探究光催化技術(shù)在水體污染物去除中的應(yīng)用

姜淑坤　孟祥哲

摘 要：水體污染問(wèn)題已引起全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，而光催化技術(shù)在水體污染物處理方面展現(xiàn)出了愈發(fā)顯著的應(yīng)用潛力，本文以石墨相氮化碳（g-C3N4）為例，探究了其在光催化技術(shù)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，并選用亞甲基藍(lán)這種典型的染料污染物作為去除對(duì)象，分析了光催化技術(shù)在水體污染物去除中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：水污染;光催化;石墨相氮化碳（g-C3N4）;亞甲基藍(lán)

中圖分類號(hào)：S-3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

環(huán)境污染是人類實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一大制約因素，而水體污染是環(huán)境污染中較為嚴(yán)重的一方面。常見(jiàn)的水體污染源包含有機(jī)染料和抗生素等，其中有機(jī)染料污染來(lái)源于紡織業(yè)、造紙業(yè)和印刷業(yè)產(chǎn)生的染料廢水，工業(yè)常用的染料種類已經(jīng)超過(guò)10萬(wàn)種，部分染料未經(jīng)過(guò)后續(xù)處理就直接排放到水體環(huán)境中;抗生素被廣泛用于治療人體疾病和預(yù)防禽畜細(xì)菌性的病害，由于在世界范圍內(nèi)人們不規(guī)范地使用抗生素，導(dǎo)致環(huán)境中積累了大量的抗生素，如四環(huán)素、環(huán)丙沙星等，嚴(yán)重危害人類生命安全。

研究人員對(duì)水體污染物的去除展開(kāi)了廣泛而深入地研究，其中光催化技術(shù)在水體污染物處理方面展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿?。光催化技術(shù)能夠利用太陽(yáng)能治理環(huán)境污染，將低密度的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為高密度的化學(xué)能或者直接降解和礦化有機(jī)污染物，是一種能夠解決能源短缺和環(huán)境污染的綠色新技術(shù)，具有重大的實(shí)際應(yīng)用潛力。

1 光催化技術(shù)的原理

光催化技術(shù)是利用半導(dǎo)體材料制作光催化材料，因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，價(jià)帶充滿電子，導(dǎo)帶沒(méi)有被填充，禁帶（帶隙）是價(jià)帶頂部和導(dǎo)帶底部之間的區(qū)域，不同半導(dǎo)體元素對(duì)應(yīng)不同的帶隙能量。太陽(yáng)光是寬譜光源，光譜覆蓋范圍較廣（如圖1所示），對(duì)于太陽(yáng)光的光輻射，價(jià)帶上的電子受到激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶，轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體納米材料的表面，從而在價(jià)帶上形成空穴，受到激發(fā)的電子則轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體納米材料的表面。此時(shí)，半導(dǎo)體材料產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)，反應(yīng)活性高。由于不同元素的半導(dǎo)體能帶不一樣，同時(shí)能帶也具有不連續(xù)性，因此，半導(dǎo)體材料對(duì)某幾個(gè)波長(zhǎng)的光輻射會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電子-空穴對(duì)（稱之為光生電子-空穴對(duì)），此時(shí)電子會(huì)遷移到不同能級(jí)上，或者擴(kuò)散到半導(dǎo)體材料表面，與表面物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成活性自由基，實(shí)現(xiàn)降解有機(jī)物大分子，還原重金屬離子等效果。光生電子-空穴對(duì)能夠和O2或OH-發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生活性自由基，如羥基自由基、超氧自由基、雙氧水等。活性自由基能夠和目標(biāo)污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生沒(méi)有毒害沒(méi)有污染的氣體、水或者中間產(chǎn)物，從而實(shí)現(xiàn)降解污染物的目的。

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（責(zé)任編輯 常陽(yáng)陽(yáng)）