光催化材料在環(huán)境保護中的應(yīng)用

光催化材料在環(huán)境保護中的應(yīng)用譚強150110115摘要：光催化材料對于環(huán)境的保護有著深遠的意義，近幾年來，光催化降解污染物發(fā)展成為了一種節(jié)能、高效的綠色環(huán)保新技術(shù)。綜述了光催化材料的反應(yīng)機理和種類，闡述了影響光催化反應(yīng)的條件和提高反應(yīng)的效率等問題以及其在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用，并提出了其今后的發(fā)展方向和前景的展望。同時又介紹了光催化材料的特點及發(fā)展歷程，對光催化納米材料在處理水污染、治理大氣污染、控制噪聲污染等方面的應(yīng)用進行了綜合性的評述。作為新功能材料，它也存在著一些局限性，例如：催化效率不高，催化劑產(chǎn)量不高，部分催化劑中含有有害重金屬離子可能存在污染現(xiàn)象。但是我們也應(yīng)當看到它隱含的巨大發(fā)展?jié)摿褪袌隼脙r值，作為處理環(huán)境污染的一種方式，它憑借零二次污染，能源消耗為零，自發(fā)進行無需監(jiān)控等一些優(yōu)勢必將居于污染控制的鰲頭。關(guān)鍵字：光催化材料應(yīng)用催化效率環(huán)境保護引言光催化是半導體材料的獨特性能之一，主要應(yīng)用于環(huán)境保護方面。光催化材料是指通過該材料、在光的作用下發(fā)生的光化學反應(yīng)所需的催化劑，世界上能作為光催化材料的有很多，包括二氧化鈦、氧化鋅、氧化錫、二氧化鋯、硫化鎘等多種氧化物硫化物半導體，其中二氧化鈦 (TitaniumDioxide)因其氧化能力強，化學性質(zhì)穩(wěn)定無毒，成為世界上最當紅的納米光觸媒材料。 1972年Fujishima等人發(fā)現(xiàn)了TiO2微粒經(jīng)過光的照射能使水發(fā)生氧化還原反應(yīng)并生成氫氣，是光催化反應(yīng)研究的開始。特別是在近年來由于日益嚴重的污染狀況，有機物的光催化降解研究受到了非常大的重視。經(jīng)過了近 30年來的研究，特別是對光催化降解有機污染物的研究，使光催化在環(huán)境保護方面取得了比較大的進展。由于經(jīng)濟的發(fā)展迅速，造成了環(huán)境的很大污染，迫使人們不斷尋求方便快捷的處理污染的方法。通過不斷研究，已發(fā)現(xiàn)有3000多種難降解的有機化合物可以在紫外線的照射下通過納米TiO來迅速降解。特別是在水中有機污染物濃度較低或者用其它方法很難降解時，該技術(shù)就更顯示出其更明顯的優(yōu)勢和價值。光催化材料的反應(yīng)機理半導體粒子的能帶結(jié)構(gòu)通常是由一個低能的價帶和高能的導帶構(gòu)成的 價帶和導帶之間成為禁帶。相比較于金屬，半導體粒子的能帶之間是不連續(xù)的，一般來說半導體的禁帶寬度小于30丫。當用能量大于或等于禁帶寬度的紫外光照射半導體，于是形成時，會產(chǎn)生電子躍遷，價帶電子被激發(fā)而越過禁帶進入導帶，于是形成化學反應(yīng)。根據(jù)Richard等用紅外光譜等已經(jīng)證明生成的羥基就是光催化氧化反應(yīng)的關(guān)鍵，因此半導體光催化作用機理反應(yīng)如下半導體光催化劑+hvih++eh++OH"—OHh++H2O—OH+He- +O2—0?-02-+H+—H02?2HO2—O2+H2O2H2O2+O2— OH+OH_+O2其中的?OH的氧化能力比較強，能對大部分有機污染物進行氧化分解，最終將其降解為CC2、HO等無害物質(zhì)。?OH自由基有402.8MJ/mol反應(yīng)能，可以對有機物中存在的C—C、C-H、C-ON-H鍵進行破壞，它具有高效的分解有機物的能力。因此光催化材料具有殺菌、除臭、光催化降解有機污染物等特性。由此可見它對環(huán)境的保護有很大的開發(fā)價值。