二氧化钛选择性光催化降解有机污染物研究进展

半导体二氧化钛已被广泛应用于有机污染物的光催化降解,但其主要是通过光与二氧化钛作用产生的羟基自由基与有机污染物发生自由基氧化反应,这种自由基反应在降解污染物时没有选择性,当几种有机污染物共存时,它优先催化降解吸附在其表面的高浓度污染物,而低浓度的有机污染物因吸附量少而达不到有效降解。因此,研究开发具有高选择性的能降解低浓度高毒性有机污染物的二氧化钛材料是环境科学领域亟待解决的热点之一。本文综述了近十年来二氧化钛选择性光催化降解有机污染物的研究动态和主要成果,并对未来发展趋势进行展望。     

多孔炭材料在二氧化钛光催化水处理中的应用

光催化水处理技术是利用光照具有能带结构的半导体光催化剂诱发强氧化自由基(·OH),使有机污染物在常规条件下催化降解. 光催化反应条件温和、转化率高,而且二次污染小,具有良好的应用前景.     

具有高光催化活性的两亲性TiO_2 Janus粒子的制备（英文）

随着工业技术和社会经济的快速发展,水污染问题日益严重.尤其是化工原料和产品在生产、储存和运输过程中发生的事故,造成大量有机物进入水体,对自然环境造成极大危害.特别是在海洋中发生大规模的泄漏事故时,通过简单的物理方法如吸附、萃取等能够回收大部分资源,但在水体中仍有高浓度的污染物以油滴的形式存在,难以进一步去除.二氧化钛光催化技术在处理高浓度、难降解有机废水方面具有独特优势,但由于其强亲水性导致与污染物接触面积受限,降解效率不高.Pickering乳液是一种界面催化新技术,是由具有两亲性的胶体粒子代替传统表面活性剂形成的油水分散体系,固体粒子吸附在油/水界面,提高了固液接触面积,由此构成了无数个强化反应的微反应器.本文将光催化技术与Pickering乳液优势结合,实现催化剂与有机物界面面积的最大化,从而提高降解效率.首先采用拓扑选择表面改性法用硬脂酸改性二氧化钛制备Janus粒子,在此基础上用制得的二氧化钛Janus粒子构筑Pickering乳液光催化降解体系,研究其对有机废水的降解效率.FM和HRTEM表征结果显示,硬脂酸均匀分布在TiO_2的一侧,符合Janus粒子的结构特征.与纯TiO_2相比,TiO_2 Janus粒子的接触角从14.6°增大到72.9°,具备一定的亲水亲油性,可以有效润湿油性有机物,说明TiO_2 Janus粒子可以构筑稳定的Pickering乳液光催化体系.乳液稳定性实验表明,以TiO_2 Janus粒子为乳化剂的乳液稳定时间长达15 d,明显优于TiO_2和STA-TiO_2.降解高浓度煤油废水和硝基苯废水的实验表明,与纯TiO_2和STA-TiO_2相比,TiO_2 Janus粒子的光催化效率有明显提高,紫外灯辐照120 min后,硝基苯的降解率达到98.9%,约是纯TiO_2的2倍,STA-TiO_2的1.3倍,煤油的降解率也达到89%.采用叔丁醇、对苯醌、乙二胺四乙酸二钠和过硫酸钾作为捕获剂对TiO_2 Janus粒子的光催化机理进行了研究.结果表明,羟基自由基在硝基苯降解过程中起主要作用,光生空穴和超氧自由基起次要作用.TiO_2 Janus粒子能够高效降解有机物归因于粒子的亲油性提高,增大了催化剂粒子与有机污染物的界面接触面积,强化了羟基自由基迁移到有机污染物表面的速率,从而显著提高了光催化效率.     

