多相光催化

多相光催化（精选四篇）

多相光催化 篇1

1 多相光催化技术简析

多相光催化是近年来被广泛应用的重要环境治理方法,对大气污染、水污染等环境污染有着重要作用。多相光催化技术的应用原理主要在于应用催化剂进行污染治理,催化剂的运用是以半导体氧化物为主的利用太阳光进行驱动氧化的过程。从全面发展的角度来看,多相光催化技术是一种理想的治污技术。这种先进技术具有丰富的应用功能,例如对有机污染物的氧化分解,杀除细菌以及除臭等重要功能,还能有效的还原重技术离子,在水污染以及空气污染处理中较明显。

目前多相光催化应用多以TiO2半导体为基础,在水污染的治理过程中取得了一定成果,但也受到一定因素的影响,使多相光催化应用范围受到限制。多相光催化在吸收太阳能的过程中,只能吸收紫外线部分,对太阳能的利用率不高[1]。同时,由于光催化的量子效率不高,在污水治理的过程中,难以实现对较高浓度污染废料的降解和处理,使污水治理达不到理想效果。对于多相光催化技术应用中存在的不足,在应用中要不断加大研究力度,促进以光催化为核心的新技术产业的实现。

2 多相光催化治理污水分析

2.1 机理分析

多相光催化治理污水技术以氧气为氧化剂,以二氧化钛(TiO2)为催化剂,进行污染物的分解处理。TiO2具有较高的稳定性且无毒,是光催化技术中应用最为广泛的催化剂。TiO2光催化反应机理较为特殊,是一种复杂的氧化还原反应[2]。TiO2的光激发、光生电子和空穴的产生、载流子从催化剂内部扩散到表面、载流子和催化剂表面吸附物质之间的电荷转移等。当TiO2光催化剂表面受到不小于其禁带能量的光辐射时,Ti02光催化剂内部和表面都会产生光生电子()和空穴()。

在光催化反应中,有效的反应过程为光生空穴和电子与TiO2表面的吸附物发生作用,实现光催化反应。光生空穴的电子能力较强,具有较高的吸附性,与TiO2表面物质D发生反应,使原本受光源影响的物质被氧化。光生电子与吸附在TiO2表面的物质A发生还原反应:

多相光催化通过氧化与还原反应的作用,能够有效氧化水污染物。同时,氧化效果较强,能够有效破坏污染物的结构,使水污染中的污染物彻底氧化降解,不再产生二次污染。

2.2 有机污染物治理应用

多相光催化技术对水污染中有机物的降解效果较为明显,主要体现在烃类和卤代有机物中。例如,对污染物中卤代有机物的降解,是多相光催化在水污染中的典型实践。卤代有机物广泛应用于工业造纸、农业药剂以及木材皮革的防腐中,是一种污染情况较为严重的水中污染物,降解困难,且毒性较大,在水污染影响中范围广,面积大,因此加大对卤代有机物的降解治理至关重要。根据上述对TiO2应用机理的分析可知,电子空穴与水形成OH·自由基,并与卤代芳烃进行反应,最终降解成CO2与GCI。多相光催化对卤代芳烃的降解过程为

光催化在卤代芳烃作用过程中降解的时间和效率存在差异性,通常需要较长的降解时间,但最终效果明显,具有较高的污染物治理功效。UV/H2O2、UV/O3、UV/TiO2、UV/表面活性剂等均是常用的方法,原污染物降解比例可达到86%-99%,降解速率常数随氧化剂的增加而增大,最终转化为无机酸和二氧化碳,不易生成大分子物质。多相光催化通过对污染物中间结构的破坏,实现对有机污染物的彻底治理[3]。

2.3 多相光催化治理水污染的独特优势

多相光催化技术在水污染治理的过程中,具有一定的科学性和实用性,通过不断的实践证实,多相光催化治理水污染有着独特的优势。

(1)多相光催化应用范围较广,适用性较强。通过实践证明,多相光催化技术在应用过程中适用的污染物处理范围十分广泛。部分水污染物无法通过物理沉降过滤,实现水质净化;多相光催化技术能够实现此类污染物的净化作用。

