光催化法对于污水深度处理的分析探讨

摘 要：随着国家對水体污染的密切关注，人们对生活环境质量的提高，相应的对污水排放指标的要求愈加严格。目前我国污水处理工厂中最为常用的深度处理工艺为活性炭吸附法和膜分离法，而光催化法作为新兴工艺引起了水处理领域的研究和探讨。本文则对三种污水深度处理工艺的比较分析，从而得到光催化法作为新的工艺对于污水处理领域有着重大的意义，虽然目前应用实例并不普遍，但其前景应用价值非常大。

关键词：深度处理；活性炭吸附；膜分离；光催化；

前言：

水作为人们生命的源泉遭受着各种各样的污染，如今干净的水资源尤为珍贵。我们不仅要做到节约水源，更要对受污染的水进行处理达标并进行回用。目前工业常用处理工艺为活性炭吸附、膜分离，而光催化则为高级氧化物法，相比于活性炭吸附和膜分离方法更为简单高效。

一、常见污水深度处理的工艺

（1）活性炭吸附工艺

活性炭是一种具有吸附能力的多孔物质，因内部空隙多和比表面积大使得吸附能力极强。活性炭的空隙结构通常分为小孔（微孔）、过渡孔（中孔）和大孔【1】，其中大孔和过渡孔为吸附质的扩散提供通道；而吸附量主要有小孔支配，但对分子量较大物质，小孔几乎不起作用，主要由过渡孔完成吸附。按照粒度的大小，活性炭分为颗粒活性炭（直径小于0.074mm）和粉末活性炭（直径大于0.1mm）。

（2）膜分离工艺

膜分离即为在某种推动力（压力差、电位差、浓度差等）的作用下，利用某种隔膜特定的透过性能，使溶质或溶剂分离的方法。以膜分离的方式分离溶质时一般称为渗析，分离溶剂时一般为渗透。当膜分离技术应用于污水处理中时，按其推动力的不同形成不同的污水处理技术【2】：以浓度差为推动力则为扩散渗析；以电位差为推动力则为电渗析；以浓度差为推动力则分为反渗透、纳滤、超滤、微滤。

（3）光催化工艺

光催化就是利用半导体材料在光照条件下能够价带产生空穴，导带产生电子【3】。在紫外光，可见光以及进红外光的光激发作用下光生电子和空穴，从而利用其氧化还原性降解污染物。在制备光催化剂时，要根据价带和导带的位置提高电子空穴的分离效率，产生更多的羟基自由基，超氧自由基，单线态氧等活性物种，通过加入捕获剂进行活性捕捉，来探讨其光催化原理。

二、不同工艺优缺点的比较

（1）不同工艺的优点

活性炭吸附在处理过程中具有良好的吸附性能和化学稳定性，耐酸碱，能经受水浸、高温、高压的作用，不易破碎，吸附饱和后的活性炭，可经再生后重复使用【4】。而粉末活性炭与吸附质接触充分，吸附速度快，效果好；颗粒活性炭有利于再生。膜分离与活性炭相比同样具有能耐高温，机械强度高，化学性能和热稳定性强等特点，且膜组件装填密度大、成本低。膜分离工艺运行过程中耗能低，构件简单，投资小，方便运行和维护【5】。而光催化法则能够通过光能将污水中的有机物彻底氧化分解为CO2和H2O等简单物质，氧化能力很强，运行条件温和，操作简便，成本不高，运行能耗低，不会造成二次污染，催化剂能够回收并重复利用，节能环保。

（2）不同工艺存在的问题

在处理过程中上述三种工艺虽然各有优势，却也相应的存在一些问题。对于活性炭吸附一般不考虑再生，处理费用较贵；吸附能力未能充分利用；污泥处理量大。而在膜分离过程中，水中的物质与膜发生一系列物理化学等反应，从而引起反应物质在膜表面沉积并对膜的孔径造成堵塞现象，以致形成膜污染现象。且膜本身有一定的寿命，在使用达到一定时间时，则会出现膜的老化。而光催化法作为新兴的处理工艺没能广泛应用于工程中的最大局限条件则是反应器的设计条件苛刻和催化剂的选取。

