催化材料在環(huán)境保護中的應用研究進展
環(huán)境問題是人類不能回避的現(xiàn)實問題，如何消除、減輕或根除由于人類的生產(chǎn)活動而產(chǎn)生的一系列有害污染物質(zhì)，是人類面臨的一個重要課題。以環(huán)境保護為目的的催化化學在解決此類問題中起著核心作用。20世紀90年代后期綠色化學的興起，為人類解決化學工業(yè)對環(huán)境污染，實現(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)是實現(xiàn)傳統(tǒng)化學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)境中應用研究進展和新型環(huán)保催化材料做簡單的概述。
一、光催化材料在環(huán)境保護中的應用研究
光催化材料主要應用于環(huán)境保護, 這種新的污染治理技術(shù)具有操作簡單、無二次污染、效率高、能耗低等優(yōu)點,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、建材等方面的應用。
1、光催化反應體系的研究
目前的光催化研究主要應用于降解有機廢水方面。根據(jù)催化劑的存在形式不同,反應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小,難以回收,對后期處理有一定困難,所以在實際中推廣應用受限。
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行光催化反應, 主要是針對懸浮相體系的分離和回收困難而設計的。一般光催化材料的載體有玻璃球、沙粒、陶瓷、硅藻土或反應器的內(nèi)表面等。附載后的材料光催化活性降低,但反應能連續(xù)進行, 操作穩(wěn)定, 無后期回收處理的困難, 有實際應用意義。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、提高光催化反應的條件研究
2. 1 “外場”對光催化性能的提高
最近已經(jīng)有學者指出, 如果給光催化氧化反應加一個“外場”,催化效果會得到很大的提高。
2.1.1 外加電場對光催化的影響
將兩個電極置于光催化反應器中, 并施加電壓,實驗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物有關(guān)。電場促進光催化反應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合,從而提高了反應效率。Vinodgopal 等在導電玻璃上制備了耦合的SnO2/TiO2 薄膜,在光催化反應中發(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反應器處理有機廢水。結(jié)果表明, 外加電壓10V時,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。吳合進等研究EEPAC(光電組合催化或增強型電場協(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 外加微波場對光催化的影響
李旦振等研究發(fā)現(xiàn)微波場內(nèi)的光催化反應得到加強。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。同時使羥基生成游離基,羥基有很強的氧化性能,從而提高了光催化反應的催化效率。
2.1.3 超聲波場對光催化的影響
因光催化氧化反應中催化材料容易產(chǎn)生團聚效應,因而影響了其催化性能,安太成等研究了超聲波場下的TiO2 光催化活性艷橙水和苯胺及其衍生物的反應。實驗表明, 在超聲波場的條件下,艷橙水脫色率達到了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速率高。由此可見超聲波場存在的光催化氧化反應是很有應用前景的新技術(shù)。
2.1.4 外加磁場對光催化的影響
現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),磁場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), 外加磁場可以促進氯苯類有機物的光催化降解。隨著磁場場強的增加,氯苯光催化降解速度加快,半衰期變短。磁場場強為0. 32 T時, 光降解速率常數(shù)為0. 754 h - 1 , 比無磁場時提高了12.5 %。離子摻雜對光催化性能的影響金屬離子摻雜就是通過反應將金屬離子轉(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,
