掺杂型TiO2颗粒光催化处理废水性能分析

何添铭+张卓夫+宋建

摘 要：概括了工业废水处理的特点，分析了TiO2光催化活性的因素和改性二氧化钛在光催化氧化性能和效果。

关键词：TiO2；掺杂；光催化；废水处理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.003

1 前言

由于工业生产中含有大量的苯系、萘系、苯胺及联苯等有机化合物，而且在生产工艺过程中多与金属纤维等物质接触，使废水具有TOC、COD高，色度大，化学成份复杂等特点。但是未经处理或预处理的纺织、造纸、塑胶、皮革、食品及化妆品工业中含有难生物降解的废水，在生化处理方面存在着运营成本高，COD去除率低的问题。在上世纪70年代人们发现半导体材料具有光催化性能以来，由于二氧化钛具有极高的降解效率和稳定性，因此，二氧化钛已被广泛用于作为催化剂在各种过程，如水净化，或其他三废处理上[1]。

2 影响TiO2光催化活性的因素

2.1 TiO2的晶体结构

TiO2具有锐钛矿型、金红石型、板钛矿晶型，因为板钛矿晶型热稳定性差，几乎不具有光催化活性，因而研究价值很低。大部分情况下锐钛矿型的TiO2光催化活性更高，但在锐钛矿型、金红石型共存的情况下会比单一晶型的光催化活性更高。Li等人[2]发现，二氧化钛表面存在锐钛矿和金红石的混合晶相时，其光催化活性得到很大提高，在光催化制氧的反应中，具有混晶结构的TiO2的产氧速度最大可比纯金红石相TiO2快近3倍。

2.2 晶粒尺寸

晶体尺寸的大小直接影响光催化反应的效率，粒径越小，催化剂比表面积越大，光吸收效率越高，小粒子的锐钛矿型TiO2在有机物的光催化降解反应中活性较高，而大粒子的金红石型TiO2则更适于光解水反应的进行[3.4]。弓莹等[5]指出1%的La掺杂在TiO2里能使催化剂的比表面积增加，具有介孔结构。

3 改性二氧化钛光催化剂的研究

3.1 稀有金属镧掺杂TiO2的研究

稀土金属的电子结构较为丰富，用稀土元素改性的TiO2能够通过较大的轨道半径，引起晶格缺陷改变价带结构，降低光生电子空穴对的复合速率最终提高TiO2的光催化活性。水淼 [6]等认为当La掺杂量低于0.8%时掺杂量越高越好，镧进入了TiO2晶格中引起了晶格膨脹，改善了TiO2的光活性，经过600℃处理的掺镧的TiO2对亚甲基蓝的降解率为58.9%，并且比经过同等条件处理过的纯TiO2[7]。

3.2 非金属元素氮掺杂TiO2的研究

N元素是目前掺杂在TiO2中非金属元素最热门的一种元素，有研究[8]表明由于N的掺杂在价带中产生的杂质能级导致了TiO2的吸收带边红移。石建稳 [9]指出适量氮的掺杂可以提高TiO2的可见光利用率。

3.3 镧-氮共掺杂TiO2的研究

综合了两种元素的优点，使TiO2具有吸收带红移的同时获得光生电子和空穴复合速率低的特点。N的加入促进了样品中 TiO2由锐钛矿相向金红石相的转变，而La掺杂能强烈抑制样品中TiO2由锐钛矿相向金红石相的转变，与N的掺杂促进相变转化的不利因素相抵消，对保持具有较高催化活性的锐钛矿型TiO2，提高光催化性能有积极的作用[10]明La和N共掺杂引起锐钛矿 TiO2能带结构发生了很大变化，TiO2的禁带宽度变窄，提高了太阳能利用率[11]。La-N共掺杂TiO2对孔雀石绿的降解率是未掺杂的1.8倍[12]。共掺杂处理染料活性比未掺杂或单一元素掺杂的TiO2更好，处理效果也更好[13]。

4 结论与未来展望

随着对光催化的各种因素的研究，改性TiO2在污废水方面发挥了极大的优势，无论是在理论层面还是在应用层面上都得到了极大的发展。但是光催化技术还存在这光生电子空穴对分离率低、太阳能利用率低、耗能高、处理废水效率不高等缺点。所以对TiO2改性以提高光催化效率和可见光利用率是解决这一问题的有效途径。

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