摘要：光催化氧化是一种新型的污染物处理技术。与传统处理技术相比，在处理难降解有机物、微污染有机物、饮用水、大气等方面具有很大的优势。本文介绍了光催化氧化技术的作用机理、常用的催化剂TiO2特点，探讨了光催化氧化技术在废水和室内空气中的应用及研究进展。
关键词：污染物处理；光催化氧化；技术运用；TiO2
引言
光催化氧化是一种目前新型的污染物处理技术。光催化氧化技术具有反应条件温和（一般在常规条件下即可实现）、能耗低（可利用太阳能作为光源）、操作简便等优点。与传统的水处理工艺相比，在难降解的污染物处理方面有很大优势。
1光催化氧化机理
光催化氧化机理目前研究并不完善，一般认为光催化氧化法是以紫外光、模拟太阳光或者自然光等光源，以半导体材料TiO2、ZnO、WO3等作为催化剂，一般认为，光催化反应的原理可以用半导体能带理论来解释。这些半导体的能带结构一般由充满电子的价带和充满空穴的高能导电带组成。禁带直接存在于带隙和导带中。当被等于或大于带隙的光辐照时，价带表面的电子被激发跃迁到导带上形成光生电子，而在价带上就会产生光生空穴，这样就在半导体的内部形成电子空穴对，在电场作用下或者扩散的方式运动，会使得电子空穴对迁移到粒子的表面。空穴因具有极强的氧化性，可将其表面吸附的有机物或者催化剂或OH-及H2O分子氧化成羟基自由基-OH，-OH生成会立即与有机化合物发生反应，反应时消耗·OH而有机物被氧化而矿化，随之被分解，应用在水体和空气中即可使水和空气得到净化。
2 TiO2光催化剂的特点
TiO2是一种常见的催化剂，在众多的光催化剂中，是目前认为的最有效的半导体材料有锐钛矿型、金红石型和板钛矿型３种，一般同样条件下锐钛矿型催化活性是最好的。其化学稳定性高，氧化还原性强，且耐酸碱和光化学腐蚀，对太阳光紫外光部分能加以利用，便宜而且无毒。由于以上特点在光催化反应中一般多用作为TiO2催化剂，一般能够达到很好的效果。但是由于TiO2能够吸收的波长范围较窄，光吸收阈值小于400nm，对太阳光的利用率不算高，所以针对于此对TiO2的改性进行了一些研究，主要有：①通过使不同禁带宽度的半导体材料的复合提高电荷的分散效果，从而扩大吸收波长，②掺杂金属离子，用来捕获导带中的电子。
3 光催化氧化技术在废水中的应用
3.1 焦化废水
焦化废水是煤高温蒸馏、煤气净化、副产品回收和净化过程中产生的一种工业有机废水，是一种难降解的工业废水具有组成复杂、杂质浓度高、高毒性等特点。肖俊霞等，研究发现以TiO2为氧化剂光催化氧化降解焦化废水外排水，TiO2投加量4g/L，不改变溶液PH值的条件下，反应3h，TOC的去除率可达53.40％，有机物种类由66种下降至23种。
3.2 农药废水
农药废水一般成分复杂、难降解、且含有大量的无机盐，一般农药废水的水质水量变化大。蒋裕平等研究发现，通过对水体中的TOC、BOD5、石油类物质的含量进行光催化氧化降解反应发现，控制农药废水PH值为9，铁碳比为1：1，催化剂TiO2的投加量为1g/L时，处理农药废水效果最好。施帆君等研究发现，用TiO2光催化氧化法处理农药废水，以CODCr的去除率处理效果作为研究对象，发现在PH值为9，反应时间120min，TiO2投加量为2.64g/L时达到最好处理效果。
3.3 染料废水
印染废水是印染工业生产过程中染料的流失占全部染料总产量的约15%和各工序的废水混合而成，有排放量大、有机物浓度高、水质不均匀等特点，是工业废水中的主要来源之一。吴兆美等，用掺硼氧化银为氧化剂在可见光下，光催化氧化降解甲基橙及印染废水混合物，发现可在120s内实现甲基橙完全降解，PH值为5~10，印染废水混合物在25min内可完全降解。王智用光催化氧化法用含有柠檬酸铁的水溶液降解结晶紫，可以利用太阳能光解过程使得COD去除率达到85%以上的。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆孙广垠等在PH值为6.0，光照时间120min，H2O2投加量未3.0mmol/L，以TiO2为催化剂投加量0.5g/L的条件下，采用光催化氧化降解印染废水发现COD和色度去除率分别为76.8%和89%。