光催化材料的種類當前作為光觸媒的材料眾多，包括二氧化鈦 (TiO2)，氧化鋅(ZnO),氧化錫(SnQ),二氧化鋯(ZrO2)，硫化鎘(CdS)等多種氧化物硫化物半導體，其中二氧化鈦(TitaniumDioxide) 因其氧化能力強，化學性質(zhì)穩(wěn)定無毒，而且 實驗研究表明,TiO2至少可以經(jīng)歷12次的重復(fù)使用而依舊保持光分解效率基本不變 ，連續(xù)580min光照下還保持其光潔性，因此其有著廣闊的應(yīng)用前景，成為世界上最當紅的納米光觸媒材料。TiO2結(jié)構(gòu)及特點二氧化鈦，化學式為TiO2,俗稱鈦白粉，多用于光觸媒、化妝品，能靠紫外線消毒及殺菌，現(xiàn)正廣泛開發(fā)，將來有機會成為新工業(yè)。由于原子的排列方式不同，二氧化鈦共有三種結(jié)構(gòu)形式，即金紅石結(jié)構(gòu)、板鈦礦結(jié)構(gòu)及銳鈦礦結(jié)構(gòu)。由于結(jié)構(gòu)不同，其性質(zhì)自然也不相同，板鈦礦在自然界中很稀有，性質(zhì)也很不穩(wěn)定，是一種亞穩(wěn)相，因此極少被應(yīng)用。現(xiàn)研究的大多是銳鈦礦和金紅石結(jié)構(gòu)，其中以銳鈦礦結(jié)構(gòu)的催化活性最高。銳鈦礦的結(jié)構(gòu)不如金紅石穩(wěn)定，表面對 02的吸附能力比較強，電子空穴的復(fù)合率比金紅石要慢，因此光催化能力比金紅石強。實驗表明Ti02在600C時由銳鈦礦型轉(zhuǎn)化成金紅石型，而按照一定的比例共存的銳鈦礦和金紅石型混晶催化活性高于兩者。因此可通過控制轉(zhuǎn)變溫度 ，可以得到最佳的復(fù)配晶型，取得較高的光催化性能。光催化材料在環(huán)境保護中的應(yīng)用在污水處理方面的應(yīng)用污水中通常都含有細菌病毒、懸浮物、泥沙、鐵銹等污染物。傳統(tǒng)的污水處理方法僅能處理一些濃度較低的污染物，而對濃度較高且難以轉(zhuǎn)化的污染物的凈化存在成本高、效率低、產(chǎn)生二次污染等問題，有時甚至無法處理，為此光催化納米技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用很可能徹底解決這一難題，使一些難降解的污染物轉(zhuǎn)化為H0和C02等對環(huán)境無害的化合物。工業(yè)廢水的處理大量研究表明，光催化納米技術(shù)能將工業(yè)廢水中存在的絕大多數(shù)的有機物轉(zhuǎn)化為無機物。以太陽光為光源，可將氯仿、四氯化碳、氯代苯酚、氟里昂及有機染料等有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為H2O和CQ等無害物質(zhì)。同樣，納米TiO2可使水溶性染料發(fā)生催化降解反應(yīng)。研究結(jié)果表明，利用納米 TiO2可催化降解廢水中的防治染料堿性紅18，處理后的廢水染料的顏色基本退去， 化學需氧量也大幅度降低，而且處理后的廢水毒性很小，海洋生物在水中的死亡率顯著降低。農(nóng)業(yè)廢水的處理農(nóng)業(yè)廢水中含有的大量的重金屬會對人體產(chǎn)生危害， 同時也會造成資源的浪費。光催化納米材料受激發(fā)后產(chǎn)生的電子和空穴可吸附高氧化態(tài)的 HgPt、Pb等重金屬，利用其產(chǎn)生的電子將重金屬還原為細小的金屬晶體沉積在催化劑的表面。因此，利用納米TiO2的光催化技術(shù)即可減少農(nóng)業(yè)廢水中重金屬的含量，又可對廢水中貴重金屬進行回收利用。利用納米 TiO2所具有的光催化活性及高吸附性能，能將有機磷農(nóng)藥吸附到催化劑的表面，隨著時間的延長，有機磷農(nóng)藥的光解率會隨之增高，可達到有效處理有機磷農(nóng)藥廢水的目的。利用TiO2的光催化性能來處理廢水是一種行之有效的改善環(huán)境的方法。 紡織印染工業(yè)和照相工業(yè)的污染物，大多數(shù)是有毒的，且難以生物降解，近年來已證明可用TiO2光催化降解。工業(yè)有毒溶劑，化學殺蟲劑，木材防腐劑、染料等，如鹵代烴、有機酸類、苯的衍生物、烴類、酚類、表面活性劑等也可被 TiO2光催化降解。