(2)多相光催化环境污染治理,经济性能较高。光催化主要应用氧气(空气)为氧化剂,二氧化钛(TiO2)为催化剂,即安全又低廉,经济适用性较高。

(3)治污效果更强。多相光催化能够改变水污染中污染物的中间结构,实现彻底治污。例如,应用多相光催化进行卤代有机物的降解治理,最终转化为无机酸和二氧化碳,有效分解污染物,实现完全降解。

3 结束语

多相光催化技术在污水治理过程中有着重要的应用意义和实用价值,为解决我国水污染问题提供了重要的技术手段。现阶段我国水污染情况较为严重,且治理难度较高,在传统的水污染治理过程中,通常采用的技术方法为混凝沉降等物化法,无法实现彻底净化的目的。生化法是更具深度的处理方法,打破简单的分离污染物方法的模式,实现污染物无害化处理,达到治污标准。应用多相光催化技术,对有机污染物进行氧化技术处理,有效推进了水污染治理效果。为更好的实现水污染治理,要不断加大对多相光催化的研究力度,实现光催化技术的创新性跨越,为实现全面的环境污染治理提供科学有效的技术手段。

摘要：随着水污染治理技术的发展进步,多相光化催化的应用越来越广泛。多相光催化具有较高的应用价值,对水污染处理有效性较高,能够有效降解污水中的污染物。本文将对多相光催化在水污染中对有机物降解进行具体分析,目的在于为水污染处理提供更加全面深入的理论基础。

关键词：水污染,多相光催化,治理过程

参考文献

[1]刘广龙.非金属元素掺杂半导体矿物制备、结构表征及光催化降解高/大分子有机污染物的研究[D].武汉:华中农业大学,2011(12).

[2]吴玉程,王岩,崔接武.纳米TiO_2在水污染治理与检测中应用的研究进展[J].功能材料信息,2011(06).

多相催化氧化降解苯酚过程的研究 篇2

多相催化氧化降解苯酚过程的研究

摘要：利用紫外可见光谱和高效液相色谱研究了催化氧化降解苯酚的过程.结果表明,非晶铁氧化物催化剂在催化氧化降解苯酚时具有较高的催化活性,苯酚降解的中间产物有:对苯二酚、邻苯二酚、苯醌和低级脂肪酸,其降解机理是羟基自由基攻击苯环上OH的邻位或对位而使苯环开环,生成低级脂肪酸,并最终转化成二氧化碳和水,从而使苯酚得以降解.作 者：许韵华 程志明 宫晓静 曹克宁 XU Yun-hua CHENG Zhi-ming GONG Xiao-jing CAO Ke-ning 作者单位：北京交通大学,理学院,北京,100044期 刊：北京交通大学学报(自然科学版) ISTICPKU Journal：JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY年，卷(期)：,31(3)分类号：X703关键词：HPLC 苯酚降解 催化氧化

污水中多相催化氧化技术的研究进展 篇3

1 臭氧的性质

臭氧 (O3) 是一种不稳定且有刺激性特殊气味的气体。它可以通过光化学作用在地球同温层内合成, 在地平面上浓度极低。高浓度的臭氧在常温条件下会呈现蓝色。臭氧具有较高的标准电极电位, 在酸性条件下, 臭氧的氧化能力明显高于氧、氯、二氧化氯和高锰酸钾等, 所以水中的无机、有机物质易被氧化, 并且臭氧经过反应后的产物为氧气。因此, 臭氧是一种无污染的高效氧化剂。

2 臭氧降解有机物的反应机理

臭氧的氧化能力很强, 不仅能氧化水中的无机物, 如CN、-NH2等, 而且臭氧能与许多官能团发生反应:-C=C-、-C≡C-、芳香化合物、杂环化合物、碳环化合物、=N-N、=S、C=N、C-N、C-Si、-OH、-SH、-CHO有机物等。

