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光解水中的有機(jī)物如何降解
發(fā)布時間：2023-02-09 瀏覽量：1945
隨著工業(yè)化的進(jìn)程，人們生活水平顯著提高，同時也帶來了很多環(huán)境問題。工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生越來越多的廢水，嚴(yán)重危害人類身體健康。對于許多工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的有毒污染物，如有機(jī)廢物、有機(jī)染料和重金屬離子等，生物法往往難以直接有效消除。這些污染物具有化學(xué)穩(wěn)定性使得它們對生態(tài)環(huán)境的危害極大。因此，新型高效控制水體污染技術(shù)的開發(fā)意義重大。經(jīng)過長時間的積累和發(fā)展，光催化法已被證明是一種有廣闊應(yīng)用前景的降解有機(jī)污染物的高效技術(shù)。而該技術(shù)的核心是高效光催化劑的開發(fā)。多孔材料，由于具有大的比表面積、發(fā)達(dá)的空隙結(jié)構(gòu)有利于光的吸收、電荷分離和反應(yīng)物的擴(kuò)散，因而對水體中污染物的光催化降解表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。
水體中有機(jī)污染物種類繁多，一部分具有高化學(xué)穩(wěn)定性，不能很好地利用生物法降解消除。光催化降解是消除水體有機(jī)污染物的有效技術(shù)。用于消除有機(jī)污染物的光催化劑很多，有傳統(tǒng)的光敏催化劑(TiO2、ZnO、BiVO4等)和新型化合物催化劑(金屬有機(jī)骨架材料、氮化碳等)。這些具有多孔結(jié)構(gòu)的催化劑對有機(jī)污染物降解具有優(yōu)異的性能。
作為傳統(tǒng)光敏材料，TiO2基催化劑廣泛應(yīng)用于水體有機(jī)污染物的光催化降解。研究發(fā)現(xiàn)將TiO2制備成多孔結(jié)構(gòu)(大孔/介孔結(jié)構(gòu))，較大表面積提供了更多的活性位點(diǎn)，復(fù)合孔結(jié)構(gòu)有利于反應(yīng)物傳質(zhì)和光生電子-空穴對的分離，在紫外光照下表現(xiàn)出比 P25 更好的降解高毒性 2,4- 二氯苯酚的光催化活性。具有多孔結(jié)構(gòu)的TiO2作為載體同樣表現(xiàn)出獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。為了有效地提高TiO2材料的利用效率，TiO2往往作為活性組分擔(dān)載于多孔材料載體上?；钚蕴坎牧献鳛槎嗫纵d體具有發(fā)達(dá)的孔道結(jié)構(gòu)，擔(dān)載TiO2能大大加快紫外線照射下苯酚的降解速率?；钚蕴康拇蟊缺砻娣e和孔結(jié)構(gòu)能高效地吸附苯酚，吸附的苯酚能立即遷移到二氧化鈦表面進(jìn)行催化降解。研究發(fā)現(xiàn)，不同類型的活性炭負(fù)載TiO2催化劑，對有機(jī)污染物(苯酚、4- 氯苯酚和2，4- 二氯苯氧乙酸)降解表現(xiàn)出載體效應(yīng)，主要?dú)w因于對反應(yīng)物的吸附和傳質(zhì)作用。除了活性炭，一些其它常見多孔載體，如泡沫鎳、黏土、多孔硅和分子篩等，同樣被報道通過擔(dān)載TiO2以后應(yīng)用于有機(jī)污染物光催化降解。例如，采用不同黏土(蒙脫石、皂石、氟蒙脫石和氟云母)制備的TiO2柱撐黏土催化劑用于水中鄰苯二甲酸醋的光催化降解。發(fā)現(xiàn) TiO2柱撐黏土的表面疏水性隨著黏土的變化而變化，鄰苯二甲酸醋的吸附和光催化降解活性與TiO2柱撐黏土表面疏水性有關(guān)。
