催化材料在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用研究進(jìn)展
環(huán)境問題是人類不能回避的現(xiàn)實(shí)問題，如何消除、減輕或根除由于人類的生產(chǎn)活動(dòng)而產(chǎn)生的一系列有害污染物質(zhì)，是人類面臨的一個(gè)重要課題。以環(huán)境保護(hù)為目的的催化化學(xué)在解決此類問題中起著核心作用。20世紀(jì)90年代后期綠色化學(xué)的興起，為人類解決化學(xué)工業(yè)對(duì)環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供了有效的手段。因此,新型催化材料與催化過程的研究與開發(fā)是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)化學(xué)工藝無害化的主要途徑。本文就環(huán)保催化材料及光催化材料在環(huán)境中應(yīng)用研究進(jìn)展和新型環(huán)保催化材料做簡(jiǎn)單的概述。
一、光催化材料在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用研究
光催化材料主要應(yīng)用于環(huán)境保護(hù), 這種新的污染治理技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、無二次污染、效率高、能耗低等優(yōu)點(diǎn),可產(chǎn)生較大的效益。近幾年,隨著研究的深入, 出現(xiàn)了光催化材料和其它領(lǐng)域的結(jié)合,如光催化劑在抗菌、新能源技術(shù)、自潔陶瓷、建材等方面的應(yīng)用。
1、光催化反應(yīng)體系的研究
目前的光催化研究主要應(yīng)用于降解有機(jī)廢水方面。根據(jù)催化劑的存在形式不同,反應(yīng)體系分為懸浮相體系和固定相體系兩大類。
1.1 懸浮相體系
懸浮相體系就是把光催化材料的顆粒直接加入待處理的溶液中, 通過攪拌使顆粒均勻地懸浮并充分與溶液混合。由于顆粒的比表面積大,光照充分, 與溶液中的被降解物接觸充分, 降解效率高。但由于材料的顆粒細(xì)小,難以回收,對(duì)后期處理有一定困難,所以在實(shí)際中推廣應(yīng)用受限。
1.2 固定相體系
將催化材料制成薄膜或附載于其它材料表面進(jìn)行光催化反應(yīng), 主要是針對(duì)懸浮相體系的分離和回收困難而設(shè)計(jì)的。一般光催化材料的載體有玻璃球、沙粒、陶瓷、硅藻土或反應(yīng)器的內(nèi)表面等。附載后的材料光催化活性降低,但反應(yīng)能連續(xù)進(jìn)行, 操作穩(wěn)定, 無后期回收處理的困難, 有實(shí)際應(yīng)用意義。因此目前主要是研究固定相體系結(jié)構(gòu)。陳士夫等將TiO2 固定在空心玻璃球上降解農(nóng)藥。李素芹等將TiO2 附載于活性炭上, 均取得了良好的光催化效果。目前, 制膜的方法很多,主要有粉體燒結(jié)法、溶膠- 凝膠法、沉積法、浸漬法等,但最常用的是溶膠- 凝膠法。因應(yīng)用溶膠- 凝膠法技術(shù)制備的膜有較高的催化活性, 分布均勻,牢固性好,工藝簡(jiǎn)單,故被廣泛采用。但這種方法也存在膜厚不易控制、附著力差、容易產(chǎn)生龜裂等不足。
2、提高光催化反應(yīng)的條件研究
2. 1 “外場(chǎng)”對(duì)光催化性能的提高
最近已經(jīng)有學(xué)者指出, 如果給光催化氧化反應(yīng)加一個(gè)“外場(chǎng)”,催化效果會(huì)得到很大的提高。
2.1.1 外加電場(chǎng)對(duì)光催化的影響
將兩個(gè)電極置于光催化反應(yīng)器中, 并施加電壓,實(shí)驗(yàn)證明光催化效率得到明顯提高。隨著電壓的增大,光催化效率提高。但電壓也不是無限地增大,而是存在一最佳值。它與光催化劑的種類和被降解的有機(jī)物有關(guān)。電場(chǎng)促進(jìn)光催化反應(yīng)的原因是由于施加電壓減少了光催化過程中電子與空穴的復(fù)合,從而提高了反應(yīng)效率。Vinodgopal 等在導(dǎo)電玻璃上制備了耦合的SnO2/TiO2 薄膜,在光催化反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)施加一定的正向偏壓后, 薄膜的光催化活性提高了十倍。何春等用三維電極電化學(xué)反應(yīng)器處理有機(jī)廢水。結(jié)果表明, 外加電壓10V時(shí),苯胺去除率接近最大值,明顯優(yōu)于不加電壓的降解率, 提了廢水的電解效率和處理量。吳合進(jìn)等研究EEPAC(光電組合催化或增強(qiáng)型電場(chǎng)協(xié)助光催化) 發(fā)現(xiàn)苯酚的降解率為82.8 % ,而普通的光催化降解率僅為33.6 %。
2.1.2 外加微波場(chǎng)對(duì)光催化的影響
李旦振等研究發(fā)現(xiàn)微波場(chǎng)內(nèi)的光催化反應(yīng)得到加強(qiáng)。微波使光催化體系迅速升溫,十分有利于膠體粒子的形核和成長, 改變了催化材料的結(jié)構(gòu),促進(jìn)光催化材料表面的光的吸收,提高了光催化材料的光激發(fā)電子躍遷的幾率。同時(shí)使羥基生成游離基,羥基有很強(qiáng)的氧化性能,從而提高了光催化反應(yīng)的催化效率。
2.1.3 超聲波場(chǎng)對(duì)光催化的影響
因光催化氧化反應(yīng)中催化材料容易產(chǎn)生團(tuán)聚效應(yīng),因而影響了其催化性能,安太成等研究了超聲波場(chǎng)下的TiO2 光催化活性艷橙水和苯胺及其衍生物的反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明, 在超聲波場(chǎng)的條件下,艷橙水脫色率達(dá)到了97.8 % ,而無超聲存在的條件下脫色率僅為66.1 %。超聲光催化的速率明顯比光催化和超聲波降解的反應(yīng)速率高。由此可見超聲波場(chǎng)存在的光催化氧化反應(yīng)是很有應(yīng)用前景的新技術(shù)。
2.1.4 外加磁場(chǎng)對(duì)光催化的影響
現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),磁場(chǎng)有助于自由基的生成,因此能提高光催化材料的降解效率。姜煥偉等在降解氯苯的研究中發(fā)現(xiàn), 外加磁場(chǎng)可以促進(jìn)氯苯類有機(jī)物的光催化降解。隨著磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的增加,氯苯光催化降解速度加快,半衰期變短。磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)為0. 32 T時(shí), 光降解速率常數(shù)為0. 754 h - 1 , 比無磁場(chǎng)時(shí)提高了12.5 %。離子摻雜對(duì)光催化性能的影響金屬離子摻雜就是通過反應(yīng)將金屬離子轉(zhuǎn)入TiO2 晶體結(jié)構(gòu)中。摻入不同的金屬離子,其結(jié)果也不同。金屬離子摻雜可以使TiO2 的帶隙變窄,使光催化材料的吸光范圍加寬,