水中有机物与臭氧的直接氧化作用分为极加成反应和亲电取代反应两种方式。由于具有偶极结构, 所以臭氧通过加成作用与存在不饱和键的污染物进行反应;在污染物中电子云密度较大处发生亲电反应。污染物的特定的取代基和反应活性决定了臭氧与污染物之间的选择性。

间接氧化反应一般被认为是自由基型反应, 首先O3经过分解, 产生以·OH为主的次生氧化剂;之后·OH与废水中的污染物质发生快速反应。

3 均相催化氧化法

均相催化臭氧氧化是将液体催化剂投入到臭氧氧化系统中。在均相催化反应中, 液体催化剂一般为过渡金属离子, 其中研究较多的离子包括:Fe (II) 、Mn (II) 、Ni (II) 、Co (II) 、Cd (II) 、Cu (II) 、Ag (I) 、Cr (II) 、Zn (II) 等。

均相催化的报道最早于1972年, Hewes和Davinson[1]在使用臭氧化处理污水时发现, 与单独臭氧氧化过程比较, 金属硫酸盐类的存在会使TOC的去除率显著增加。

1988年, Abdo等[2]研究发现在对染料废水的脱色效能上, Cr2O3、Cu SO4、Ag NO3、Zn SO4具有显著的催化效果。1996年, Cracia等[3]研究了臭氧对腐植酸溶液的处理效果, 在溶液TOC11mg/L, p H7的条件下, 溶液中分别投入6×10-5mo1/L的Ag2SO4、Mn SO4、Fe SO4、Fe2 (SO4) 3、Cu SO4、Zn SO4、Co SO4、Cr2 (SO4) 3、Cd SO4溶液。实验结果表明, 最大臭氧氧化时间30min时, Mn (II) 、Ag (I) 催化效果最好, TOC去除率分别达到62.3%和61%。与同样条件下单独臭氧氧化相比, 其TOC去除率增大, 并且每毫克TOC所消耗的臭氧量明显降低。

均相催化臭氧氧化机理还在探讨中, 一些研究者认为, 过渡金属并没有促进羟基自由基的产生, 由于生成了与臭氧反应很快的化合物从而提高了污染物的降解效率;另一些研究者认为, 利用金属离子提高臭氧氧化效率的机理主要为自由基反应, 金属离子的存在诱发臭氧分解为O2·, 而O2·继续与臭氧分子反应, 使得自由基链反应可以进行。

Ni[4]研究了臭氧由Pb、Cu、Zn、Fe、Mn的硝酸盐催化对邻氯苯酚的降解过程, 建立了金属催化剂反应活性级数并提出了反应机理。Beltrán[7]在臭氧氧化草酸的反应中加入Fe (III) 溶液, 研究了均相催化臭氧化动力学, 提出了臭氧、草酸及铁离子催化剂发生的链式反应, 讨论草酸降解的途径, 确定反应常数, 得出铁草酸被铁离子催化臭氧氧化的反应为一级反应的结论。

由于均相催化臭氧氧化过程具有较好的传质性, 提高了其催化活性。但是, 均相催化臭氧氧化存在催化剂的流失与分离的问题, 这限制了它在实际应用。

4 多相催化氧化法

臭氧氧化系统中, 催化剂与反应物质处于不同相, 最常见为固—液、固—气相界面进行的氧化方法称为多相催化臭氧氧化法[6]。到目前为止, 多相催化臭氧氧化法对液体污染物的研究还处于起步阶段。自从Chen发表了Fe2O3多相催化臭氧化污染物的研究文献后, 许多学者对多种催化剂展开了实验。近年来, 为了提高臭氧的氧化效果和反应速度, 国内外研究学者对多相催化臭氧氧化技术进行了大量实验, 利用一些固态物质作为催化剂以提高臭氧的使用效率和对废水中污染物的去除效果。目前, 被用作多相催化臭氧化的催化剂种类主要有四个:金属氧化物、无金属负载型固体催化剂、负载金属型催化剂、负载型活性炭催化剂。多相催化臭氧氧化技术的关键是寻找高效催化性能的固体催化剂。按照催化剂的不同, 多相催化臭氧氧化技术对水体中有机物的处理效果不尽相同, 结果见表4[7]。

