光催化氧化法是近20年才出現(xiàn)的水處理技術(shù)，在足夠的反應(yīng)時間內(nèi)通?？梢詫⒂袡C物完全礦化為CO₂和H₂O等簡單無機物，避免了二次污染，簡單高效而有發(fā)展前途。由于以二氧化鈦粉末為催化劑的光催化氧化法存在催化劑分離回收的問題，影響了該技術(shù)在實際中的應(yīng)用，因此將催化劑固定在某些載體上以避免或更容易使其分離回收的技術(shù)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛興趣。

1 催化劑固定化技術(shù)的研究現(xiàn)狀

　　目前，國內(nèi)外對催化劑固定方式的研究主要有兩種。第一種是非填充式固定床型的固定技術(shù)，它以燒結(jié)或沉積方法直接將催化劑沉積在光催化反應(yīng)器內(nèi)壁，進(jìn)行污水處理時以泵為動力，使污水在污水槽與光催化反應(yīng)器之間循環(huán)回流，光催化反應(yīng)在反應(yīng)器里進(jìn)行。譬如，張彭義等人研究了苯甲酸類物質(zhì)的光催化降解，其TiO₂的固定方法如下：用兩個120W高壓汞燈輻射鋁板，同時含有TiO₂粉末的酸性懸浮液不斷循環(huán)流過被輻射的鋁板，懸浮液中的TiO₂在紫外光和酸性條件的作用下沉積在鋁板上而形成固定膜。第二種是填充式固定床型的固定技術(shù)，即將TiO₂燒結(jié)在載體(如砂、硅膠顆粒、玻璃珠、玻璃 纖維等)表面，然后將上述顆粒填充到反應(yīng)器里。此類固定技術(shù)雖可增大光催化劑與液相的接觸面積(反應(yīng)速率比懸浮型光反應(yīng)器還要高)，但載體顆粒較小，還需進(jìn)行繁瑣的分離、回收過程。

2 催化劑固定化技術(shù)研究

　　2.1機理探討

　　有研究表明，一種類似于非填充式固定床型的催化劑固定技術(shù)，即布置于反應(yīng)器底部、載有TiO₂膜的玻璃纖維經(jīng)過表面修飾(在TiO₂表面擔(dān)載某些重金屬或金屬氧化物 ，如Ag、Au、Pt、Pd、Nb、RuO₂和Pt-RuO₂等)能提高TiO₂光催化活性?？紤]到采取 此項技術(shù)進(jìn)行飲用水深度凈化時，金屬含量低則不起作用，含量高則使水中重金屬含量超過飲用水標(biāo)準(zhǔn)，故筆者試圖從另一角度，即提高TiO₂吸附能力方面來研究催化劑的固定化問題。

　　活性炭因其比表面積大、吸附能力強及疏水性能好等優(yōu)點，一直被廣泛應(yīng)用在水處理方面。筆者借助于活性炭這一優(yōu)點來提高固定催化劑的光催化降解性能，即將TiO₂粉末連同粉末 活性炭一起被固定在反應(yīng)容器內(nèi)壁，然后對自來水進(jìn)行深度處理試驗。作為對比，同時對純TiO₂進(jìn)行了試驗。

　　為便于比較，進(jìn)行了不同工藝條件下的試驗。一種是以牛皮紙代替反應(yīng)器內(nèi)壁，將催化劑固定在牛皮紙一側(cè)，按所需催化劑用量將相應(yīng)大小的牛皮紙襯在反應(yīng)器內(nèi)壁進(jìn)行試驗。另一種直接以TiO₂粉末為催化劑進(jìn)行試驗，處理后的水用0.45μm濾膜進(jìn)行抽濾。試驗裝置如圖1所示，反應(yīng)器由玻璃制做，尺寸為6×56cm，容積為1582cm³，實際容積( 除去紫外燈)為1287cm³；石英紫外線殺菌燈的功率為20W，主波長為253.7nm，在本試 驗條件下光強E為3.90×103μW/cm²；氣泵的作用除進(jìn)行曝氣以促使TiO₂在溶 液中呈懸浮態(tài)以外，還提供空氣，實際是利用空氣中的O₂為氧化劑作為電子接受體，防止電子和空穴的復(fù)合。 
 
 

