摻雜型TiO2顆粒光催化處理廢水性能分析

何添銘+張卓夫+宋建

摘 要：概括了工業(yè)廢水處理的特點(diǎn)，分析了TiO2光催化活性的因素和改性二氧化鈦在光催化氧化性能和效果。

關(guān)鍵詞：TiO2；摻雜；光催化；廢水處理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.003

1 前言

由于工業(yè)生產(chǎn)中含有大量的苯系、萘系、苯胺及聯(lián)苯等有機(jī)化合物，而且在生產(chǎn)工藝過(guò)程中多與金屬纖維等物質(zhì)接觸，使廢水具有TOC、COD高，色度大，化學(xué)成份復(fù)雜等特點(diǎn)。但是未經(jīng)處理或預(yù)處理的紡織、造紙、塑膠、皮革、食品及化妝品工業(yè)中含有難生物降解的廢水，在生化處理方面存在著運(yùn)營(yíng)成本高，COD去除率低的問題。在上世紀(jì)70年代人們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料具有光催化性能以來(lái)，由于二氧化鈦具有極高的降解效率和穩(wěn)定性，因此，二氧化鈦已被廣泛用于作為催化劑在各種過(guò)程，如水凈化，或其他三廢處理上[1]。

2 影響TiO2光催化活性的因素

2.1 TiO2的晶體結(jié)構(gòu)

TiO2具有銳鈦礦型、金紅石型、板鈦礦晶型，因?yàn)榘邂伒V晶型熱穩(wěn)定性差，幾乎不具有光催化活性，因而研究?jī)r(jià)值很低。大部分情況下銳鈦礦型的TiO2光催化活性更高，但在銳鈦礦型、金紅石型共存的情況下會(huì)比單一晶型的光催化活性更高。Li等人[2]發(fā)現(xiàn)，二氧化鈦表面存在銳鈦礦和金紅石的混合晶相時(shí)，其光催化活性得到很大提高，在光催化制氧的反應(yīng)中，具有混晶結(jié)構(gòu)的TiO2的產(chǎn)氧速度最大可比純金紅石相TiO2快近3倍。

2.2 晶粒尺寸

晶體尺寸的大小直接影響光催化反應(yīng)的效率，粒徑越小，催化劑比表面積越大，光吸收效率越高，小粒子的銳鈦礦型TiO2在有機(jī)物的光催化降解反應(yīng)中活性較高，而大粒子的金紅石型TiO2則更適于光解水反應(yīng)的進(jìn)行[3.4]。弓瑩等[5]指出1%的La摻雜在TiO2里能使催化劑的比表面積增加，具有介孔結(jié)構(gòu)。

3 改性二氧化鈦光催化劑的研究

3.1 稀有金屬鑭摻雜TiO2的研究

稀土金屬的電子結(jié)構(gòu)較為豐富，用稀土元素改性的TiO2能夠通過(guò)較大的軌道半徑，引起晶格缺陷改變價(jià)帶結(jié)構(gòu)，降低光生電子空穴對(duì)的復(fù)合速率最終提高TiO2的光催化活性。水淼 [6]等認(rèn)為當(dāng)La摻雜量低于0.8%時(shí)摻雜量越高越好，鑭進(jìn)入了TiO2晶格中引起了晶格膨脹，改善了TiO2的光活性，經(jīng)過(guò)600℃處理的摻鑭的TiO2對(duì)亞甲基藍(lán)的降解率為58.9%，并且比經(jīng)過(guò)同等條件處理過(guò)的純TiO2[7]。

3.2 非金屬元素氮摻雜TiO2的研究

N元素是目前摻雜在TiO2中非金屬元素最熱門的一種元素，有研究[8]表明由于N的摻雜在價(jià)帶中產(chǎn)生的雜質(zhì)能級(jí)導(dǎo)致了TiO2的吸收帶邊紅移。石建穩(wěn) [9]指出適量氮的摻雜可以提高TiO2的可見光利用率。