BiVO4作為一種重要的光敏材料，廣泛地應(yīng)用于光催化領(lǐng)域中。將其構(gòu)筑成多孔結(jié)構(gòu)后對有機(jī)物降解具有優(yōu)異的光催化活性。采用溶劑熱制備的一系列多孔BiVO4在可見光下對苯酚進(jìn)行降解，其中多孔橄欖狀 BiVO4具有最好的催化活性，4h照射后苯酚去除率達(dá) 96%。采用硬模板法制備的三維有序大孔BiVO4，具有有序的孔道結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和豐富的氧空位，對苯酚降解表現(xiàn)出優(yōu)異的活性，可見光下3 h即可消除94%的苯酚。
向BiVO4催化劑表面擔(dān)載其它組分能進(jìn)一步提高其光催化活性,比如，將AgBr 和貴金屬顆粒(Au、Pt和 Pd)擔(dān)載到三維有序大孔 BiVO4,表面，用于4-氯苯酚的催化降解，發(fā)現(xiàn) Pd和AgBr組分的共同擔(dān)載能大大提高催化活性。研究者認(rèn)為多孔結(jié)構(gòu)、高的表面氧物種濃度、光生電子的有效轉(zhuǎn)移和分離以及各組分之間的協(xié)同作用是其具有良好活性的主要原因。將氧化鐵擔(dān)載到三維有序大孔BiVO4表面，形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，也能進(jìn)一步促進(jìn)對可見光的吸收以及光生電子和空穴的分離，從而大大提高催化劑對 4- 硝基苯酚的催化降解效率。其中，F(xiàn)e2O3擔(dān)載量為 0.97% 的催化劑表現(xiàn)出最佳的光催化活性，可見光照射30 min 內(nèi)可降解9%的4- 硝基苯酚，并且還有良好的光催化穩(wěn)定性。其它光敏劑如具有多孔結(jié)構(gòu)的氧化鋅、氧化鐵和二氧化鈰等同樣對有機(jī)污染物降解表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。
與傳統(tǒng)光敏催化劑不同，新型化合物催化劑(金屬有機(jī)骨架材料、氮化碳等)的制備和應(yīng)用引起了廣泛的關(guān)注。具有多孔結(jié)構(gòu)的新型催化劑同樣對有機(jī)污染物表現(xiàn)出優(yōu)良的光降解性能。相當(dāng)多的金屬有機(jī)骨架材料(metal-organic frameworks，MOF)已被作為光敏劑用于分解有機(jī)污染物。例如，在紫外光下MOF-5 用于光催化氧化降解取代苯酚，發(fā)現(xiàn)對苯酚和 2,6- 二叔丁基苯酚表現(xiàn)出反向尺寸選擇性，對較大尺寸的底物 2.6- 二叔丁基苯酚表現(xiàn)出較高的降解速率，說明降解過程可能發(fā)生在 MOF-5 的外表面。2,6- 二叔丁基苯酚的富電子性可能是其更易被氧化的重要原因。這些現(xiàn)象與鈦硅酸鹽 ETS-10 的發(fā)現(xiàn)類似。此外，石墨相碳化氮( C3N4)具有窄的帶隙和化學(xué)穩(wěn)定性，被認(rèn)為是一種用于降解有機(jī)污染物的很有前景的光催化材料。以尿素為氣泡模板劑，在空氣中熱解雙氰胺，可以得到一系列多孔石墨碳氮化合物材料。通過調(diào)節(jié)尿素/雙氰胺質(zhì)量比和焙燒溫度，可以使C3N4的比表面積從 5.4 m2/g 增大到 60 m2/g。這類多孔C3N4在可見光下對亞甲基藍(lán)(MB)和苯酚污染物顯示出良好的光催化降解效率。與體相C3N4比較，相同條件下多孔 C3N4的最佳光催化活性對 MB 和苯酚降解分別提高了 2.1 倍和2.8 倍。
多孔結(jié)構(gòu)提高了光生電子-空穴對的分離和遷移效率，因而帶來了光催化性能的改善。將P摻雜到多孔 C3N4薄納米片可以拓寬催化劑可見光響應(yīng)區(qū)域，多孔納米片結(jié)構(gòu)具有大比表面積，可以提供更豐富的光催化反應(yīng)活性位點(diǎn)，使其對 Cr4+ 光催化還原和 2,4- 二氯苯酚光催化氧化表現(xiàn)出優(yōu)異的活性。另外，低的 pH 值和高的氧溶解度有利于促進(jìn)催化劑對 Cr4+ 光催化還原和 24- 二氯苯酚光催化氧化性能。
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