光催化剂降解染料废水的研究进展

光催化剂降解染料废水的研究进展

韩松洺 ,王涵 ,金钰鑫

沈阳师范大学化学化工学院，沈阳 110034

摘要：随着工业高速发展，毒害性工业废水违规排放已经严重危害到人类健康和生态环境，光催化技术处理工业废水因为高校、绿色环保、价格经济的优势引起业内广泛关注。本文综述了卤氧化铋、TiO₂和新型复合纳米光催化剂用于光催化降解染料废水中污染物的研究进展及结果，并对其发展趋势作了展望。

关键词：光催化;卤氧化铋;复合纳米光催化剂;有机废水

1.引 言

随着我国经济实力和工业化水平的提高，有机染料在工业废水中的含量越来越高，对水质和水系生态系统造成了严重的威胁。为解决现状，引入了一些处理方法，如吸附、混凝、过滤和氧化。传统的污染处理技术虽有很多，但其耗能高，处理成本高昂，处理不到位可能对环境造成二次污染。探索新技术降解工业生产废水中的有机染料，利于对环境的保护和工业的进一步发展。光催化技术是一种新兴的绿色环保型处理手段，其降解效果彻底，无二次污染，耗能极低、经济等特点引发关注，被期待为解决当今社会中资源和环境问题的有效途径。

2.光催化材料的进展

近十几年，光催化技术广泛应用于处理废水和空气、自表面清洁、还原二氧化碳和产氢等领域 ^[1]，其作为一项经济且无毒的污染处理技术，也受到了较大的重视。

目前，研究较多的光催化材料主要有Ti系、Cd系、Ag系、Bi系等^[2]。由于纯TiO₂有较宽的带隙，光催化利用率低，研究人员尝试通过元素掺杂等方法，提高性能。卤氧化铋具有开放性的晶体结构，也表现出良好的光催化性能。除以上光催化材料外，随着新型光催化剂研究的不断深入，一系列高效、高稳定性的新型光催化剂被设计出来，大幅提高了光催化剂的选择性和多样性。

2.1 TiO₂光催化材料

1975 年，FRANK 等^[3]将 TiO₂ 作为 CN^– 氧化成 OCN^– 的光催化剂，这是TiO₂ 光催化材料首次于废水处理。Farbod M 等^[4]经实验对比发现TiO₂ 纳米颗粒的粒径为55nm时光催化效果最佳。然而，TiO₂粒径过小导致活性低，利用率不高、回收困难等问题致应用受限。为提高 TiO₂ 型光催化剂的光催化效率，需要对其进行改性处理。目前，对于TiO₂ 光催化剂的改性从掺杂物种方面大致可分为金属离子掺杂、非金属离子掺杂和多元共掺杂三大类。李芳柏等^[5]利用XRD等测试手段研究发现加入金属氧化物或金属离子会阻碍锐钦矿晶相的出现,使催化剂颗粒变小,担载Ag、Au会导致颗粒显著增加。艾亚菲等^[6]以微悬浮聚合法制备多孔 TiO₂-聚苯乙烯复合微球，将TiO₂微粒负载到聚苯乙烯微球表面及内部孔道,经实验测试比较发现复合微球的光催化降解性有所改善。

2.2 卤氧化铋光催化剂

在环境污染物处理方面，卤氧化铋BiOX被广泛认为一个较好的光催化剂。除了BiOF,BiOCl，BiOBr和BiOI均属于间接带隙半导体^[7]，有利于光生空穴和电子对的分离。除此之外，层状结构的特征也有足够的空间极化相应的原子和原子轨道分开电子—空穴对。BiOCl光催化因其特殊的层状结构、电子结构等，在降解有机染料、藻毒素等具有良好的光催化性能^[8]。但BiOCl禁带宽度过宽和BiOI稳定性极差,导致其实际催化效果差，为克服以上缺点，研究员通过可见光催化剂耦合等方法进行改性研究来改善光催化活性。