近几年, 一些研究者将多相催化臭氧氧化技术应用于废水有机污染物的去除。Legube等采用多相催化臭氧氧化作为纸浆废水的深度处理工艺。传统的臭氧氧化法降解纸浆废水是依靠臭氧氧化和絮凝沉淀, 其中絮凝沉淀为主要作用, 污染物没有被完全去除, 而且臭氧消耗速率受水质的影响较大;在多相催化工艺中, 废水中有机物被完全矿化为CO2, 并且运行效果稳定, 臭氧利用率较高。Faria制备了Ce/AC, 并研究了其对草酸溶剂染料废水的降解过程。研究表明Ce/AC去除草酸过程中, AC与Ce O呈现出较强的协同效应, 在催化臭氧养化过程产生了·OH。在对染料的去除过程中, 含Ce/AC的催化活性受到碳酸根和重碳酸根离子对·OH的清除作用而减弱。

由上诉文献可以看出, 多相催化臭氧氧化技术已经成为去除废水中高浓度、难降解有机污染物的有效方法。利用固体催化剂与臭氧的协同效应降低反应活化能或改变反应历程, 从而最大限度地去除废水中的有机污染物。

摘要：臭氧用于污水处理方面具有反应迅速、无二次污染等特点, 但反应速度较慢。通过催化剂的作用, 可以弥补臭氧的不足。本文介绍了催化臭氧氧化技术近年来的发展。

关键词：臭氧,催化氧化,污水处理

参考文献

[1]Hewes C G, Davinson R R.Renovation of WasteWater by Ozonation Water[J].AICHE Symposium Series, 1972, 69:71.

[2]Abdo M S E, Shahan H, Bader M S H.Decolorization by Ozone of Direct Dyes in Presence of Some Catalysts[J].J.Env.Sci.Health, 1988, 23:697.

[3]Gracia R, Aragues J L, Ovelleiro J L.Study of the Catalytic Ozonation of Humic Substancesin Water and Their Ozoantion By-products[J].Water Reserch, 1996, 18:195-208.

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[5]Pines D S, Reckhow D S.Effect of dissolved cobalt (II) on the ozonation of oxalic acid[J].Env.Sci.Tech., 2002, 36 (19) :4046-4051.

[6]Ni C H, Chen J, Yang J.Catalytic ozonation of 2-dichlorophenol by metallic ions[J].Wat.Sci.&Tech., 2003, 47 (1) :77-82.

[7]Beltrán F J, Rivas F J.Montero-de-Espinosa R.Iron type catalysts for the ozonation of oxalic acid in water[J].Water Reserch, 2005, 39 (15) :3553-3564.

多相光催化 篇4

1 零维碳纳米材料

零维, 一维和二维碳纳米材料是按碳纳米材料空间维度受纳米尺度的约束程度来划分的。当这三个维度都存在于纳米范围内时, 此时的碳材料便是零维碳纳米材料。像富勒烯、洋葱碳、碳包覆纳米金属颗粒以及纳米金刚石等都是零维碳纳米材料。本文主要以富勒烯为重点来对零维碳纳米材料进行说明:

1.1 富勒烯 (fullerene) 发现的过程及其结构和在多相催化中应用

富勒烯 (fullerene) 是世界重要的发现。这一发现是由英国的波谱学家Kroto以及美国的Curl和Smally共同完成的, 他们是在研究石墨的气化产物时发现的。他们对这种分子十分好奇, 于是对其进行了深入的研究。经过研究发现, C60的结构十分有趣, 它有12个五元环和20个六元环, 同我们平时踢的足球是一样的形状, 有32个面体, 其直径大约为017nm。那么, 这种碳结构是怎样制备的呢?其实, 制备碳结构有很多的方法, 比如通过激光气化来进行制备, 通过使用太阳能加热来进行制备等方法都可以有效制备出富勒烯, 而最主要的方法还是通过使用石墨电弧法来制备取得富勒烯。

