光催化氯化处理饮用水中有机污染物

摘要：随着国民经济的快速发展，人民生活水平不断提高，各种农药、石油化工产品广泛使用，水环境已受到相当严重的污染，特别是有机污染，目前已成为全社会普遍关注的一大热点。为解决这一问题，除采除严格的措施控制污染物的使用和排放等政府行为外，亟需研究高效、简单、价廉又无二次污染的水处理方法。
  
  
  关键词：光催化氯化处理 有机污染物 水处理方法
  
  　　一、前言
  　　随着国民经济的快速发展，人民生活水平不断提高，各种农药、石油化工产品广泛使用，水环境已受到相当严重的污染，特别是有机污染，目前已成为全社会普遍关注的一大热点。为解决这一问题，除采除严格的措施控制污染物的使用和排放等政府行为外，亟需研究高效、简单、价廉又无二次污染的水处理方法。
  　　二、目前用于控制饮用水中有机污染物的技术对策
  　　⑴改进和强化传统工艺：改进和强化传统的常规水处理工艺是目前控制水厂出水中有机物含量最经济、最具实效的手段。采用高效的斜管沉淀是强化沉淀效果的有力措施，气浮工艺的开发和应用为传统沉淀工艺提高了又一个新的思路。过滤除采用双层过滤、多层过滤等形式外，目前有许多关于象硅藻土等新过滤材料的报导。但这些工艺对有机物的去除率较低。
  　　⑵空气吹脱：自70年代末期，空气吹脱开始用于去除毒草性有害挥发性有机物（VOCs）。在114种有机俦控制污染物中可吹脱的达31种，但被吹脱的VOCs可能造成二次污染。
  　　⑶生物预处理：其目的是去除或减少可能在加氯后生成致突变物质的前驱物质及一些可生物降解的有机物与去除氨氮、亚硝酸盐，减轻后续工艺的负担及提高整个工艺流程的处理效率。一些研究表明，生物预处理进出水毛细色谱峰数相差很小，Ames试验阳性的耐用消费品水处理后仍呈阳性，处理过程中往往使溴化物等THMs与溶解性有机物比值长高。
  　　⑷吸附：以活性炭为代表的吸附工艺是目前对付有机污染物首选实用技术，但是活性炭吸附对优先控制污染物名单中绝大多数的极性有机物，特别是危害较大的卤代烃的吸附效果不太好，而活性炭吸附后的再生问题一直难以得到满意的解决。
  　　⑸氧化法：常用的有臭氧和KMnO4法。臭氧的使用可发送混凝效果，氧化部分溶解性有机，但是臭氧的氧化很难达到完全矿化的程度。研究表明臭氧对水中一些常见优近代污染物如三氯甲烷、四氯化碳、多氯联苯等物质的氧化性很差。臭氧还会与水中腐殖质反应生成醛类、酮类及有机酸，这些不安全氧化产物的积累，在管网中可促进硝化细菌等微生物生长，影响供水水质，Ames试验表现为阳性。KMnO4也是去除水中微量有机污染物的一种氧化剂，KMnO4氧化可控制氯酚、THMs的生成，并有一定的色、嗅、味的去除效果。但是KMnO4的氧化势看其氧化性远低于O3，不与O3反应的污染物也难以被KMnO4氧化，同时KMnO4投加量控制不当时会引起不的色度和浊度增加，另外反应中生成KMnO2产生额外的污泥等均限制了其应用。
  　　⑹膜法：它是深度处理的一种高级手段，反渗透、超滤、微滤和纳滤能有效去除不中嗅味、色度、消毒副产物前体及其它有机物和微生物。近年来，膜法在美受到高度重视，特别其对消毒副产物的良好控制，被EPA推荐为最佳工艺之一。但膜处理要求对原水进行严格的各种预处理和常规处理，另外膜法的投资和运行费用较高，因此很难大规模地推广应用。
  　　⑺光化学处理：有机污染物吸收入光之后进入激发态引起化学反应而被去除。光分解只能作用于对给定波长紫外光有较强吸收的物质，而且通常不能完全矿化，加上饮用水中微量有机物种类繁多，单纯的紫外光处理效果不是太好。
  　　三、光催化氧化法
  　　该方法是近二十年来才发展起来的水处理新技术，它是在水中加入一定量的光敏半导体材料，结合具有一定能量的光照射，光敏半导体材料被光激发出电子——空穴对，吸附在光敏半导体表面的溶解氧、水及污染物分子接受光生电子或空穴，从而发生一系列的氧化还原反应，使有毒的污染物降解为无毒或毒性较小的物质的一种方法，可大大地改善水处理效果，所以在二十世纪七十年代一经提出，即引起全球科技界的高度重视，竞相进行研究。不少著名学者甚至断言其将成为氯消毒的替代技术和二十一世纪水处理的主导技术之一。
  　　1、光催化氧化的机理：
  　　光催化氧化是以N型半导体的能带理论为基础，N型半导吸收了能量大于或等于带隙宽度的光子后，进入激发态，此时价带上的受激发电子跃过禁带，进入导带，同时在价带上形成光致空穴。以TiO2例，TiO2的禁带度（Eg）为3.2ev，当用波长小于387nm的光照射TiO2时，由于光子的能量大于禁带宽度，其价带上的电子被激发，跃过禁区带进入导带，同时在价带上形成相应的空穴：TiO2+hλ→h++e
  　　光致空穴具有很强的捕获电子的能力，而导带上的光致电子又具有很高的活性，在半导体表面形成氧化还原体系，当半导体处于溶液中时存在如下反应：
    　　h++H2O→OH+H+
  　　e-+O2→O2-→HO2·
  　　2HO2·→O2+H2O2  
  　　H2O2+O2→·OH+OH+O2
  　　h++OH→·OH   
  　　氘同位素试验⑴和电子自旋谐振（ESR）[2-3]研究均已表明，利用上述反应产生的游离基具有高度活性，可以氧化包括难以生物降解的各种有机物质并使之矿化。
  　　2、影响光催化氧化反应速度因素
  　　（1）催化剂：光催化氧化以n型半导体为催化剂，包括TiO2、ZnO、CdS、WO3和Fe2O3等，其中TiO2和ZnO在光照下不稳定， TiO2有两种晶型，锐钛型活性优于金红石型。此外催化剂的粒径、孔隙率、平均孔径、表面电荷、退火预处理、纯度等都是影响光催化活性的因素
  　　（2）光源和光强：光催化氧化始于光照下n型半导体的电子激发跃迁，用于激发的光子能量必须大于半导体的禁带宽度（Eg）才能完成这一过程。TiO2的Eg为3.2ev，可求出其所需入射光的最大波长为387nm，研究中所用波长一般为300——400nm，所用灯包括高压汞灯、黑光灯、紫外线杀菌灯等。Bahnemann等在光催化降解三氯甲烷时，发现降解速率与光强的平方根之间存在线性关系。更进一步的研究发现，在光强大于6×10-5Einstein·L-1·S-1时，光催化没有效果。结论是光强大，并不一定有效。Okamoto等⑷ 发现，光强大于2×10-5mol·m-2·s-1时，酚的降解速率与光强的平方根存在线性关系，但在低光强下（

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哈哈，看的人少，回一下  

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