水污染控制--光催化氧化技术ppt课件

水污染控制 光催化氧化技术 1 目录 2 光催化氧化技术的基本原理及特点 1 光催化氧化技术的影响因素 2 光催化氧化技术存在问题 3 参考文献 4 2 光催化氧化技术的概念 3 光催化氧化是在反应溶液中加入一定量的半导体催化剂 使其在紫外光的照射下产生 通过的强氧化作用降解有机污染物 3 4 光催化氧化技术的基本原理 半导体的能带理论 当用能量等于或大于禁带宽度的光照射时 半导体价带上的电子e 被激发跃迁到导带 同时在价带产生相应的空穴h 这样在半导体内部生成e h 对 它们能够在电场作用下或通过扩散的方式运动 与吸附在半导体催化剂粒子表面上的物质发生氧化或还原反应 4 5 图1光催化氧化原理图 价带 禁带 导带 还原性物质被空穴h 氧化 氧化性物质被电子e 还原 5 6 常用的催化剂 光催化氧化常用的催化剂有 TiO2 ZnO CdS WO3等 TiO2原料易得 耐腐蚀性能好 对光的稳定性强 且具有较强的光催化氧化能力 是使用最多的光催化剂 图2TiO2光电效应图 6 7 TiO2光催化机理 7 8 光催化氧化技术的特点 适用范围广 处理效果好反应成本低且反应条件温和反应易于控制且反应过程不产生二次污染反应速度快 8 9 光催化氧化的影响因素 催化剂用量 有机污染物的降解率开始随TiO2用量的增加而提高 当量增加到一定量时降解速率不再提高 反而有所下降 开始速率提高是因为催化剂的增加 产生的增加 当催化剂增加到一定的程度时 会对光吸收有影响 9 10 Fig 3EffectofcatalystloadingonphotocatalyticdegradationrateofBrij35Experimentalcondition Brij35 0 0 25mM I 19 9mWcm 2 VL 250mL T 298K pH7 0 最佳催化剂量0 1g L 10 11 Fig 4EffectofcatalystloadingonPCDofphthalicacid phthalicacidconcentration 100mg L reactiontime 6h 11 12 光催化氧化的影响因素 污染物种类 吸附到TiO2表面的速度较快 但降解速度较慢 苯环结构易受攻击 有机污染物 以长碳链为主的烷烃类 含苯环的芳香族类化合物 12 13 Fig 5Degradationofvariousaromaticcarboxylicacidswithtime acidconcentration 100mg L catalystamount 2 5g L 邻氯苯甲酸 苯甲酸 邻苯二甲酸 邻硝基苯甲酸 13 14 光催化氧化的影响因素 温度 受温度影响的反应步骤主要是吸附 解吸 表面迁移和重排 而这些均不是决定光反应速率的关键步骤 因而反应温度对光催化降解污染物的影响很小 14 15 麦草畏化学结构 Fig 6Effectoftemperatureonthesolarphotocatalyticdegradationofdicambainaqueoussolution Insertfigure plotofLn k versus1 T Dicamba 10 g mL TiO2 30mg 1mg mL irradiationtime 10min lightintensity 1 6mW cm2 pH5 0 15 16 光催化氧化的影响因素 温度 Fig 7Proposedphotocatalyticdegradationpathwayofdicamba 16 17 光催化氧化的影响因素 pH 反应体系的pH值对TiO2表面态 界面电位和表面电荷及聚集性均有较明显的影响 pH较低时 TiO2表面质子化 使其表面带有正电荷 因而对光生电子向TiO2表面转移有利 pH较高时 OH 将使TiO2表面带有负电荷 有利于空穴从颗粒内部转移到颗粒的表面 因此 光催化氧化一般在pH值较高或较低时反应速度最大 17 18 Fig 8EffectofinitialpHonthesolarphotocatalyticdegradationofdicambainaqueoussolution Dicamba 10 g mL TiO2 30mg 1mg mL irradiationtime 10min lightintensity 1 6mW cm2 20 最佳pH5 0 18 19 Fig 9PhotocatalyticdegradationofBrig35atdifferentpH 19 20 光催化氧化的影响因素 污染物初始浓度 反应物浓度很低时 降解速率与浓度成正比 反应物浓度增加到某一程度时 随着反应物浓度加 反应速率虽有所增加 但这种增加与反应物已不存在正比例关系 反应物浓度达到某一高度时 反应速率将不再随浓度的变化而变化 20 21 Fig 10Effectofinitialconcentrationofphthalicacidonthedegradationamount catalystamount 2 5g l reactiontime 3h 21 22 光催化氧化的影响因素 光源和光强 半导体光催化降解所需要的光源为紫外或近紫外波段 光催化光源大多为汞灯 紫外灯 黑光灯等 实践中常用180 380nm的波段 通常随着光强的增加 产生的光子数目增多 光催化剂受光激发产生的电子 空穴对增多 溶液中的越多 有利于污染物的降解 22 23 光催化氧化的影响因素 催化剂的结构 催化剂的晶粒尺寸 存在状态以及表面改性等均对其光催化性能有较大影响 固定相膜体系光催化氧化 用化学或物理方法将半导体材料固定于载体如石英玻璃板 玻璃纤维布 陶瓷等的表面 制成薄膜光催化剂 通过金属离子或稀土金属的掺杂以提高光催化活性 晶格中掺杂的Fe3 Mo5 V5 Re2 等可显著提高光催化效率 23 24 Fig 11PhotocatalyticdecompositionofRhBundervisiblelightirradiationwith a nophotoctatlyst b nonporousTiO2film c porousTiO2film d f porousF TiO2film 10mM 40mM 50mM AFMimagesof a porousTiO2filmand b porousF TiO2 40mM film 24 25 光催化氧化技术存在的问题 光催化量子效率低 难以处理量大且污染物浓度高的废水 光谱响应范围窄 太阳能利用率低 光催化氧化效率受到废水色度 浊度和其他多种因素制约多相光催化氧化反应机理尚不清楚 光催化剂易失活 难回收等 25 26 参考文献 1 V G Gandhi M K Mishra M S Rao etal Comparativestudyonnano crystallinetitaniumdioxidecatalyzedphotocatalyticdegradationofaromaticcarboxylicacidsinaqueousmedium J JournalofIndustrialandEngineeringChemistry 2011 02 331 339 2 YongYongEng VirenderK Sharma AjayK Ray Photocatalyticdegradationofnonionicsurfactant Brij35inaqueousTiO2suspensions J Chemosphere 2010 01 205 209 3 KiyoykiEGUSA SatoshiKANECO YukaKAWAMOTO etal SolarPhotocatalyticDegradationofDicambainAqueousSolutionandItsMechanism J BUNSEKIKAGAKU 2011 60 4 345 351 4 RongxinMu ZhaoyiXu LiyuanLi etal Onthephotocatalyticprope