基于尖晶石型铁氧体的高级氧化技术在有机废水处理中的应用

随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快,自然水体中的有机污染问题愈加严重。基于自由基反应的高级氧化技术(AOPs)可以高效去除水环境中残留的难生物降解的有机污染物,在催化剂的作用下,高级氧化过程方能有效生成强氧化性的自由基来降解有机污染物。尖晶石型铁氧体(MFe₂O₄(M=Zn, Ni, Co, Cu, Mn))被广泛用作高级氧化过程中驱动自由基生成的催化剂,同时强磁性及高稳定性保证其容易在外加磁场的作用下实现回收和再利用。本文主要综述了基于尖晶石型铁氧体的非均相类芬顿技术、光催化技术及过硫酸盐高级氧化技术在有机废水处理方面的研究进展,着重介绍了不同铁氧体磁性纳米材料在上述3种高级氧化技术中催化降解水体中有机污染物的作用机制以及催化性能增强的途径;最后指出尖晶石型铁氧体在高级氧化技术应用中存在的一些问题,并对其后续研究方向进行展望。     

超声-光催化降解水中有机污染物

超声-光催化是一项近年发展起来的废水处理的新型高级氧化技术。该技术利用超声的空化效应、自由基效应以及机械效应强化光催化的催化效能,实现超声和光催化对水中有机污染物的协同降解。本文从水中有机污染物的超声-光催化降解机理、降解动力学、影响因素（光催化剂类型和投加量、超声频率和强度、溶液pH值、温度、反应物初始浓度、溶解性气体和离子强度）和反应器类型（悬浮型、固定床型）4个方面介绍了相关研究进展,提出了目前存在的主要问题,并展望了超声-光催化降解水中有机污染物的发展方向。     

环境污染物的光催化降解:活性物种与反应机理

以二氧化钛为代表的光催化能使许多有毒的有机污染物发生降解或矿化,产生易被生物降解的小分子和二氧化碳,过程涉及羟基自由基等活性物种.本文在作者小组的工作基础上,试图总结近年来二氧化钛、(羟基)氧化铁、杂多酸和金属酞菁光催化或光敏化在水处理方面所取得的研究进展.综述的重点是二氧化钛半导体光催化,讨论的内容包括:(1)超氧自由基、羟基自由基和单线态氧的检测和各种生成机理;(2)金属离子、杂多酸和氟离子修饰催化剂表面对活性物种产生的影响和可能机理;(3)离子交换树脂和有机膨润土负载金属酞菁对吸附和可见光敏化降解水中有机物的影响.     

光催化：电子的奇妙之旅

半导体光催化技术可以利用太阳能光催化分解水制备氢气和降解有机污染物以解决能源问题和环境污染问题,并且具有反应低能耗、低温深度反应和反应具有光谱性等优点,是解决环境和能源问题领域中最具有应用前景的新技术之一。本文通过将半导体光生电子拟人化,以电子先生的旅游视角介绍了光催化反应中电荷的转移过程,介绍了光催化技术在制氢和降解有机污染物领域中的应用。     

GRS大红和弱酸红R混合液的光催化降解模拟研究

近年来,利用半导体材料处理印染废水的光催化氧化技术研究日益受到重视.该技术与传统的污水处理方法相比,具有高效、稳定、无二次污染以及对各类有机污染物(包括难生物降解的有毒污染物)可深度、彻底氧化等突出优点[1-2].目前对该技术研究的关注焦点放在高催化活性的光催化剂的研制上,但近年已有人开始利用已有催化剂如TiO2对印染废水进行光催化降解模拟研究,分析确定降解影响因素,并研究降解条件的优化,从而为该技术的应用奠定基础[3-5].     

超声技术处理水中有机污染物

超声技术在处理水中有机污染物的应用近年来受到越来越多的关注.与常规处理方法相比,超声处理高效省时.超声技术对众多难处理有机污染物的降解是有效的.本文介绍了超声降解有机污染物原理、影响因素和各种方法,主要包括单独使用超声处理和超声与生物催化剂、化学氧化、吸附等其它技术的联用,综述了近年来利用超声技术处理水中有机污染物的研究进展,对存在问题和发展趋势提出了见解.     

