TiO2光催化降解水体中有机污染物的动力学研究综述

王茜张艳强

(1.北京中医药大学东方学院, 河北 廊坊 065001; 2.廊坊师范学院, 河北 廊坊 065000)

TiO2光催化降解水体中有机污染物的动力学研究综述

王茜1张艳强2

(1.北京中医药大学东方学院, 河北 廊坊 065001; 2.廊坊师范学院, 河北 廊坊 065000)

近年来，环境污染尤其是水污染问题日益严重，推动了人们对光催化技术的研究热潮。而半导体多相催化法能有效的将污染物彻底矿化，从根本上消除了对环境的二次污染。TiO2由于具有较高的光催化效率被人们日益重视，而其光催化降解污染物的动力学方式也成为了人们的研究焦点。

TiO2；光催化；有机污染物；动力学

1 前言

半导体多相催化法作为一种污染治理新技术与其他方法相比具有高效节能、清洁无毒、无二次污染和工艺简化等优点，能有效地将有机污染物氧化并彻底矿化为为H2O、CO2、N2等无机小分子，达到完全无机化的目的，从而消除对环境的污染[1,2]。因而在空气净化、各种生物难降解有机废水处理、综合废水处理及生活用水的深度处理等方面有着很广阔的应用前景，越来越受到人们的重视。许多难降解或用其它方法难以去除的物质，如氯仿、多氯联苯、有机磷化合物、多环芳烃等也可利用此法有效降解[3-5]。TiO2由于具有合适的能带结构、光催化活性高、无毒、价廉、原料易得等优点，而成为人们研究的热点[6,7]。

2 TiO2光催化降解水体中有机污染物的动力学研究

2.1 TiO2光催化降解茜素黄R动力学研究

偶氮染料是应用最广泛的一类合成染料，有些偶氮染料在光催化分解过程中可能会产生具有致癌作用的芳香胺，陈强[8]等人的研究中，以茜素黄R为研究对象，采用实验和理论手段，并通过检测光催化过程中生存的CO2量，研究了完全光催化降解茜素黄R的动力学规律。研究发现，获得不同初始浓度茜素黄R的动力学曲线后，用Langmuir-Hinshelwood(L-H)动力学模型对动力学数据进行非线性拟合，所得理论计算结果与实验数据高度吻合，相关度R2≥0.995。这表明，茜素黄R的光催化降解动力学规律符合L-H动力学模型,反应物浓度C与反应速率常数k之间存在较好的线性关系，反应速率常数k随茜素黄R初始浓度增大而增大。这是因为随着反应物浓度的增加，占据催化剂表面活性位的反应物分子数增加，故反应加快。随着C增加，吸附平衡常数K减小，推断其原因为茜素黄R降解生成的中间产物多，不同物质在TiO2表面的吸附不同。

2.2 TiO2光催化降解硝基酚类污染物动力学研究

硝基酚类化合物广泛存在于焦化及煤气生产企业排放的废水中,具有排放量大、难降解以及“致癌、致畸、致突变”等特点,并被美国环保局列入优先控制的污染物。常江[9]等人选择了几种典型的硝基酚类物质为目标模型物，对它们的光催化动力学行为进行了研究。结果表明，各硝基酚反应浓度随时间的下降遵循L-H方程，相关系数R2在0.944～0.991。吸附平衡常数（KL）随着表观速率常数（kapp）的加快呈现递减的趋势。经分析，这主要是由于硝基酚类物质光催化降解多发生在溶液中或TiO2颗粒的近表面处，因此较低吸附平衡常数（KL）的酚表现出较高的降解速率。对于吸附平衡常数（KL）较大的酚，由于在降解过程中，母体分子与中间产物分子都较强地吸附于催化剂表面，减少了表面活性位的数目，阻止了羟基自由基的产生，所以降解速率较低。

2.3 TiO2光催化降解甲基橙动力学研究

景晓辉[10]等人的研究表明，TiO2光催化反应在催化剂表面发生，遵循Langmiur-Hinshelwood(L-H)动 力 学 模 型，相 关 系 数R2=0.9913。将不同初始质量浓度下甲基橙的降解曲线进行一元线性拟合，可得不同质量浓度甲基橙的降解速率，在实验质量浓度范围内，甲基橙的降解速率总体趋势随初始质量浓度的升高而升高。

2.4 TiO2光催化降解甲醛废水动力学研究

侯苛山[11]等人的研究表明，随着催化剂投加量增大，k值也在增大，；随着甲醛初始浓度的增大，k值在降低。数据表明，ln(C0/C)与时间t呈良好的线性关系，其相关系数均大于0.99，因此认为不同TiO2/AC复合材料投加量和不同初始浓度的甲醛废水，其降解反应符合一级动力学规律，且表观反应速率的大小与实验光催化反应快慢结果一致。

2.5 TiO2光催化降解亚甲基蓝动力学研究

徐小勇[12]等人的研究表明，氮掺杂纳米二氧化钛光催化氧化亚甲基蓝反应符合Langmuir-Hinshelwood等温吸附规律，光催化速率的变化随着催化剂用量呈现饱和现象。

3 结语

研究发现，TiO2光催化降解水体中的有机污染物均符合Langmiur-Hinshelwood(L-H)动力学模型，反应物浓度C与反应速率常数k之间存在较好的线性关系，而反应速率常数k随污染物初始浓度的增大而增大，为以后TiO2光催化降解污染物的实际应用提供了理论依据。

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