光催化氧化技術(shù)

光化學(xué)及光催化氧化法是研究較多的一項(xiàng)高級氧化技術(shù)。所謂光催化反應(yīng)，就是在光的作用下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。光化學(xué)反應(yīng)需要分子吸收特定波長的電磁輻射，受激產(chǎn)生分子激發(fā)態(tài)，然后會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的物質(zhì)，或者變成引發(fā)熱反應(yīng)的中間化學(xué)產(chǎn)物。光化學(xué)反應(yīng)的活化能來源于光子的能量，在太陽能的利用中光電轉(zhuǎn)化以及光化學(xué)轉(zhuǎn)化一直是十分活躍的研究領(lǐng)域。

光催化氧化技術(shù)利用光激發(fā)氧化將O2、H2O2等氧化劑與光輻射相結(jié)合。所用光主要為紫外光，包括uv-H2O2、uv-O2等工藝，可以用于處理污水中CCl4、多氯聯(lián)苯等難降解物質(zhì)。另外，在有紫外光的Fenton體系中，紫外光與鐵離子之間存在著協(xié)同效應(yīng)，使H2O2分解產(chǎn)生羥基自由基的速率大大加快，促進(jìn)有機(jī)物的氧化去除。

原理

當(dāng)能量高于半導(dǎo)體禁帶寬度的光子照射半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體的價(jià)帶電子發(fā)生帶間躍遷，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生帶正電荷的光致空穴和帶負(fù)電荷的光生電子。光致空穴的強(qiáng)氧化能力和光生電子的還原能力導(dǎo)致半導(dǎo)體光催化劑引發(fā)一系列光催化反應(yīng)的發(fā)生。

半導(dǎo)體光催化氧化的羥基自由基反應(yīng)機(jī)理，得到大多數(shù)學(xué)者的認(rèn)同。即當(dāng)TiO2等半導(dǎo)體粒子與水接觸時(shí)，半導(dǎo)體表面產(chǎn)生高密度的羥基。由于羥基的氧化電位在半導(dǎo)體的價(jià)帶位置以上，而且又是表面高密度的物種，因此光照射半導(dǎo)體表面產(chǎn)生的空穴首先被表面羥基捕獲，產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的羥基自由基。

光催化氧化技術(shù)是在光化學(xué)氧化技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。光化學(xué)氧化技術(shù)是在可見光或紫外光作用下使有機(jī)污染物氧化降解的反應(yīng)過程。但由于反應(yīng)條件所限，光化學(xué)氧化降解往往不夠徹底，易產(chǎn)生多種芳香族有機(jī)中間體，成為光化學(xué)氧化需要克服的問題，而通過和光催化氧化劑的結(jié)合，可以大大提高光化學(xué)氧的效率。

根據(jù)光催化氧化劑使用的不同，可以分為均相光催化氧化和非均相光催化氧化。

均相光催化降解是以Fe2+或Fe3+及H2O2為介質(zhì)，通過光助 - 芬頓反應(yīng)產(chǎn)生羥基自由基使污染物得到降解。紫外光線可以提高氧化反應(yīng)的效果，是一種有效的催化劑。紫外/臭氧(UV/03)組合是通過加速臭氧分解速率，提高羥基自由基的生成速度，并促使有機(jī)物形成大量活化分子，來提高難降解有機(jī)污染物的處理效率。

非均相光催化降解是利用光照射某些具有能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光催化劑如TiO2、ZnO、CdS、WO3、SrTiO3、Fe2O3等，可誘發(fā)產(chǎn)生羥基自由基。在水溶液中，水分子在半導(dǎo)體光催化劑的作用下，產(chǎn)生氧化能力極強(qiáng)的羥基自由基，可以氧化分解各種有機(jī)物。把這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于POPs的處理，可以取得良好的效果，但是并不是所有的半導(dǎo)體材料都可以用作這項(xiàng)技術(shù)的催化劑，比如CdS是一種高活性的半導(dǎo)體光催化劑，但是它容易發(fā)生光陽極腐蝕，在實(shí)際處理技術(shù)中不太實(shí)用。而TiO2可使用的波長最高可達(dá)387.5nm，價(jià)格便宜，多數(shù)條件下不溶解，耐光，無毒性，因此TiO2得到了廣泛的應(yīng)用。