發酵廢氣治理——光催化氧化技術

更新時間：2018-04-27 10:29 來源：作者: 閱讀：20210

1.光催化機理與催化工藝

光催化降解VOCs屬于多相催化反應，是氣相反應物（VOC）與固相光催化劑的表面進行接觸而發生在兩相界面上的一種反應。該過程一般可分為以下六個步驟：

光催化降解VOCs反應步驟圖

文獻中涉及較多的光催化反應器的結構形式主要包括：平板型、管狀、蜂窩型和光纖反應器等。下圖列舉了三種常見的反應器形式。

三種常見光催化反應器的結構示意圖

根據半導體的電子結構，當半導體（光催化劑）吸收一個能量大于其帶隙能（Eg）的光子時，電子（e-）會從充滿的價帶躍遷到空的導帶，而在價帶留下帶正電的空穴（h+）。價帶空穴具有強氧化性，而導帶電子具有強還原性，它們可以直接與反應物作用，還可以與吸附在光催化劑上的其他電子給體和受體反應。納米光催化是利用TiO2作為催化劑的光催化過程，反應條件溫和，光解迅速，產物為CO2和H2O或其他的離子如NO3-、PO43-、Cl-等，而且適用范圍廣，包括烴、醇、醛、酮、氨等有機物，都能通過TiO2光催化清除。其機理主要是光催化劑二氧化鈦吸收光子，與表面的水反應產生羥基自由基（•OH）和活性氧物質（•O，H2O2），其中羥基自由基（•OH）是光催化反應的一種主要的活性物質，對光催化氧化起決定作用。羥基自由基具有120kJ/mol的反應能，高于有機物中的各類化學鍵能，如：C-C（83kJ/mol），C-H（99kJ/mol），C-N（73kJ/mol），C-O（84kJ/mol），H-O（111kJ/mol），N-H（93kJ/mol），因而能迅速有效地分解揮發性有機物和構成細菌的有機物，再加上其它活性氧物質（•O，H2O2）的協同作用，其殺菌效果更為迅速。

TiO2的帶隙能Eg=3.2eV，只有波長小于380nm的紫外光才能激發TiO2產生導帶電子和價帶空穴，導致VOCs的氧化分解。光催化劑TiO2反應效率很高，但顆粒微小而極易流失，因此將TiO2固定在活性炭載體上解決其分離回收問題。

2.光催化劑

VOCs光催化降解的速率主要受吸附效率和光催化反應速率的影響，具有較高吸附性能的VOCs不一定有較快的降解速率，因此選擇光催化劑至關重要。

目前，研究中經常采用的紫外光催化劑大多為金屬氧化物或硫化物，如TiO2、ZnO、ZrO2、SnO2、WO3、CeO2、Fe2O3、Al2O3、ZnS及CdS等。其中，TiO2的綜合性能最好，其光催化活性高、化學性質穩定、氧化還原性強、抗陰極腐蝕性強、難溶、無毒且成本低，是研究應用中使用最廣泛的單一化合物光催化劑。TiO2晶型對催化活性的影響很大。其晶型主要有三種：板鈦型（不穩定）、銳鈦型（表面對O2吸附能力較強，具有較高活性）和金紅石型（表面電子-空穴復合速度快，幾乎沒有光催化活性）。以一定比例共存的銳鈦型和金紅石型混晶型TiO2的催化活性最高。其中，德國Degussa公司使用氣相法生產的TiO2-P25（平均粒徑30nm，比表面積50m2/g，30%金紅石型，70%銳鈦型）光催化活性高，是研究中經常采用的一種光催化劑。

3.光催化氧化的特點

1)光催化氧化適合在常溫下將廢臭氣體完全氧化成無毒無害的物質，適合處理高濃度、氣量大、穩定性強的且能吸收光子的有毒有害氣體的廢氣處理。

2)光催化氧化利用人工紫外線燈管產生的真空波紫外光作為能源來活化光催化劑，驅動氧化—還原反應，而且光催化劑在反應過程中并不消耗，利用空氣中的氧作為氧化劑，有效地降解有毒有害廢臭氣體成為光催化節約能源的最大特點。

3)氧化性強：半導體光催化具有氧化性強的特點，對臭氧難以氧化的某些有機物如三氯甲烷、四氯化炭、六氯苯、都能有效地加以分解，所以對難以降解的有機物具有特別意義，光催化的有效氧化劑是羥基自由基（OH-）和超氧離子自由基（O2-、O-），其氧化性高于常見的臭氧、雙氧水、高錳酸鉀、次氯酸等。

4)廣譜性：光催化氧化對從烴到羧酸的種類眾多有機物都有效，即使對原子有機物如鹵代烴、染料、含氮有機物、有機磷殺蟲劑也有很好的去除效果，只要經過一定時間的反應可達到完全凈化。

5)壽命長：在理論上，光催化劑的壽命是無限長的，無需更換。

在光催化TiO2的產物上一直存在爭論，不能確定中間產物是否會造成二次污染；光催化氧化法存在著催化劑的失活、催化劑難以固定，且催化劑固定后催化效率降低的缺點；對不能吸收光子的污染物質效果差，對于成分復雜的廢氣無法達到預期處理效果。

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