对光催化反应在水处理方面应用的探索

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1、期末论文论文标题：对光催化反应在水处理方面应用的探索课程名称：环境催化学生姓名：学生学号：专业：化学摘要：本文主要针对于光催化反应在水处理的机理、效率影响因素、在水处理方面的应用等方面内容进行简单介绍。光催化反应中最重要的半导体材料是TiO2，故而本篇文章主要针对于TiO2这种半导体材料进行介绍。涉及到对TiO2光催化反应机理以及如何提高TiO2光催化反应效率的简单介绍。光催化反应作为一门发展时间较短的技术，具有很大的开发和研究前景。其在水污染方面的治理，本文主要涉及和生物氧化技术联用实现对难降解有机物的完全处理以及关于光

2、催化反应用于杀菌消毒操作的应用。当然，本篇文章所介绍的内容涉及面较为浅薄狭隘，且在叙述过程中存在语言不清等问题，系因作者水平有限。关键词：光催化反应、TiO2、水处理、应用光催化技术是近40年才出现的水处理技术，因为契合了当今世界亟需有效控制污染的手段之现实，所以得到了迅速的发展。事实上，光催化技术始于1976年John.H.Carry将光催化技术应用于多氯联苯的脱氯反应，由此开始，光催化被用于环境治理并取得了很大成果。而利用光催化技术进行水污染治理有众多优点：①在数小时内即可实现有机污染物的完全氧化；②根据不同的反应体系

3、可以设计相应的高活性廉价催化剂，实现最佳催化；③可用于痕量污染物处理，处理浓度可达到PPB级。近些年来，几种半导体催化剂作为潜在光催化剂已经得到了大量研究，其中包括：CdS，ZnS，ZnO，TiO2，ZrO2，SnO2和WO3等。在这些被研究的半导体中，TiO2是最普遍重要且最有前景的材料。这主要是因为TiO2具有以下一些优点：高稳定性、商业化、具有多种光活性同素异形体、膜或者固体基质可载性、易合成。另外，实现TiO2固载化和利用过渡金属掺杂都会提高TiO2光催化活性。事实上，通过和某些金属氧化物掺杂形成的TiO2混合型氧

4、化物催化剂例如TiO2/In2O3等被证明具有很好的光催化性能。[1]另外，半导体光催化氧化技术与其余水处理技术例如生物氧化法和其它高级化学氧化法相比，具有以下优点：①节能。其以太阳光为辐射能源，将太阳能转化为化学能加以利用，无疑是一种节能技术；②分解效率高且适用范围广。由于其关键中间活性物质为羟基自由基，则其对很多有机物甚至是一些难降解有机化合物都有响应；③稳定性高、耐腐蚀、无毒，且无二次污染，故而其为清洁手段；④对环境要求低，对pH、温度等没有特殊要求。[1]1TiO2半导体光催化反应的机理探讨Pelizzetti等[

5、2]人早于1993年即提出了详尽的TiO2光催化反应具体历程，其提出的具体反应过程如下：氧化半导体粒子的能带结构，一般而言，由较低能级的价带和较高能级的导带构成，价带和导带之间是为禁带。当受到外部能量大于或等于能隙的光激发时，半导体产生电子-空穴对。这些电荷载体既可和材料内部结构相结合，亦可迁移至载体表面，从而在有限时间内向吸附在半导体表面的物质转移溶剂中的电子，使原本不吸收光的物质被活化并被氧化，电子受体通过接受表面电子而被还原。在TiO2的反应过程中，表面发生的最重要的历程之一就是Ti位点的分子氧吸收，在这一过程之中，

6、将O2超氧化成阴离子型自由基超氧根负离子自由基。另外，高活性电荷载体可以氧化表面含羟基基团或是表面键联水分子而成为表面键联羟基自由基活性基团。如此可知，在光催化反应过程中，分子氧物种和水是必不可少的重要介质。通过EPR对羟基中间体和羟基自由基的检测可以发现，羟基自由基，不论是自由形式还是表面键联形式，都可以认为是光催化降解有机物过程中的活性氧化基团。另外，价带空穴对有机物质的直接氧化，限制性空穴和几种其余的光引发活性物种氧化参与对于氧化降解过程也具有重要意义。另外，Harvey等人指出，超氢氧根阴离子自由基，在酸性环境中，

7、会转化成为H2O2，这一物质对于氧化降解过程具有重要意义。H2O2在活性氧物种的产生过程中具有重要意义：①不管是外部加入或是原位形成的H2O2，对于有机化合物的光催化降解均具有重要意义；②当光源中含有较大量的紫外组分（波长范围250-300nm）时，过氧化氢通过对这一波段的光子的吸收可以产生大量的羟基自由基，这些羟基自由基对于有机物降解具有加速作用。在乙醇降解过程中，通过检测H2O2浓度可以证明其在这一过程中的产生和降解过程确实存在。1光催化剂在水处理方面的应用1.1影响TiO2光催化活性的因素电子和空穴的再结合对半导体光

8、催化剂的效率会有不利的影响。事实上，只有光催发载流子的成功俘获并与电子给受体发生相互作用才真正有利于催化过程。而空穴产生之后存在着再结合和上述两个过程。因而，尽可能使得空穴等电荷载体与电子给受体发生作用而不是与电子的再结合对于提高TiO2光催化效率具有重要意义。研究表明，溶液中悬浮TiO2的光催化活性取