1.2 洋葱碳和碳包覆金属纳米颗粒及其在多相催化中的应用

制备洋葱碳是一个非常困难的工作, 其制备方法非常少, 仅有几种方法如电子束辐照法和直流电弧法。洋葱碳具有很强的催化性能, 其可以作为氧化脱氢催化剂进行催化。据科学家们研究发现, 在同等质量下, 洋葱碳具有较高的数目活性中心, 这也使其催化性能要好过其他催化剂。但是受到了制备方法控制难以及产物的纯度较低的缺点影响, 想要对洋葱碳材料进行宏量制备是无法做到的。也正因为这样, 洋葱碳材料无法被有效应用在多相催化领域。

1.3 纳米金刚石在多相催化中的应用

所谓纳米金刚石, 指的是均粒径为纳米量级的金刚石微粉, 其具有纳米粒子和超硬材料两种特性, 是一种新型碳纳米材料。纳米金刚石材料的生产是近些年刚刚兴起的。也正因为如此, 对其的制备方法十分不完善, 并没有被有效利用于催化剂领域。

相关实验证得, 如果将甲醇分解, 并在空气下将其催化剂进行处理, 就会使催化剂拥有非常强烈的反应活性。此外, 当进行乙苯脱氢制苯乙烯的反应时可以发现, 无论是纳米金刚石还是碳纳米管, 它们的催化活性都是非常高的。由此可见, 石墨的结构并不会对催化活性起着决定性作用。

2 一维碳纳米材料

简单地说, 一维纳米材料指的是当空间上的两个维度在纳米范围的碳材料, 碳纳米纤维和碳纳米管就是这种材料的最好代表。关于近几年来碳纳米纤维和碳纳米管在多相催化领域应用的最新进展如下所示。

2.1 碳纳米纤维 (CN Fs) 的制备及相关问题

在进行VGCFs生产时, 一般采用苯、甲烷等小分子的有机化合物作为主要的碳源。而碳纳米纤维通常主要是通过小分子气相生长碳纤维 (VGCFs) 催化裂解制备的, 且催化剂主要采用金属铁、钴、镍等以及它们的合金或化合物。这种材料的制备方法有有基板法和流动法两类。

2.2 碳纳米管 (CN Ts) 的发现及其在多相催化中的应用

碳纳米管是一种非常重要的材料, 该材料的发现在科学界引起了轰动。科学家们充分利用了碳纳米管的表面积大的特点以及稳定性强等特点, 有效地促进了钴金属的分散, 进而成功使钴团簇的尺寸减小。

3 二维碳纳米材料

所谓的二维纳米碳材料指的是那些在空间范围内仅仅有一维处于纳米尺度范围内的碳纳米材料。

3.1 二维石墨烯 (graphene) 及其在多相催化中的应用

石墨烯的组成结构十分独特, 其是由碳原子六角形网格形成的单层二维片层。石墨材料的有很多的优点, 比如其吸附性质很强, 导电导热的性能好等。而石墨烯的这些优点也使其具备了成为有效催化剂的条件。石墨烯尺度范围在微米级, 其等效于一种分子性能非常高的材料, 也正因为如此, 石墨烯也被人们看做是最为方便回收的类均相催化剂。

3.2 碳纳米墙 (carbon nanowall) 及其在多相催化中应用

二维碳纳米墙的制备方法很简单, 其可以通过微波等离子体增强化学气相沉积 (MPECVD) 法、热丝化学气相沉积 (HFCVD) 等方法来进行制备。纳米墙的表面积是非常大的, 而其非常适合被用于催化剂载体, 特别是燃料电池电催化剂载体。在进行碳纳米墙制备工作时, 一般是可以直接进行而不需要添加催化剂的。也正因为如此, 碳纳米墙制备省去了去除剩余残存催化剂的环节, 而这也成为其一个很好的优点, 得到了人们的一致看好。

参考文献

[1]李雪亭, 臧鹏远, 叶秋明, 耿皎, 王喜章, 王秧年, 胡征.Pd/MWCNTs (多壁碳纳米管) 催化剂的制备及其Heck反应催化活性[J].无机化学学报, 2011.