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    西安除甲醛_西安室內除甲醛_西安新房裝修除甲醛

    最終生成無機小分子物質

    文章出處:西安除甲醛 人氣:發表時間:2020-11-10

    所謂光化學反應,就是只有在光的作用下才能進行的化學反應。該反應中分子吸收光能被激發到高能態,然后電子激發態分子進行化學反應。光化學反應的活化能來源于光子的能量。在太陽能利用中,光電轉換以及光化學轉換一直是光化學研究十分活躍的領域。80年代初,開始研究光化學應用于環境保護,其中光化學降解治理污染尤受重視,包括無催化劑和有催化劑的光化學降解。前者多采用臭氧和過氧化氫等作為氧化劑,在紫外光的照射下使污染物氧化分解;后者又稱光催化降解,一般可分為均相、多相兩種類型。均相光催化降解主要以Fe2+或Fe3+及H2O2為介質,通過光助芬頓(photo-Fenton)反應使污染物得到降解,此類反應能直接利用可見光;多相光催化降解就是在污染體系中投加一定量的光敏半導體材料,同時結合一定能量的光輻射,使光敏半導體在光的照射下激發產生電子空穴對,吸附在半導體上的溶解氧、水分子等與電子空穴作用,產生·OH等氧化性極強的自由基,再通過與污染物之間的羥基加合、取代、電子轉移等使污染物全部或接近全部礦質化,最終生成CO2、H2O及其它離子如NO3-、PO43-、S042-、Cl-等。與無催化劑的光化學降解相比,光催化降解在環境污染治理中的應用研究更為活躍。
    目前有關光催化降解的研究報道中,以應用人工光源的紫外輻射為主,它對分解有機物效果顯著,但費用較高,且需要消耗電能。因此,國內外研究者均提出應開發利用自然光源或自然、人工光源相結合的技術,充分利用清潔的可再生能源,使太陽能利用與環境保護相結合,發揮光催化降解在環境污染治理中的優勢。

    1 光催化降解在環境保護中的應用領域
    (1)空氣中有害物質(主要為有機物)的光催化去除
    近十幾年來,大氣污染引起人們的極大關注。光催化降解能在室溫下利用空氣中的水蒸汽和氧去除污染物,與需要在較高溫度下進行、操作步驟復雜的其它多相催化氧化法比較,具有顯著的優越性。研究發現,在紫外光照射下,以銳態型TiO2為催化劑,空氣中的苯系物、鹵代烷烴、醛、酮、酸等能有效地降解去除。有的研究者建議將光催化大氣凈化材料應用于建筑物外墻表層,可實現大氣凈化與建材功能一體化,具有廣闊的應用前景。
    (2)廢水中有機污染物的光催化降解
    對水體有機污染物的光催化降解研究較為深入。根據已有的研究工作,發現鹵代脂肪烴、鹵代芳烴、有機酸類、硝基芳烴、取代苯胺、多環芳烴、雜環化合物、烴類、酚類、染料、表面活性劑、農藥等都能有效地進行光催化反應,最終生成無機小分子物質,消除其對環境的污染以及對人體健康的危害。對于廢水中濃度高達每升幾千毫克的有機污染物體系,光催化降解均能有效地將污染物降解去除,達到規定的環境標準。
    (3)廢水中重金屬污染物的降解
    光催化降解不僅能用于治理有機污染,而且能還原某些高價的重金屬離子,使之對環境的毒性變小。如對含Cr6+廢水的試驗表明,以濃度為2g/1的WO3/W/Fe2O3的復合光敏半導體為催化劑,用太陽光光照3h,Cr6+濃度由80mg/l降至0.1mg/1,降解率達99.9%。對于復雜的污染體系,如含有無機重金屬離子和有機污染物的污水體系,光催化降解也能將二者同時催化去除。已有的研究發現,在光照條件下,以TiO2為催化劑,Cr6+和對氯苯酚這兩種污染物能分別發生還原、氧化作用,達到光催化凈化。
    (4)飲用水的深度處理
    飲用水水源污染,特別是微量有機物的污染,給自來水行業帶來了嚴重的問題。目前水廠的常規工藝不僅無法去除有機物,而且氯化過程還可能產生對人體健康危害極大的有機氯化合物。迄今為止,國內外飲用水去除有機污染物的技術均不能令人滿意,尤其是有機氯化合物很穩定,難為一般的處理方法所去除。而應用光催化降解法,此類難去除的化合物均能在短時間內得以降解。