磷酸根和Nafion修饰TiO_2表面腐植酸调控的可见光催化降解苯酚性能(英文)

光催化水处理技术有望成为一种有效去除水中难降解有机污染物的方法.尽管人们已经研制了大量的新型光催化剂,但在环境应用中纳米TiO_2仍是最受欢迎的催化剂.由于光催化反应在表面发生,反应动力学主要取决于TiO_2的表面性质,因此,表面修饰是调控TiO_2光催化反应的重要手段,其中Nafion和磷酸根表面修饰TiO_2简单可行.Nafion修饰可以通过离子交换吸附富集阳离子底物提高光催化降解效率;而磷酸根修饰则可以增强对弱吸附底物的降解活性.另一方面,水中共存的天然有机物(NOM)例如腐植酸(HA)将抑制TiO_2光催化降解目标污染物的活性,同时又将通过光敏化诱导可见光催化性能.因此,研究如何调控NOM对光催化反应的影响将有助于光催化水处理技术的工程应用.本文以HA作为代表性的NOM,研究了磷酸根和Nafion两种不同修饰方法对HA敏化TiO_2性能的影响规律.可见光降解苯酚的实验结果表明,HA的敏化可以提高TiO_2可见光降解苯酚的效率.磷酸根修饰TiO_2抑制了HA的敏化作用,而Nafion修饰则增强了HA的敏化作用并提高可见光降解苯酚的活性.当HA浓度为20 mg/L时,Nafion修饰TiO_2降解10 mg/L苯酚的反应速率常数由(0.003±0.001)min~(-1)提高至(0.025±0.003)min~(-1).表面修饰引起的反应活性差异不能归因于HA的吸附容量的变化,因为吸附实验表明在光催化反应条件下,两种表面修饰的TiO_2对HA的吸附容量并无显著差异.添加不同的自由基捕获剂发现,HA敏化TiO_2及Nafion修饰TiO_2降解苯酚的主要活性物质为超氧自由基,而磷酸根修饰TiO_2的光催化反应中并没有超氧自由基.通过检测超氧自由基的电子自旋共振信号进一步证实了这一点.测试发现,光催化反应中Nafion修饰TiO_2产生的H_2O2增加,而磷酸根修饰的几乎不产生H_2O2,说明可能发生了四电子的氧还原反应.莫特-肖特基曲线(Mott–Schottky)的测试结果表明,Nafion修饰TiO_2的平带电位从-0.54 V负移到-0.85 V,多数载流子电子的密度提高了62%.电化学阻抗结果显示,Nafion修饰TiO_2具有较小的界面电子迁移阻抗.这些变化有利于提高电子迁移速率,抑制复合并增加超氧自由基的生成,从而提高光催化性能.因此对TiO_2进行恰当的表面修饰,将有助于强化HA的敏化作用,并提高可见光催化降解目标有机污染物的活性.     

光催化耦合技术在废水处理中的最新进展（英文）

随着工业进步和人口增长,大量难降解的有机污染物被排放到水体中,环境污染成为一个日益严峻的全球性问题.大多数有机污染物具有致癌性、诱变性、细菌性和复杂多样性,难以通过传统的化学、生物和光解等处理方法有效去除,亟需探索环保有效的去除污染物技术.光催化技术可以直接利用太阳光进行污染物降解,对环境友好,然而,其实际应用受到太阳能利用率低、催化剂分离困难、催化剂稳定性低以及矿化率低等因素的限制.近年来,将光催化技术与其他技术耦合成为解决上述困难的新趋势.对光催化耦合技术的最新进展和工作机制进行系统地梳理和总结对进一步推动去除污染物技术的发展具有重要意义.本文系统总结了光催化耦合技术在废水处理中的最新研究进展.首先,简要介绍了光催化的机理和研究进展,总结了光催化技术在废水处理过程中存在的问题.然后,简要介绍了光催化耦合技术在解决上述问题过程中的研究进展和发展趋势.其后,通过重点介绍一些典型研究,详细地阐述了光催化技术与传统水处理技术(吸附法、膜分离法、生物降解法)、高级氧化技术(电催化法、臭氧化法、Fenton法、过硫酸盐法)和其他技术(热催化法、等离子体法、超声波法、压电催化法、磁场法)的耦合机...     