Xiong等^[9]研究一种甘露醇辅助水热法制备的高结晶度的2D正方形结构BiOCl纳米片，可见光降解性能比商业化BiOCl和TiO2更高。Ye等^[10]在高粘度和醇基浓度的甘油体系中合成了具有（001）晶面间距扩展的黑色超薄BiOCl纳米片，经过XRD等表征分析手段发现，合成的BU-BiOCl的扩展小平面间距和氧空位提升了光子吸收率和光致载流子的分离效率，在可见光下的产氢效率较普通BiOCl更高。

2.3 新型复合纳米材料

Thomas 等^[11]通过低温水热法制备了纳米 Ag - TiO₂复合材料催化剂，并研究其催化降解有机氯农药硫丹的活性，试验结果表明绝大部分硫丹被降解。陈鲲宇等^[12]采用水热法合成NG/TiO₂复合光催化剂并研究降解水中甲基橙及乙草胺的性能，发现光催化效率远高于纯TiO₂,且对污染物无选择性，可应用于其他废气降解。周思婕等^[13] 报道了制备出一种 g-C₃N₄/GO 复合光催化材料，探究它对三种染料的光催化降解性能和可循环利用性，研究表明该复合材料利于光电子转移，减少电子空穴对的重组，光催化效率明显提高且循环利用率高。

3. 结论与展望

在面临染料行业的快速发展为环境保护带来严峻的挑战时，光催化技术降解废水中的有机污染物，达到了较好的净化污水效果。但在实际应用中仍存在一些局限，达到大规模应用的程度还有一定距离，例如思考如何提高工艺稳定性，提高光催化剂的催化效率和回收率等。现阶段很多学者都在寻求更高效、更有潜力的光催化剂，希望对光催化技术方法进行优化调整，完善光催化技术，更好地服务全人类未来光催化材料的多元化也是我们追求高效、经济、重复利用的发展趋势。

【参考文献】

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[2]李娟, 吴梁鹏, 王楠, 李新军.光催化应用于环境治理和光化学合成的研究进展[J].新能源进展, 2019, 7(01):32-39.

[3] FRANK S N, BARD A J. Heterogeneous photocatalytic oxidation of cyanide ion in aqueous solutions at titanium dioxide powder[J]. Journal of the American Chemical Society, 1977, 99(1): 303-304.

[5]Farbod M. Synthesis of TiO₂ nanoparticles by a combined sol-gel ball milling method and investigation of nanoparticle size effect on their photocatalytic activities ［J］． Powder Technology,2011,214(3) : 344-348

[5]李芳柏. 改性二氧化钛的制备、表征及其在光催化处理染料废水中的应用[D].华南理工大学,1999.

[6]艾亚菲.TiO₂-聚苯乙烯复合微球对印染废水的光催化降解[J].印染助剂,2021,38(09):39-41.

[7]蒋梦婷, 张贝妮, 何刘洁, 范蕊.改性TiO26对高盐染料废水的光催化降解研究进展[J].广州化工, 2021, 49(01):7-9.

[8]W.L. Huang, Q.S. Zhu, Electronic structures of related BiOX (X=F, Cl, Br, I) photocatalysts. Comput. Mater. Sci. 2008,43(4): 1101.

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[11]THOMAS J. Synthesis of Ag dopednano TiO₂ as efficient solar photocatalyst for the degradation of endosulfan ［J］． Advanced Science Letters,2011,4(1): 108-114．

[12]陈鲲宇. 纳米NG/TiO₂光催化降解有机废水研究[D].山东建筑大学,2020.12:76.

[13]周思婕. 灯心草基复合材料对染料废水的光催化降解性能研究[D].武汉纺织大学,2021.1:91.

基金项目：沈阳师范大学创新训练项目校级A类（批准号X202110166072）

作者简介：

第一作者：韩松洺，女，2001年出生，沈阳师范大学本科生，化学（师范）专业。

第二作者：王 涵，女，2001年出生，沈阳师范大学本科生，化学（师范）专业。

第三作者，金钰鑫，女，2001年出生，沈阳师范大学本科生，化学（师范）专业。

第四作者，祝梦圆，女，2001年出生，沈阳师范大学本科生，化学（师范）专业。

第五作者，邵楚文，女，2001年出生，沈阳师范大学本科生，化学（师范）专业。

通讯作者^*：田冬梅，女，1973年出生，沈阳师范大学副教授，硕士研究生导师，主要从事电分析化学研究。

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