在空氣凈化方面的應(yīng)用TiO2作為空氣凈化材料可有效地降解室內(nèi)外有機污染物，氧化除去大氣中氯氧化物、硫化物以及各類臭氣等，還可有效地降解室內(nèi)有害氣體如裝飾材料等放出的甲醛及生活環(huán)境中產(chǎn)生的甲硫醇、硫化氫、氨等。SC2、CO、NO等大氣中有害氣體會嚴重影響人們的身體健康。光催化納米材料可降解低濃度的有害氣體，將超過濾技術(shù)與光催化技術(shù)結(jié)合可以發(fā)展家用空氣凈化機；在物體的表面涂上一層TiO2納米材料，可吸附so:、HS、NO等有害氣體，在光的作用下轉(zhuǎn)化為無害氣體；在納米TiO2中加入WQ，可增加催化劑表面的酸性，可長時間地保持納米TiO2對氟里昂的光催化活性，發(fā)展具有空氣凈化功能和殺菌作用的真正的健康型空調(diào)；納米TiO2在紫外光的照射下還可降解室內(nèi)裝修產(chǎn)生的甲醛和乙醛等有害氣體，但是光催化納米材料僅能處理低濃度污染氣體，對于高濃度的污染物，催化劑的活性會隨著時間的增加而下降，甚至完全失活。4光催化材料的發(fā)展方向和應(yīng)用前景從目前的情況來看，光催化氧化技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿?。但是由于該方法是近十幾年才發(fā)展起來的，許多方面的研究還不是很成熟,故大量的研究只是停留在實驗室階段。其中西方和日本的起步較早，我國是最近幾年才開始重視和開展關(guān)于光催化氧化反應(yīng)的工作。光催化材料的研究趨勢主要集中在以下幾個方面：TiO2和鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料已經(jīng)受到人們越來越多的重視。由于其成本低，催化活性好，有利于工業(yè)化大生產(chǎn)，未來幾年對光催化材料的研究主要集中于此。目前的研究都是用汞燈等作為激發(fā)光源，由于其成本高等原因，故很難實現(xiàn)光催化氧化反應(yīng)的工業(yè)化。利用新的光源 太陽能是研究的關(guān)鍵。但是太陽光中能用于光催化的紫外線能量只占全部能量的3%-5%,如何加寬材料的吸光范圍從而更有效地利用太陽能是今后研究的重點之一。對光催化反應(yīng)加外場的研究是最近幾年才開始的，比如光催化材料在電場、微波、超聲波的作用下光催化能力得到了很大的改善，可以確信，關(guān)于外場的研究有很廣闊的應(yīng)用前景，并成為光催化氧化反應(yīng)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。總結(jié)本文簡單的介紹了光催化劑，催化劑在可見光照射條件下對多種難降解有機

染料廢水有很好的降解作用。與傳統(tǒng)的光催化劑相比，制備工藝簡單，成本較低， 納米級尺寸即有較好的光催化活性，而且可有效利用太陽光降解有機污染物， 因而具有潛在的實際應(yīng)用價值。未來的必將實現(xiàn)大規(guī)模的集成化使用。參考文獻：[1]權(quán)長剛?TiO2及其復(fù)合氧化物的光催化降解污染物的性能研究 .石油學報(石油加工)，2003,19(3):20-26.TOC\o"1-5"\h\z[2]王朋，陳文新，劉應(yīng)亮等.稀土離子摻雜對于TiO2結(jié)構(gòu)和光催化性能的影響 [J].暨南大學學報(自然科學版),2003,24(5):81 ?87.[3]張耀中，孔欣，周岳溪等.光催化降解三類難降解有機工業(yè)廢水的研究 [J].中國給水排水，2003,19(1):5 ?8.[4]張新榮，楊平，趙夢月.附載型復(fù)合光催化劑TiO2?SiO2/beads降解有機磷農(nóng)藥[J].環(huán)境污染與防治，2002,24(4):196 ?198.⑸顧浩飛，安太成，文晟，等。超聲光催化降解苯胺及其衍生物研究 [J].環(huán)境科學學寸艮,2003,23(5):593 ?597.⑹何春，安太成，熊亞，等?三維電極電化學反應(yīng)器對有機廢水的降解研究[J].電化學，2002,8(3):327 ?332.

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