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催化材料在环境保护中的应用

May 31, 2019 催化剂 412

       环境问题是人类无法避免的实际问题。如何消除,减轻或消除人类生产活动引起的一系列有害污染物,是人类面临的重要问题。用于环境保护的催化化学在解决这些问题中起着核心作用。 20世纪90年代后期绿色化学的兴起为人类解决化学工业的环境污染和实现可持续发展提供了有效手段。因此,催化剂系列新催化材料和催化过程的研究和开发是实现传统化学过程无害化的主要途径。

         本文简要概述了环境友好型催化材料和光催化材料在环境中的研究进展以及新型环保催化材料。光催化材料在环境保护中的应用光催化材料主要用于环境保护,这种新型污染控制技术具有操作简单,无二次污染,高效率,低能耗等优点。近年来,随着研究的深入,光催化材料与其他领域的结合已经出现,如光催化剂在抗菌,新能源技术在建筑材料中的应用。

          1、改善光催化反应条件的研究

        “外场”对光催化性能的改善近来,有学者指出,如果在光催化氧化反应中加入“外场”,催化效果会大大提高。

         (1)超声场对光催化的影响由于催化材料在光催化氧化反应中的团聚效应,影响其催化性能。 An Taicheng等人研究了超声场下橙色水和苯胺的光催化活性其衍生物的反应。实验表明,在超声场条件下,亮橙色水的脱色率达到97.8%,填料未经超声波处理的脱色率仅为66.1%。超声光催化的速率明显高于光催化和超声处理。可以看出,超声场中存在的光催化氧化反应是一种很有前途的新技术。 

         (2)外部磁场对光催化作用的影响现有研究发现,磁场有助于自由基的产生,从而提高光催化材料的降解效率。在研究氯苯的降解过程中,姜焕伟发现外磁场可以促进氯苯有机物的光催化降解。随着磁场强度的增加,氯苯的光催化降解速率增加,半衰期变短。当磁场强度为0.32T时,光降解速率常数为0.754h-1,比没有磁场的情况高12.5%。离子掺杂对光催化性能的影响金属离子掺杂是金属离子通过反应转移到TiO2晶体结构中。当掺入不同的金属离子时,结果也不同。

         (3)外部电场对光催化的影响将两个电极置于光催化反应器中并施加电压。实验证明,光催化效率得到显着提高。随着电压增加,光催化效率增加。但电压不会无限增加,但有一个最佳值。它与光催化剂的类型和被降解的有机物质有关。电场促进光催化反应的原因在于施加电压减少了光催化过程中电子和空穴的复合,从而提高了反应效率。 在光催化反应后,发现在施加一定的正向偏压后,催化剂系列膜的光催化活性增加了十倍。使用三维电极电化学反应器处理有机废水,结果表明,当施加电压为10V时,苯胺去除率接近最大值,明显优于非电压降解率,并提到了废水的电解效率和处理量。

         (4)外部微波场对光催化作用的影响李丹珍等研究发现,微波场中的光催化反应得到加强。微波快速加速光催化体系,有利于胶体颗粒的成核和生长,改变催化材料的结构,促进光催化材料表面光的吸收,增加光激发电子跃迁的可能性。同时,羟基形成自由基,羟基具有强氧化性,从而提高光催化反应的催化效率。 

          2、光催化反应体系的研究

         目前的光催化研究主要应用于有机废水的降解。根据催化剂的不同形式,反应体系分为两大类:悬浮相系统和固定相系统。 

        (1)悬浮相系统在悬浮相系统中,将光催化材料的颗粒直接加入到待处理的溶液中,并通过搅拌使颗粒均匀悬浮并与溶液充分混合。由于颗粒的比表面积大,因此照射充分,并且溶液中的劣化材料充分接触,并且降解效率高。但是,由于材料尺寸小,难以回收利用,后处理存在一定的困难,因此在实际应用中受到限制。

        (2)固定相系统催化材料制成薄膜或附着在其他材料表面进行光催化反应,主要是为了难以分离和回收悬浮相系统。通常,光催化材料的载体是玻璃球,砂粒,陶瓷,硅藻土或反应器的内表面。

   加载后材料的光催化活性降低,但反应可连续进行,操作稳定,后期回收处理没有困难,具有实际应用意义。因此,主要研究的是固定相结构。在空心玻璃球上固定TiO2以降解农药,李素琴等人将TiO2与活性炭结合,取得了良好的光催化效果。目前,有许多成膜方法,如粉末烧结,溶胶 - 凝胶法,沉积法,浸渍法等,但最常用的是溶胶 - 凝胶法。溶胶 - 凝胶法制备的膜催化活性高,分布均匀,致密性好,工艺简单,应用广泛。然而,该方法还具有诸如难以控制膜厚度,粘附性差和易于破裂的缺点。

  金属离子掺杂可以缩小TiO2的带隙,拓宽光催化材料的光吸收范围,有效利用太阳能。另外,金属离子可以抑制电子和空穴的复合时间,并且界面电荷转移率变大,从而大大提高了光催化活性。由于中国在稀土资源方面的独特优势,国内研究人员将注意力转向稀土兴奋剂。结果表明,稀土离子抑制光生载流子的复合速率,提高光吸收率。


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