（3）分析结果

综上可知，目前在污水深度处理过程中，最为常用的方法就是活性炭吸附法和膜分离法，而光催化作为新兴的处理方式具有能够仅仅使用光能的条件下将污水中的有机物进行完全降解，并且不会造成二次污染，这在很大程度上解决了有限资源的利用问题，并能够在简单高效的处理工艺下对污水进行深度的处理。

三、光催化法的影响因素

光催化法主要影响因素有：催化剂、光源光强、pH及其他影响因素等。

（1）催化剂

光催化氧化过程中催化剂多为TiO2和ZnO等n型半导体，其中TiO2的化学性能和光化学性能更为稳定，且没有毒性、货源充足、价格低廉，因此在光催化法中应用最为广泛。

（2）光源光强

在光催化材料合成之后，通过活性测试来判断材料的光催化活性。其中光源是最重要的因素。光源分为紫外光、可见光以及近红外光。在进行活性测试时，光源强度可以采用300w氙灯或者紫外光等以及近红外等仪器。光源距离反应器的距离以及催化剂的加入量对于光催化剂的预期效果也有重要影响。在有光降解活性的条件下，光源越强，光源距离反应器的距离越近，光催化效果越好。

（3）pH

当pH值偏低时，TiO2表面带有正电荷，因而有利于光生电子向TiO2表面转移；当pH值为中性时，水分子与光生空穴发生反应形成OH-和质子；当pH值较高时，OH-和TiO2表面均带负电荷，有利于空穴转移到颗粒表面【6】。经实验论证，当pH值较高和较低时，均有利于光催化反应。

（4）其他影响因素

光催化法的运行不仅受催化剂、光源光强、pH的影响，还会受到反应时间、外加氧化剂、盐、反应温度等的影响。例如：在相同光强下，随着光照时间的增加，光催化反应进行的速率和效率越高，但达到一定时间时反应速率则有所减缓【6】。

四、光催化法的工程实例

光催化法是近20年才兴起的污水深度处理的工艺，在国内外均处于研究阶段，真正应用与工厂的实际案例少之又少。且国内外真正对于光催化的应用也是同物化法、膜法和滤床等相结合，例如：广州市某涉外高级住宅小区复合生态滤床和光催化技术用于景观水治理【7】，云南某厂的物化-光催化-膜处理电镀废水工程【8】。

云南某厂的物化-光催化-膜处理电镀废水工程为例：目前国内大多数企业电镀废水工艺多采用物理法和化学法，而国外则在此基础上引入膜分离技术改善了物理和化学方法应用过程中的弊端，但依旧存在COD难降解的问题，由此该工程则加入了光催化步骤，由此提高了出水中的COD和重金属离子的去除效率，并且光催化过程的加入，提高了膜分离的效率，使反渗透膜的使用周期和寿命均得到延长，使其运行成本大大降低【8】。

参考文献：

[1]张长明.活性炭在饮用水深度处理中的应用研究[D].山西：太原理工大学，2011.

[2]雷晓东.膜分离法污水处理技术[J].工业水处理，2002，22（2）：1-3.

[3]魏宏斌. 光催化氧化法的影响因素和发展趋势[J].上海环境科学，1995，14（3）：7-10.

[4]李春松. 活性炭吸附法在处理工业废水中的应用[J].绿色科技，2015，（1）：181-182.

[5]黄旋律. 膜分离技术在污水处理中的应用[J].节能环保，2016，（31）：13-14.

[6]王能量. 光催化氧化法降解有机污染物影响因素及其效率提高途径[J].应用化学，2007，36（2）：183-186.

[7]杨永坤. 复合生态滤床和光催化技术用于景观水治理[J].中国给水排水，2008，24（6）：63-66.

[8]刘瑞斌. 物化-光催化-膜处理电镀废水工程实例[J].给水排水，2016，42（2）：65-67.

作者简介：

张亚方，1997年12月22日，女，汉族，河南省漯河市人，郑州大学

专业：给排水科学专业。