年间,辽河流域从轻度污染到中度污染; 地下水中检测到锰、铁等金属,还有 “三氮”、硫酸盐、氟化物、氯化物等,部分地区砷、六价铬、 铅、汞等重( 类) 金属严重超标; 部分湖泊( 水库) 总磷、化学需氧量和高锰酸盐指数超标。


废水处理


水环境的污染主要来自于人类活动中工业废水的排放。工业废水中的污染物不仅有大量有 机污染物、无机污染物、重金属离子,还有少量的油脂类化合 物、耗氧污染物、富营养化污染物,对水体的危害最大。 传统工业污水的处理方式为分离法和转化法,在实际应用中的处理效果不是很理想,对于工业废水的难降解污染物需要一种 高效快捷的处理方法。

纳米技术在 20 世纪 70 年代出现后,应用于各个领域。在 诸多纳米材料中,光催化纳米材料因其去除废水时环保安全、 重复利用性高、经济高效,被广泛关注。本文阐述了光催 化降解废水的原理,以及近年来光催化纳米材料处理各种工业废水的应用研究,并对开发更多高效的纳米光催化材料的研究进行探讨。

1 光催化纳米材料的光催化降解原理

光催化技术是一项高效清洁、环保节能的一项污染处理技 术。其基本原理是当能量大于半导体光催化剂禁带宽度的光 照射时,进入半导体氧化物层的光导致电子从价带( VB) 向导 带( CB) 移动,电子跃迁到导带,形成导带电子,同时在价带产 生空穴,在半导体氧化物的表面形成高活性的电子-空穴对。激发电子与氧分子反应形成超氧阴离子,·O2-与 H+ 迅速反应,最终产生羟基自由基,空穴可以使附着在催化剂表 面的氢氧根和水分生成高活性的羟基自由基。羟基自由基的氧 化电位极高,所以氧化能力极强,与废水中污染物快速发生链 式化学反应,降解和转化污染物为无害物质。

然而,许多半导体光催化剂普遍存在催化效率低、光致腐 蚀、太阳能利用率低等问题,限制了光催化技术的发展。金 属氧化物在纳米级的比表面积与粒径的比值比它们的正常水平高,颗粒的表面积随着粒径的减小而增大,纳米颗粒表现出不同于微观颗粒所表现出的性质的光学性质。半导体光催化剂的比表面积受其粒径的影响,由于较小的颗粒具有较大的比表 面积,纳米材料可以获得较高的活性中心密度和大的比表面积,提高半导体材料的光催化活性和改善其光学性质有助于提 高光催化效率。

此外,由于量子效应,当纳米颗粒的尺寸小 于或相当于激子直径时,带隙取决于粒子的尺寸,可改善电子- 空穴对的分离,使光催化反应有效连续的进行。在此基础之 上,研究人员开发了光催化纳米材料,使得污水中的难降解污 染物高效快速地催化氧化,使其分解成对环境低毒甚至无毒的 产物。

2 光催化纳米材料的工业废水处理

化工园区是世界化学工业发展的共同特征,化学生产的密 集地理集群,使得化工产业排放的废水自然给当地环境带来很 高的环境和安全风险。工业废水的成分极其复杂,不仅富含 有机污染物、无机污染物和重金属,还有类似抗生素等直接对人体产生危害的药物,多数有剧毒,在生物富集和生物放大的 过程中不断累积。对某地化工废水进行GC/MS分析,发现有42种有机物,包括苯胺类、硝基苯类、甲氧基苯系物、腈、 酚、酸、醇、酯、苯乙烯、壬烷及少量喹啉、吲哚、嘧啶、四氢呋喃等杂环化合物,排放至水环境中对居民身体健康产生威胁。