超声-光催化降解有机污染物的研究进展

超声-光催化联合技术是近年来废水处理的新型高级氧化技术。该技术主要利用超声波和光催化降解联合产生的协同效应来提高有机污染物的降解效率。本文主要就目前国内外超声-光催化降解有机物的降解机理、影响因素(光催化剂的性能及投加量、超声频率、超声强度及声功率、pH、温度、离子强度、污染物的浓度、溶解气体和其它添加物)以及在废水处理方面的应用等方面进行了综述,并介绍了超声-光催化技术存在的主要问题,最后展望了该技术的发展前景。     

TiO2光催化氧化去除有机污染物的研究进展

本文综述了近年来TiO2光催化降解有机污染物的研究进展，讨论了各类 有机污染物光催化氧化反应的特点、影响反应速率的因素及光催化体系的改进。     

掺硼金刚石电极电催化氧化酚类有机物的取代基效应

本文主要以当前水环境中存在酚类有机污染物为研究对象,探讨酚类有机污染物在掺硼金刚石(BDD)电极上的取代基效应,具体研究具有不同位置及种类官能团的取代酚类有机污染物在BDD电极上的电催化氧化过程,通过化学需氧量和浓度变化考察有机污染物在电催化降解过程中的降解趋势,深入分析电极种类、官能团位置与种类与电催化氧化活性之间的联系的同时,研究阳极材料电催化氧化有机污染物的机理及动力学。结果表明,有机物在电极表面的电催化过程以电产生羟基自由基为媒介,对苯二酚在不同电极上的电催化活性与电极析氧电位及表面产生羟基自由基量有着重要的联系,BDD电极拥有最强的电催化氧化活性;不同取代基团的对位取代酚在BDD电极上的电化学降解实验显示电催化反应速率受取代官能团自身的电子效应制约,有机物矿化过程中羟基自由基首先进攻苯环的对位发生取代反应,同时取代基脱离苯环过程成为整个取代酚类电化学降解过程的决速步骤,且有机物的电催化反应速率与取代基特征Hammett常数σ呈近似线性关系。     

微波助离子液体中Y掺杂TiO_2光催化剂制备及微波强化光催化活性

在微波助离子液体介质中制备稀土元素Y掺杂改性TiO_2光催化剂,以提高催化剂的光催化降解活性,用XRD、SEM和BET等测试手段对催化剂结构进行表征;以甲基橙溶液和苯酚溶液为模拟污染物,分别在紫外光照(UV)和微波辐射-紫外光照(MW-UV)条件下考察TiO_2-Y催化剂的光催化活性;以对苯二甲酸作为荧光探针利用荧光技术检测TiO_2-Y催化剂表面所产生的羟基自由基,并对光催化降解反应进行动力学分析,探索了光催化降解反应机理.实验结果表明,通过优化反应条件后制得的TiO_2-Y催化剂具有较高光催化活性和热稳定性,在UV和UV-MW条件下降解甲基橙和苯酚溶液1.5h后,甲基橙降解率分别为98.3%和99.5%,苯酚降解率分别为97.5%和98.2%.荧光光谱分析表明,TiO_2-Y在MW-UV条件下产生的羟基自由基比UV条件下要多,因而微波辐照具有强化TiO_2-Y降解模拟污染物的作用;反应动力学数据分析表明,TiO_2-Y光催化降解甲基橙溶液反应呈现一级反应动力学规律,其表观速率常数K最大值为0.051 9min-1.     

磷酸根修饰的Mn掺杂介孔TiO_2在VUV-PCO体系高效催化氧化甲苯性能

真空紫外光解协同催化氧化(VUV-PCO)工艺作为常温下的一种高效目标物消除方式,具有真空紫外光解(VUV)、光催化(PCO)以及臭氧催化氧化(OZCO)三重功效。由于甲苯毒性强,存在广泛,本文选取甲苯作为雾霾重要前驱体的挥发性有机污染物(VOCs)的目标污染物,采用自制固定床连续流反应器(VUV光解和PCO工艺),通过浸渍法成功制备了介孔P-MnTiO_2催化剂,考察其在VUV-PCO体系降解甲苯性能。本文通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、紫外可见吸收光谱(UVVis)、X射线衍射光谱(XRD)等表征手段分析催化剂结构特征与活性的构效关系,探究Mn和磷酸改性对复合催化剂的光催化、臭氧催化活性以及吸附性能的影响机制。实验结果表明,磷酸修饰和Mn掺杂改性协同作用能有效提高催化剂臭氧催化活性及光催化性能,实现了臭氧的完全消除的同时,促进甲苯的高效降解。Mn~(3+)掺杂进Ti的晶格提高了TiO_2的吸光性能,同时可以在催化剂表面产生氧空位,增强催化剂对氧气、臭氧等的吸附和转化。适量磷酸修饰则能进一步提高催化剂对O_2、O_3等物种的吸附性能和表面光生电子-空穴分离效率,进一步增强催化剂光催化活性及臭氧催化活性。催化剂优异的性能归因于催化剂介孔结构对污染物的有效吸附、表面氧空位上催化分解O_3生成O(1D),O(3P),·OH及高效光催化反应产生的活性氧物种共同作用。甲苯首先被VUV光解打断,生成大量中间产物后,经光催化和臭氧催化氧化使最终生成的中间产物和剩余甲苯被系统中的活性氧物种进一步氧化降解为CO_2和H_2O。与此同时,出口臭氧彻底消除。     