3.4 造纸废水
造纸废水是一种含有大量的纤维素、木质素、松香酸等难降解有机物，可生化性差，污染物浓度高，COD含量高，排放量大的一种废水。韩沛等研究发现，用溶胶－凝胶法制备纳米TiO2为催化剂用量10g/L，光照反应时间1h，造纸废水的COD和色度的去除率分别在70%和75%以上，深度处理麦草造纸废水，可达标排放。高治国等研究发现，用经过双元素（Fe和Ce）掺杂改性的催化剂TiO2，对光的利用率高于未掺杂的催化剂，在用其处理造纸废水经过180min，脱色率和 CODCr 的去除率分别在90%和83%以上。
4 光催化氧化技术在室内空气中的应用
人类活动的范围，大多在室内，室内空气质量问题直接关系到人体健康，在这种情况下利用光催化氧化技术，将有毒有害的室内空气污染物转化为无污染物质，可以保证人类生活环境的安全与健康，从而达到科学服务人类要求。
4.1 室内空气问题及产生原因
室内空气不仅包括生活空间，还包括工作空间、功能场所和车辆空间内。这些地方是人们长期聚集的地方。因此，室内空气质量对人们的社会活动和身体状况有很大的影响。室内气态污染物有以下几种
（1）甲醛。甲醛是一种无色强烈性刺激的气体，来源于装修材料中
（2）挥发性有机化合物。挥发性有机化合物存在于油漆、粘合剂、装饰材料、洗涤剂、建筑材料和人造纤维中。
（3）苯系物。苯系物包含苯、甲苯、二甲苯等气体，无色气味芬芳，来源于装修所使用的油漆
（4）氨。与空气相比，氨是质量轻的、无色的、有臭味的、刺激性很强的气体。其主要来源是混凝土添加剂、室内装饰材料和用于室内施工的漂白剂。
（5）氡。氡是一种放射性气体，无色无味，不易察觉，但在大气中普遍存在。室内氡的污染来源有多种，如建筑工程地基和周围土壤、室内装饰材料、天然气的燃烧和释放等。
这些气态污染物都对人体的皮肤、呼吸道和神经系统有很大的伤害。
4.2 光催化氧化技术实现室内空气净化的办法
光催化氧化技术将空气中的有害物质与催化剂分解的有机物通过释放催化剂相结合。组合有机物经氧化分解为二氧化碳、水等离子，再辅以吸附手段，处理后可提高室内空气安全性。采用光催化氧化技术处理室内空气污染效率高，成本分摊后经济效益较好，不考虑技术实施后化学结合物的二次处理，是一种环境友好的方法。室内空气净化方法包括污染物转移法和污染物去除法。污染物转移法是指利用风和具有吸附性能的附剂将空气中的污染物转移到其他地方。降低室内空气污染物的含量，达到净化的目的。另一种方法更为彻底，即通过对有害污染物的降解、分解或氧化，使污染物完全从源头上消除。光催化氧化技术属于第二种污染物处理方法。其在室内空气净化中的应用主要是通过光催化空气净化器的发明和使用来实现的。光催化空气净化器主要由光催化载体、光催化氧化反应中的光源和吸排气系统三部分组成。其工作原理是吸收室内含有污染物的空气，在机器中，二氧化钛光催化剂从载体中喷射出来，与空气中的有毒物质结合，在光源照射下完成光催化氧化反应，然后从吸排气系统排出。这样几个轮回室内空气污染问题得到彻底解决。
5 总结：
光催化氧化技术是一种高效、节能、无二次污染的新型的污染物处理技术，但目前对其机理的研究并不完善还有待进一步的研究证明。在最常用的催化剂TiO2的应用中发现，为了尽可能的利用太阳光，需扩大其波长的吸收范围，需要进一步对TiO2的改性寻找更经济、合成更便利、利用率越高、降解效果越好的改性催化剂。
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论文作者:黄月盈
论文发表刊物:《防护工程》2019年8期
论文发表时间:2019/7/30
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