光催化氧化去除水源水低濃度有機物的應用研究進展

北極星環(huán)保網(wǎng)訊:目前對光催化氧化去除工業(yè)廢水高濃度難降解有機物(如染料)進行了大量研究,但就其去除水源水中低濃度有機污染物的研究較少。本文回顧了光催化氧化技術的發(fā)展過程,介紹了光催化氧化的作用原理,簡要分析了光催化劑及改性研究的主要方向。

認為低濃度有機污染物的難生化降解及成分結構更復雜,對飲水安全造成極大影響,將其分為天然有機污染物(主要為腐殖質)和人工合成有機污染物(包括農(nóng)藥、抗生素等)兩大類,并分別來闡述光催化氧化去除兩大水源水中低濃度有機污染物的研究及應用。

光催化氧化對這類污染物能夠有效去除,且能改善其生化降解性,并已成為去除水源水有機物較有前途的方法,為后續(xù)生物處理提供條件。本文也提出了其存在的一些問題:粉末狀光催化劑難以回收利用,其對光的利用范圍窄,對有機物的降解多為對某一類物質單獨進行的研究,水中的離子對其影響等,并提出仍需進一步開展研究的方向。

水是人類生存和社會經(jīng)濟發(fā)展必不可少的物質。目前,飲用水安全問題越來越受到人們的重視,對城市來講,其飲用水水源多為Ⅰ類、Ⅱ類水,水質相對較好,但對廣大村鎮(zhèn)來講,水源水以Ⅳ類、Ⅴ類水居多,其主要的污染物為有機污染物,對飲水水質造成極大影響。

水中有機污染物絕大部分對人體有急性或慢性、直接或間接的致毒作用,尤其是低濃度有機污染物具有難降解性、生物積累性和致癌、致畸、致突變的“三致”作用,對人體健康有著極大的潛在危害,而靠常規(guī)凈水工藝又很難去除,且在其后期加氯消毒階段往往會產(chǎn)生二次污染,產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物,從而直接威脅飲用者的身體健康[1]。

因此,許多人對含有低濃度有機物的水源水的凈化處理進行了研究,并產(chǎn)生了許多新的技術[2],如強化混凝處理技術、生物預處理技術、生物活性炭深度處理、臭氧活性炭深度處理技術、化學氧化預處理技術、膜處理技術。盡管上述新技術在去除水中低濃度有機物方面彌補了常規(guī)凈水工藝的一些不足,但也存在如下問題:

①強化混凝對水中大分子有機物能有效地去除,但對溶解性小分子有機污染物的去除效果較差[3],尤其對分子量<1000的溶解性有機物幾乎不能去除[4];

②生物處理能有效去除水源水中的小分子可降解有機物、氨氮等,但其受水溫、有機物生化降解性等諸多因素的影響,對低濃度難生物降解的有機物幾乎沒有效果[5];

③臭氧活性炭深度處理能提高原水的可生化性,但臭氧的利用率低,對某些難降解的有機污染物氧化能力有限,且會產(chǎn)生二次污染[6];

④化學氧化預處理能將物質轉化或分解,從而降低其濃度及毒性,但預氯化氧化會產(chǎn)生大量副產(chǎn)物,如高錳酸鉀氧化對有機物氧化不徹底則會產(chǎn)生大量中間產(chǎn)物,臭氧預氧化會增加出水的致突變活性;

⑤膜過濾方法對分子量<1000的有機物的去除率很低[7],同時還存在膜污染、運行成本高及二次污染問題。

由于上述處理新方法所存在的問題,目前眾多研究者將光催化氧化應用于水源水中低濃度有機污染物的凈化進行了大量研究。光催化氧化指光敏劑在光的照射下對物質進行快速氧化的化學反應過程,其對難降解有機物具有良好的快速去除作用。

由于水源水中有機污染物在不同分子量區(qū)間的分布特性不同,各種水處理工藝對于有機物的去除效率相差很大[8],而光催化氧化法技術是在光照和催化劑作用下,能將幾乎所有的有機污染物降解礦化為無機小分子,具有反應條件溫和、操作條件容易控制、無二次污染等優(yōu)點,不僅能去除水源水中的低濃度有機污染物,而且能解決其生化性問題,為其后續(xù)的進一步生物預處理提供條件。本文作者就光催化氧化的原理、催化劑及其選擇、光催化氧化在廢水及水源水中有機物的去除研究進行了詳細的介紹。

1光催化氧化技術的產(chǎn)生與發(fā)展

1.1光催化氧化技術的產(chǎn)生

在20世紀60年代后期,FUJISHIMA等[9]開始研究能進行光反應的氧化物半導體,1972年FUJISHIMA和HONDA[10]在《Nature》上報道了水的光電催化分解作用這一發(fā)現(xiàn):在沒有外部電壓的條件下,當TiO2電極表面被λ<415nm的紫外光照射,水可以通過氧化還原反應被分解,使得光催化氧化水處理的研究開始展開。

最早利用光催化處理水中污染物的是1976年CAREY等[11]以TiO2為光催化劑,研究了多氯聯(lián)苯的脫氯,在光催化降解水中污染物方面進行了開拓性的工作。1977年,FRANK等[12]以半導體粉末包括TiO2、ZnO、CdS、Fe2O3等作催化劑,用氙燈作為光源對水中CN-和SO2-3進行了光降解實驗,并研究了使用二氧化鈦分解水中氰化物的可能性,在TiO2光催化降解有機物方面取得了滿意的效果[13],從此光催化氧化有機物技術的研究工作迅速開展。

1.2光催化氧化的作用原理

光催化半導體材料的能帶是不連續(xù)的,以TiO2為例:在其低能價帶(VB)和高能導帶(CB)之間存在一個3.2eV(相當于387.5nm)的禁帶,當TiO2受到大于或等于禁帶寬度能量的光照射時,處于價帶的電子被激發(fā)而躍遷到導帶,在導帶上的發(fā)生躍遷的電子(e-)與在價帶上留下的相應帶正電的空穴(h+)形成高活性的電子-空穴對,并在電場作用下分離后,電子向粒子表面遷移,為吸附在顆粒表面的O2所俘獲而形成氧化物自由基(˙O等),空穴則將奪取吸附在催化劑表面的氫氧根離子和水的電子,將其氧化成氫氧自由基(˙OH)。

˙O和˙OH都是強氧化劑,對與反應的作用物幾乎無選擇性,它可以使包括生物難以降解的各種有機物通過一系列的氧化反應徹底分解為CO2、H2O等[14]。

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