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催化材料在环境保护中的应用研究进展

2018/5/24 15:13:13      点击:
催化材料在环境保护中的应用研究进展
环境问题是人类不能回避的现实问题,如何消除、减轻或根除由于人类的生产活动而产生的一系列有害污染物质,是人类面临的一个重要课题。以环境保护为目的的催化化学在解决此类问题中起着核心作用。20世纪90年代后期绿色化学的兴起,为人类解决化学工业对环境污染,实现可持续发展提供了有效的手段。因此,新型催化材料与催化过程的研究与开发是实现传统化学工艺无害化的主要途径。本文就环保催化材料及光催化材料在环境中应用研究进展和新型环保催化材料做简单的概述。 
一、光催化材料在环境保护中的应用研究
    光催化材料主要应用于环境保护, 这种新的污染治理技术具有操作简单、无二次污染、效率高、能耗低等优点,可产生较大的效益。近几年,随着研究的深入, 出现了光催化材料和其它领域的结合,如光催化剂在抗菌、新能源技术、自洁陶瓷、建材等方面的应用。
1、光催化反应体系的研究
    目前的光催化研究主要应用于降解有机废水方面。根据催化剂的存在形式不同,反应体系分为悬浮相体系和固定相体系两大类。
1.1 悬浮相体系
    悬浮相体系就是把光催化材料的颗粒直接加入待处理的溶液中, 通过搅拌使颗粒均匀地悬浮并充分与溶液混合。由于颗粒的比表面积大,光照充分, 与溶液中的被降解物接触充分, 降解效率高。但由于材料的颗粒细小,难以回收,对后期处理有一定困难,所以在实际中推广应用受限。
1.2 固定相体系
    将催化材料制成薄膜或附载于其它材料表面进行光催化反应, 主要是针对悬浮相体系的分离和回收困难而设计的。一般光催化材料的载体有玻璃球、沙粒、陶瓷、硅藻土或反应器的内表面等。附载后的材料光催化活性降低,但反应能连续进行, 操作稳定, 无后期回收处理的困难, 有实际应用意义。因此目前主要是研究固定相体系结构。陈士夫等将TiO2 固定在空心玻璃球上降解农药。李素芹等将TiO2 附载于活性炭上, 均取得了良好的光催化效果。目前, 制膜的方法很多,主要有粉体烧结法、溶胶- 凝胶法、沉积法、浸渍法等,但最常用的是溶胶- 凝胶法。因应用溶胶- 凝胶法技术制备的膜有较高的催化活性, 分布均匀,牢固性好,工艺简单,故被广泛采用。但这种方法也存在膜厚不易控制、附着力差、容易产生龟裂等不足。
2、提高光催化反应的条件研究
2. 1 “外场”对光催化性能的提高
    最近已经有学者指出, 如果给光催化氧化反应加一个“外场”,催化效果会得到很大的提高。
2.1.1 外加电场对光催化的影响
    将两个电极置于光催化反应器中, 并施加电压,实验证明光催化效率得到明显提高。随着电压的增大,光催化效率提高。但电压也不是无限地增大,而是存在一最佳值。它与光催化剂的种类和被降解的有机物有关。电场促进光催化反应的原因是由于施加电压减少了光催化过程中电子与空穴的复合,从而提高了反应效率。Vinodgopal 等在导电玻璃上制备了耦合的SnO2/TiO2 薄膜,在光催化反应中发现施加一定的正向偏压后, 薄膜的光催化活性提高了十倍。何春等用三维电极电化学反应器处理有机废水。结果表明, 外加电压10V时,苯胺去除率接近最大值,明显优于不加电压的降解率, 提了废水的电解效率和处理量。吴合进等研究EEPAC(光电组合催化或增强型电场协助光催化) 发现苯酚的降解率为82.8 % ,而普通的光催化降解率仅为33.6 %。
2.1.2 外加微波场对光催化的影响
    李旦振等研究发现微波场内的光催化反应得到加强。微波使光催化体系迅速升温,十分有利于胶体粒子的形核和成长, 改变了催化材料的结构,促进光催化材料表面的光的吸收,提高了光催化材料的光激发电子跃迁的几率。同时使羟基生成游离基,羟基有很强的氧化性能,从而提高了光催化反应的催化效率。
2.1.3 超声波场对光催化的影响
    因光催化氧化反应中催化材料容易产生团聚效应,因而影响了其催化性能,安太成等研究了超声波场下的TiO2 光催化活性艳橙水和苯胺及其衍生物的反应。实验表明, 在超声波场的条件下,艳橙水脱色率达到了97.8 % ,而无超声存在的条件下脱色率仅为66.1 %。超声光催化的速率明显比光催化和超声波降解的反应速率高。由此可见超声波场存在的光催化氧化反应是很有应用前景的新技术。
2.1.4 外加磁场对光催化的影响
    现有研究发现,磁场有助于自由基的生成,因此能提高光催化材料的降解效率。姜焕伟等在降解氯苯的研究中发现, 外加磁场可以促进氯苯类有机物的光催化降解。随着磁场场强的增加,氯苯光催化降解速度加快,半衰期变短。磁场场强为0. 32 T时, 光降解速率常数为0. 754 h - 1 , 比无磁场时提高了12.5 %。离子掺杂对光催化性能的影响金属离子掺杂就是通过反应将金属离子转入TiO2 晶体结构中。掺入不同的金属离子,其结果也不同。金属离子掺杂可以使TiO2 的带隙变窄,使光催化材料的吸光范围加宽, 能有效地利用太阳能。此外,金属离子可以抑制电子与空穴的复合时间,界面电荷传输速率变大,使光催化活性大大提高。近年来国内外已有大量的报道关于掺杂金属离子的研究, 如掺Fe3 +、Ag +、Cu2 +、La3 +等。PingYang等向纳米二氧化钛粒子中掺杂Fe 3 +和Eu3 + , 当掺杂量分别为1 %和0. 5 %时, 二氧化钛的催化率明显地增长。孙晓军等研究发现, 对TiO2 进行Pt4 +及Fe3 +的共掺杂, 可将激发光的波长范围扩大到600 nm附近,从而使TiO2 催化活性大大提高。Wu Shui - Xin 等研究了掺铜的TiO2 ,并通过XPS 对改性的催化剂进行了分析。结果表明改性后的催化剂光生载流子分离和界面电子转移加快,改善了其光催化性能。由于我国独特的稀土资源优势, 国内研究者把目光转向了稀土掺杂。王朋等 用稀土离子掺杂的TiO2 降解藏花红, 结果表明稀土离子抑制了光生载流子的复合率,提高了光吸收率。

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