3.3 鑭-氮共摻雜TiO2的研究

綜合了兩種元素的優(yōu)點(diǎn)，使TiO2具有吸收帶紅移的同時(shí)獲得光生電子和空穴復(fù)合速率低的特點(diǎn)。N的加入促進(jìn)了樣品中 TiO2由銳鈦礦相向金紅石相的轉(zhuǎn)變，而La摻雜能強(qiáng)烈抑制樣品中TiO2由銳鈦礦相向金紅石相的轉(zhuǎn)變，與N的摻雜促進(jìn)相變轉(zhuǎn)化的不利因素相抵消，對(duì)保持具有較高催化活性的銳鈦礦型TiO2，提高光催化性能有積極的作用[10]明La和N共摻雜引起銳鈦礦 TiO2能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化，TiO2的禁帶寬度變窄，提高了太陽(yáng)能利用率[11]。La-N共摻雜TiO2對(duì)孔雀石綠的降解率是未摻雜的1.8倍[12]。共摻雜處理染料活性比未摻雜或單一元素?fù)诫s的TiO2更好，處理效果也更好[13]。

4 結(jié)論與未來(lái)展望

隨著對(duì)光催化的各種因素的研究，改性TiO2在污廢水方面發(fā)揮了極大的優(yōu)勢(shì)，無(wú)論是在理論層面還是在應(yīng)用層面上都得到了極大的發(fā)展。但是光催化技術(shù)還存在這光生電子空穴對(duì)分離率低、太陽(yáng)能利用率低、耗能高、處理廢水效率不高等缺點(diǎn)。所以對(duì)TiO2改性以提高光催化效率和可見光利用率是解決這一問題的有效途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]Monika Wawrzkiewicz， Adsorptive removal of acid， reactive and direct dyes from aqueoussolutions and wastewater using mixed silica-alumina oxide，2015（05）：306-315，Powder Technology.

[2]Zhang，J，Xu，Q.；Feng，Z.；Li，M.；Li，C.Importance of the relationship between surface phases and photocatalytic activity of TiO2.Angewandte Chemie-lnternational Edition 2008，47（09）1766-1769.

[3]Iskandar，F(xiàn).；Nandiyanto，A.B.D.；Yun，K.M.；Hogan，C.J.Jr.；Okuyama，K.；Biswas，P.Enhanced photocatalytic performance of brookite TiO2 macroporous particles by spray drying with colloidal templating.Adv.Mater，2007（19）1408-1412.

[4]Kandiel，T.A.：Feldhoff，A.：Robben，L.：Dillert，R.；Bahnemann，D.W.Tailored titanium dioxide nanomaterials：Anatase nanopartieles and brookit nonorods as highly active photoeatalysts.Chem.Matter：2010（22）2050-2060.

[5]弓瑩.鑭摻雜TiO2的制備及其光催化性能研究[J].化工新型材料，2016，44（07）：197-201.

[6]水淼.稀土鑭摻雜二氧化鈦的光催化特性[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2000，16（05）：459-463.

[7]薛蒙偉.鑭摻雜對(duì)TiO2光催化降解亞甲基藍(lán)溶液性能影響[J].化工時(shí)刊，2005，19（11）：6-8.

[8]張瑾.N、La共摻雜TiO2的微觀結(jié)構(gòu)及性能[J].功能材料，2013，5（44）：627-631.

[9]石建穩(wěn).多種光源下氮摻雜TiO2光催化降解染料廢水的研究[J].工業(yè)水處理，2010，30（09）：50-53.

[10]齊蕾.氮摻雜TiO2光催化劑的制備改性及光催化性能研究[D].北京：中國(guó)石油大學(xué)，2006.

[11]周曉.金屬離子與非金屬離子共摻雜TiO2薄膜電極的制備及可見光催化性能研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2014.

[12]張小娜.La-N共摻雜的TiO2的制備及其光電催化性能研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2013.

[13]王琪.Fe、N、La、Ce共摻雜TiO2光催化劑的制備及其性能研究[D]蘭州：蘭州交通大學(xué).