光催化氧化去除水源水低浓度有机物的应用研究进展

北极星环保网讯:目前对光催化氧化去除工业废水高浓度难降解有机物(如染料)进行了大量研究,但就其去除水源水中低浓度有机污染物的研究较少。本文回顾了光催化氧化技术的发展过程,介绍了光催化氧化的作用原理,简要分析了光催化剂及改性研究的主要方向。

认为低浓度有机污染物的难生化降解及成分结构更复杂,对饮水安全造成极大影响,将其分为天然有机污染物(主要为腐殖质)和人工合成有机污染物(包括农药、抗生素等)两大类,并分别来阐述光催化氧化去除两大水源水中低浓度有机污染物的研究及应用。

光催化氧化对这类污染物能够有效去除,且能改善其生化降解性,并已成为去除水源水有机物较有前途的方法,为后续生物处理提供条件。本文也提出了其存在的一些问题:粉末状光催化剂难以回收利用,其对光的利用范围窄,对有机物的降解多为对某一类物质单独进行的研究,水中的离子对其影响等,并提出仍需进一步开展研究的方向。

水是人类生存和社会经济发展必不可少的物质。目前,饮用水安全问题越来越受到人们的重视,对城市来讲,其饮用水水源多为Ⅰ类、Ⅱ类水,水质相对较好,但对广大村镇来讲,水源水以Ⅳ类、Ⅴ类水居多,其主要的污染物为有机污染物,对饮水水质造成极大影响。

水中有机污染物绝大部分对人体有急性或慢性、直接或间接的致毒作用,尤其是低浓度有机污染物具有难降解性、生物积累性和致癌、致畸、致突变的“三致”作用,对人体健康有着极大的潜在危害,而靠常规净水工艺又很难去除,且在其后期加氯消毒阶段往往会产生二次污染,产生消毒副产物,从而直接威胁饮用者的身体健康[1]。

因此,许多人对含有低浓度有机物的水源水的净化处理进行了研究,并产生了许多新的技术[2],如强化混凝处理技术、生物预处理技术、生物活性炭深度处理、臭氧活性炭深度处理技术、化学氧化预处理技术、膜处理技术。尽管上述新技术在去除水中低浓度有机物方面弥补了常规净水工艺的一些不足,但也存在如下问题:

①强化混凝对水中大分子有机物能有效地去除,但对溶解性小分子有机污染物的去除效果较差[3],尤其对分子量<1000的溶解性有机物几乎不能去除[4];

②生物处理能有效去除水源水中的小分子可降解有机物、氨氮等,但其受水温、有机物生化降解性等诸多因素的影响,对低浓度难生物降解的有机物几乎没有效果[5];

③臭氧活性炭深度处理能提高原水的可生化性,但臭氧的利用率低,对某些难降解的有机污染物氧化能力有限,且会产生二次污染[6];

④化学氧化预处理能将物质转化或分解,从而降低其浓度及毒性,但预氯化氧化会产生大量副产物,如高锰酸钾氧化对有机物氧化不彻底则会产生大量中间产物,臭氧预氧化会增加出水的致突变活性;

⑤膜过滤方法对分子量<1000的有机物的去除率很低[7],同时还存在膜污染、运行成本高及二次污染问题。

由于上述处理新方法所存在的问题,目前众多研究者将光催化氧化应用于水源水中低浓度有机污染物的净化进行了大量研究。光催化氧化指光敏剂在光的照射下对物质进行快速氧化的化学反应过程,其对难降解有机物具有良好的快速去除作用。

由于水源水中有机污染物在不同分子量区间的分布特性不同,各种水处理工艺对于有机物的去除效率相差很大[8],而光催化氧化法技术是在光照和催化剂作用下,能将几乎所有的有机污染物降解矿化为无机小分子,具有反应条件温和、操作条件容易控制、无二次污染等优点,不仅能去除水源水中的低浓度有机污染物,而且能解决其生化性问题,为其后续的进一步生物预处理提供条件。本文作者就光催化氧化的原理、催化剂及其选择、光催化氧化在废水及水源水中有机物的去除研究进行了详细的介绍。

1光催化氧化技术的产生与发展

1.1光催化氧化技术的产生

在20世纪60年代后期,FUJISHIMA等[9]开始研究能进行光反应的氧化物半导体,1972年FUJISHIMA和HONDA[10]在《Nature》上报道了水的光电催化分解作用这一发现:在没有外部电压的条件下,当TiO2电极表面被λ<415nm的紫外光照射,水可以通过氧化还原反应被分解,使得光催化氧化水处理的研究开始展开。

最早利用光催化处理水中污染物的是1976年CAREY等[11]以TiO2为光催化剂,研究了多氯联苯的脱氯,在光催化降解水中污染物方面进行了开拓性的工作。1977年,FRANK等[12]以半导体粉末包括TiO2、ZnO、CdS、Fe2O3等作催化剂,用氙灯作为光源对水中CN-和SO2-3进行了光降解实验,并研究了使用二氧化钛分解水中氰化物的可能性,在TiO2光催化降解有机物方面取得了满意的效果[13],从此光催化氧化有机物技术的研究工作迅速开展。

1.2光催化氧化的作用原理

光催化半导体材料的能带是不连续的,以TiO2为例:在其低能价带(VB)和高能导带(CB)之间存在一个3.2eV(相当于387.5nm)的禁带,当TiO2受到大于或等于禁带宽度能量的光照射时,处于价带的电子被激发而跃迁到导带,在导带上的发生跃迁的电子(e-)与在价带上留下的相应带正电的空穴(h+)形成高活性的电子-空穴对,并在电场作用下分离后,电子向粒子表面迁移,为吸附在颗粒表面的O2所俘获而形成氧化物自由基(˙O等),空穴则将夺取吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水的电子,将其氧化成氢氧自由基(˙OH)。

˙O和˙OH都是强氧化剂,对与反应的作用物几乎无选择性,它可以使包括生物难以降解的各种有机物通过一系列的氧化反应彻底分解为CO2、H2O等[14]。

延伸阅读：

二氧化钛光催化氧化处理炼油废水概述

【包治百病】阐述多种污水处理中的光催化技术

高浓度有机废水主要处理技术汇总

注意：MVR蒸发含盐有机废水过程中沸点升高