光催化降解污染物制氢反应与原位红外表征

研究了在Pt/TiO2悬浮体系中单组分和双组分污染物为电子给体光催化分解水制氢反应. 比较了污染物甲醛、甲酸和草酸为电子给体光催化放氢反应效率，发现其活性为：草酸 >甲酸 >甲醛.原位ATR（衰减全反射）红外研究结果表明，光催化放氢活性与污染物吸附特性有关.还研究了草酸与甲酸双组分污染物体系的光解水放氢和污染物降解动力学，发现总的放氢和污染物降解速率与污染物组分在TiO2表面的吸附强度和溶液浓度有关.污染物在TiO2表面的竞争吸附决定了反应动力学.原位ATR-IR方法研究双组分混合物体系的吸附，直观地证实了上述结果.     

几种典型有毒有机污染物的光催化降解研究

本文研究了氯代苯酚和苯胺类化合物的光催化降解,探讨了这些有机污染物分子的氯取代和化合物毒性与光催化降解之间的关系.研究表明,氯代苯酚和苯胺类化合物的光催化降解均符合表观一级反应动力学模型.有机物分子中氯取代基的引入加快了化合物的光催化降解,且反应速率随氯取代基个数的增多而增大.光催化降解的表观速率常数与正辛醇-水分配系数之间存在有较好的线性关系:logk=alogKow+b,该模型可以用于有机污染物的光催化降解性预测.     

双功能气凝胶吸附-降解协同处理染料废水

针对吸附法处理染料废水易产生二次污染和基于过一硫酸氢盐(PMS)的高级氧化技术降解有机污染物易受水体复杂成分影响的问题,设计构筑具有吸附和活化PMS功能的铁掺杂纤维素纳米纤维/还原氧化石墨烯气凝胶(CNFs/RGO/Fe)用于吸附-降解协同处理染料废水.CNFs/RGO/Fe对阳离子染料具有良好的选择性吸附功能,其对亚甲基蓝(MB)、罗丹明B (RhB)和结晶紫(CV)的最大吸附容量分别高达655.1 mg/g、696.5 mg/g和962.1 mg/g,吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir等温模型.将吸附染料的CNFs/RGO/Fe置于PMS溶液中,可以促进PMS活化产生大量·OH,实现对吸附质的降解和气凝胶的再生.经5次吸附-降解循环后,CNFs/RGO/Fe对染料去除率仍保持在75%以上,表现出良好的重复使用性.本研究有望为去除复杂水体中有机污染物提供新思路.     

高价锰、铁去除水中新兴有机污染物

新兴有机污染物在水环境中广泛存在,对生态环境和人体健康都有潜在危害,如何去除水环境中的新兴有机污染物成为研究人员日益关心的问题。高价锰、铁,主要指高锰酸钾(Mn(Ⅶ), KMnO₄)、高铁酸钾(Fe(Ⅵ),K₂FeO₄),是两类高效且环境友好的无机水处理药剂,可以高效地去除新兴有机污染物,因而备受人们关注。同时,高价锰、铁在降解新兴有机污染物过程中具有相同或者相近的化学性质和相近的化学行为。当前,关于高价锰、铁氧化降解新兴有机污染物的研究主要集中在构建动力学模型,解析中间价态的锰、铁的作用,阐述与其他物质或工艺联用时可能产生的自由基的作用及其在实际水体中的应用。本文综述并比较了高价锰、铁氧化降解新兴有机污染物的动力学模型、中间价态离子的作用、自由基的作用和在实际水体中的氧化特性。