    2 光催化降解治理環境污染的關鍵技術
    在環境污染的光催化降解治理中,催化劑的選擇、光催化降解反應器的設計和對降解條件的優化是提高污染物光催化降解效率的關鍵技術。
    (1)光催化降解催化劑的選擇
    半導體粒子是理想的光催化劑,其中TiO2(銳態型)又是目前公認的最有效的半導體催化劑,它的顯著優點是:能有效吸收太陽光譜中的弱紫外輻射部分;氧化還原性較強;在較大pH值范圍內的穩定性強;價廉無毒。但由于TiO2的禁帶寬度為3.2eV,只能吸收波長小于387nm的紫外輻射,因此其吸收光譜只占太陽光譜中很小的一部分,不能充分利用太陽能,另外,TiO2的光量子效率也有待進一步提高。有鑒于此,國內外已從多種途徑進行了TiO2材料的改性研究,包括對TiO2進行煅燒、表面貴金屬淀積、金屬離子摻雜、半導體的光敏化和復合半導體的研制等。摻雜特定金屬離子或光敏化均有可能使催化劑吸收波長延長至可見光范圍。若采用禁帶寬度較小的半導體與TiO2復合,則可能拓展催化劑吸收光譜范圍,如Fe2O3的禁帶寬度為2.2eV,其最大吸收波長可達563nm。近年來又發現納米級TiO2材料的催化效率高于一般半導體材料,中孔分子篩材料由于具有大而規整的孔徑,能加快活性物的擴散,引起了研究者們的極大興趣。
    在實際的污染治理中,TiO2催化劑的存在形式主要有兩種:懸浮式和固定式。懸浮式是采取攪拌的方式使催化劑與污水充分混合,這樣能保持催化劑固有的活性,但又有以下不足:TiO2微小顆粒易流失,細小顆粒與廢水的分離緩慢又昂貴,懸浮粒子對光線的吸收阻擋影響了光的輻照深度。固定式是將TiO2等半導體材料噴涂在多孔玻璃、玻璃纖維、玻璃板或鋼絲網上,使污水流過經固定化的催化劑,并與之作用,以這種形式存在的TiO2不易流失,但催化劑因固定而降低了活性,且運行時需要提高進入反應器的水壓,催化劑還存在易淤塞和難再生的問題。另外,研究催化劑的存在狀態,使之最經濟、有效,是一項重要的課題。
    (2)光催化降解反應器的設計
    設計與制造適宜的反應器,是進行一定規模太陽能光催化降解污染物的重要環節。根據各國經驗,反應器可分為聚光、不聚光兩種類型。
    聚光式反應器:
    在90年代初,開始用于實際污水處理的反應器主體為拋物槽鏡,將能透過紫外光線的玻璃管(如高硼硅玻璃管)置于槽鏡的焦線上,使催化劑TiO2粉末與污染水混合通過玻璃管時降解發生光化學反應。聚光式反應器價格昂貴,技術難度大,且污水處理量亦受到限制。
    非聚光式反應器:
    目前研究應用的非聚光式反應器主要有以下幾種形式:箱式、管式、平板式、凹陷膜式和淺太陽池式等。其中,淺太陽池式尤其適合于在需要進行工業廢水處理的場所建造。如果工業企業已經有用于微生物廢水處理的池式設施,那么淺太陽池可以在進行微生物處理前或處理后與之相連接,以便利用陽光通過光催化氧化進行廢水凈化,有利于光化學技術與生物技術相結合。
    (3)污染物光催化降解條件的優化組合
    為了優化光催化降解條件,提高污染治理效率,防止降解過程中產生有毒有害污染物帶來的二次污染,需要研究有機物的光催化降解機理,確定反應各步驟的反應產物及反應速率常數,考察各種因素對有機物光催化降解速率的影響。
    在考察有機物光催化降解速率時,各種環境污染指標如TOC(總有機碳)、COD(化學需氧量)、BOD(生化需氧量)的變化速率和CO2的釋放速率被用來表征有機物的降解速率。對不同條件下污染物光催化降解速率的研究發現,合適的催化劑投加量不僅能提高污染物的降解效率,而且能提高治理的經濟效益。輻照度越大,光催化降解效率越高,當輻照度小于一個太陽時,有機物的光催化降解速率與輻照度成正相關。適當提高溶解氧濃度能促進有機物的光降解,另外,溶液pH值也是影響光催化降解效率的重要因素。在一定光照條件下,針對一定濃度、一定類型的污染物,催化劑的最適濃度、最易降解的pH值范圍也不一樣。溶液中存在的無機離子大多對有機物的光催化降解起抑制作用。因此,在污水的光催化降解治理中,應根據污水實際的物理化學狀況,優化降解條件。

    3 光催化降解在環境污染治理中的應用前景
    光催化降解在環境污染治理方面的應用尚處于起步階段,而且目前還存在諸多需要研究解決的問題,如:提高半導體催化劑的光催化活性以便分充分利用太陽能,制造價廉、實用、能夠滿足一定規模污水處理的反應裝置,科學地優化光催化降解條件等。但光催化降解法具有可在常溫常壓下進行,可利用太陽能,光敏半導體來源廣泛、價格較低、回收利用技術簡單,污染治理徹底等優點,它在環境污染治理中有廣闊的應用前景。

      摘自 中國新能源網


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