　　2.2 催化劑膜的制備

　　試驗所需物品如下：TiO₂(分析純)；粉末活性炭(用140目細(xì)篩進(jìn)行分選，使其與TiO₂粉末粒度基本一致)；市售牛皮紙；玻璃膠；膠槍；刮膠板。

　　首先在牛皮紙的一側(cè)均勻涂上一薄層玻璃膠(目的是防水)，室溫下放置一夜，待其干燥后在 另一側(cè)亦涂一薄層玻璃膠，同時在其未干之前將一定量TiO₂粉末或摻有粉末活性炭的復(fù) 合催化劑盡可能多地均勻灑在其上，按壓使其粘牢，在室溫下放置一晝夜，待其干燥后稱量剩余的粉末，從而計算出1cm2牛皮紙所具有的催化劑用量。

3 試驗結(jié)果及分析

　　為便于比較，制備了三種催化劑膜，一種是復(fù)合催化劑膜(TiO₂/C)，其中TiO₂與粉末活性炭的質(zhì)量比為3∶7，試驗時TiO₂用量相當(dāng)于0.6g/L；另一種是純催化劑膜，試驗時TiO₂用量相當(dāng)于1.2g/L；第三種是純炭粉膜。試驗結(jié)果如圖2所示。
 
 

　　從UVA(紫外吸光度)去除率來看，反應(yīng)的前90min，TiO₂/C膜優(yōu)于TiO₂膜高于單純紫外照射，然而120min時TiO₂膜去除效果不及單純紫外照射。為分析原因，又做了兩組試驗，第一組是懸浮 態(tài)光催化氧化法去除自來水中有機物的UVA去除率隨TiO₂濃度的變化情況。試驗結(jié)果如圖3所示，當(dāng)TiO₂投量為2g/L時去除效果最好。第二組試驗為TiO₂/C膜與1.2g/LTiO₂懸浮液及2g/LTiO₂懸浮液作對比，試驗結(jié)果如圖4所示。
 　　　 
 

　　從圖4可以看出，TiO₂濃度僅為0.6g/L的復(fù)合催化劑膜的去除效果相當(dāng)于TiO₂濃度為1.2g/L懸浮液的去除效果。由此可見，復(fù)合催化劑膜中的粉末活性炭具有良好的吸附能力，TiO₂與其結(jié)合后光催化劑的催化性能有所提高。在試驗中還發(fā)現(xiàn)，摻有粉末活性炭的TiO₂膜其催化劑的附著性很強，在反應(yīng)中不會進(jìn)入溶液(其原因與炭粉的吸附性有關(guān))，利用這一特性制備附著性和催化性都很好的復(fù)合催化劑膜。然而同圖4曲線C相比，復(fù)合催化劑 膜的UVA去除率遠(yuǎn)沒有達(dá)到最佳TiO₂投量時的去除效果(去除率仍相差近20%)。總結(jié)可能的原因有三個：①試驗時所用的復(fù)合催化劑膜的TiO₂濃度為0.6g/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最佳二氧化鈦投量(2g/L)；②在復(fù)合催化劑膜中TiO₂與炭粉之間一定存在一個最佳比例，使二者吸附與催化性能都能發(fā)揮至極，而此次只對TiO₂∶C為3∶7的復(fù)合催化劑膜進(jìn)行了試驗，因此不能肯定這一比例即為最佳比例；③在催化劑膜的制備過程中，為除去膜表面未附著或附 著不牢的粉末，先將其在自來水龍頭下沖洗數(shù)遍，又將其在自來水中浸泡過夜，上述操作過程無疑使摻有粉末活性炭的催化劑膜吸附了一些自來水中的有機物，在反應(yīng)過程中除了去 除水中有機物外還要降解這部分吸附的物質(zhì)，而這部分物質(zhì)并未計算在內(nèi)。由于上述原因復(fù)合催化劑膜并沒有達(dá)到最佳TiO₂投量時的去除效果，但同純催化劑膜相比，復(fù)合催化劑膜 仍具有明顯的優(yōu)勢，若解決上述問題(如增加復(fù)合催化劑膜中催化劑的附著量，選擇一個最 佳的TiO₂與炭粉的比例)，則復(fù)合催化劑膜的去除效果是能夠達(dá)到最佳TiO₂投量下的去 除效果的。

 

　　為證實摻有粉末活性炭的TiO₂膜的降解速率有所提高是否是單純活性炭所為，作了對比試驗，結(jié)果如圖5所示。
 
　　從圖5中可以看出，在紫外線照射下單純活性炭膜的UVA去除率與單純紫外線照射并無多大區(qū)別，可見活性炭只有與TiO₂聯(lián)合才能發(fā)揮二者的吸附與催化性能。

4 結(jié)論

　　與粉末活性炭聯(lián)合固定的TiO₂膜其催化劑的附著性和去除效果均優(yōu)于純TiO2膜，為光催化氧化技術(shù)找到了更加理想的復(fù)合催化劑及其工程應(yīng)用的方法。
 

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