廢水的處理方法主要有分離處理、稀釋處理和轉(zhuǎn)化處理。前兩種屬于物理方法，后一種屬于化學方法。物理方法一般只是簡單地改變污染物的存在形式，不能從根本上解決污染。例如，分離處理只是將污染物從一相轉(zhuǎn)成另一相，并沒將污染物真正無害化，有時還可能存在二次污染；稀釋處理只是通過稀釋廢水來降低廢水的一些污染指標，既未將污染物分離，也沒有改變污染物的化學性質(zhì)；而轉(zhuǎn)化處理則是通過化學或生化作用改變污染物的分子結(jié)構(gòu)，使其轉(zhuǎn)化為無害的或可分離的物質(zhì)。
近20 年來逐漸發(fā)展起來的光催化降解技術(shù)是一種綠色的、廉價的、徹底的污染物處理技術(shù)。目前，用于光催化降解環(huán)境污染物的最受關(guān)注的催化劑主要是半導體催化劑TiO2。其催化活性高、穩(wěn)定性好，對人體無害，可以重復使用。
與大粒徑的TiO2顆粒比較，納米級的TiO2催化活性更高，具有以下特點：
�。�1）表面原子多，光吸收效率高；
�。�2）催化劑表面光生載流子濃度高；
�。�3）光生電子和光生空穴的復合幾率�。�
�。�4）表面吸附的OH - 多，有利于產(chǎn)生較多的羥基自由基。
此外，納米TiO2粒子因尺寸量子效應，導帶和價帶能級由連續(xù)變?yōu)榉蛛x，能隙增大，導帶電位更低，價帶電位更高，增強了TiO2的氧化還原能力，其光催化降解活性和廣譜性也隨之加強。
1 試驗
1. 1 藥劑與儀器
1. 1. 1 藥劑
陽離子桃紅FGH、納米TiO2（自制[1]，粒徑范圍5 ～ 20 nm），其它試劑均為市售（化學純）。
1. 1. 2 儀器
旋轉(zhuǎn)式石英光解儀（江蘇省環(huán)境科學研究所）；有機碳測定儀TOC-500（日本Shimadzu 公司）；Uvilon 810 紫外可見分光光度儀（瑞士）；高壓汞燈：功率125 W，主波長365 nm（上海亞明燈泡廠）。
1. 2 試驗方法
在石英試管（內(nèi)徑2. 5 cm、長15 cm）中加入已配制的染料溶液，再加入TiO2催化劑，在旋轉(zhuǎn)式光解儀中用高壓汞燈照射。
高壓汞燈置于石英玻璃冷卻套管內(nèi)，冷卻套管固定在反應器中央，套管的夾層中通有冷卻水，通過調(diào)節(jié)冷卻水的流量以消除高壓汞燈的熱效應，使反應器內(nèi)溶液溫度恒定。
高壓汞燈距石英試管10 cm。石英試管在電機帶動下旋轉(zhuǎn)，以使溶液受紫外光照射均勻。光照一定時間后取出，用離心機離心，使TiO2與溶液分離，取上層清液進行分析。
1. 3 分析方法
1. 3. 1 脫色率
用紫外可見分光光度計對處理前后的溶液在200 ～ 800 nm范圍內(nèi)進行吸光度測定，然后根據(jù)最大吸收處的吸光度來計算脫色率：
式中：A前——— 染料溶液降解前的吸光度值
A后——— 染料溶液降解后的吸光度值。
1. 3. 2 TOC 去除率
采用有機碳測定儀測定降解前后溶液的TOC 值，計算TOC 去除率，以確定染料降解程度：
其中，TOC前和TOC后分別為染料溶液降解前后的TOC 值。
2 試驗結(jié)果
2. 1 pH 值對染料脫色率的影響
在200 mg / L 染料溶液中，以1 : 3 的HCl 和100 g / L的NaOH 分別調(diào)節(jié)染料溶液的pH 值為2、4、6、9、12；加入納米TiO2（ 添加量500 mg / L ）；光照240 min。其pH 值對陽離子染料的脫色情況見圖1。
從圖1 看出，溶液pH 值對染料脫色影響較大。中性時脫色效果較差，酸性和堿性條件脫色效果較好。
在酸性環(huán)境下，溶液中的H + 通過下列方式轉(zhuǎn)化為羥基自由基：
堿性環(huán)境下，OH - 直接從催化劑表面俘獲光生空穴形成羥基自由基：
2. 2 納米TiO2用量對脫色率的影響
在100 mg / L 的陽離子染料溶液中，分別加入不同用量的納米TiO2，調(diào)節(jié)pH 值至2. 0，光照30 min，測得脫色率與催化劑用量間的關(guān)系曲線（見圖2）
由圖2 知，隨著催化劑用量的增大，脫色率先是急劇增大，隨后又迅速下降，形成曲線的一個高峰。曲線的前半部，隨催化劑用量增加，催化效率提高，表現(xiàn)為脫色率提高；曲線后半部，催化劑用量增大，溶液的透光性變差，光催化活性下降，表現(xiàn)為脫色率下降。
2. 3 染料濃度對脫色率的影響
采用1 000 mg / L 的納米TiO2對不同濃度的陽離子染料進行光催化降解，120 min 后的脫色效果見圖3。
從圖3 可以看出，隨染料濃度的增加，脫色率急劇下降。原因有兩個方面：首先，在一定的催化劑用量下，染料濃度越大，色度下降越慢，完全脫色所需時間越長，脫色較慢；其次，隨染料濃度增加，溶液透光率下降，催化劑所吸收的輻射能降低，光催化效率變差。
2. 4 光解時間對脫色率的影響
在100 mg / L 陽離子染料溶液中，投加1 000 mg / L的納米TiO2，調(diào)節(jié)溶液pH 值至4. 0，光照一定時間，測得脫色效果與光解時間的關(guān)系如圖4。
從圖4 可以看出，隨光照時間的增加，60 min 后脫色率已接近于100 %�？梢�，光催化氧化法對染料化合物的降解效果顯著。
2. 5 光催化降解完全程度的研究
圖5 是染料降解過程中的紫外-可見光譜圖；圖6是染料溶液的TOC 隨光解時間改變的情況。
由圖5 知，隨光解過程的進行，光譜圖中污染物的主要吸收峰明顯下降，光譜峰也發(fā)生明顯變化，尤其是光譜中可見光區(qū)的吸收峰逐漸消失，顯示染料的生色團被破壞�？梢�，光解過程破壞了染料分子的共軛發(fā)生體系，這是導致溶液色度降低的根本原因。
從圖6 可以看出，隨光解過程的進行，溶液中有機污染物濃度下降，表明污染物被逐漸降解為無機碳離子溶液，光解過程是一個化學降解過程。
從圖4 和圖6 還可看出，染料的光解過程中，色度的去除總是快于TOC 的去除。這也說明光解過程是先破壞染料分子的共軛發(fā)色體系，再破壞整個染料分子，最后逐步被降解為無機物。
3 結(jié)論
3. 1 光催化氧化對陽離子染料有較好的脫色效果，TOC 去除效果也較好。納米TiO2不僅有效地破壞了染料的分子結(jié)構(gòu)、降低了廢水的色度，而且還能有效地降低廢水的有機物含量。
3. 2 pH 值對脫色效果影響較大，在酸性和堿性條件下，脫色效果較好，中性環(huán)境脫色效果較差。
3. 3 由于受到溶液濁度的影響，TiO2催化劑用量有一個最佳添加值。在本試驗條件下，約為1 000 mg / L。
3. 4 隨染料濃度的增大，脫色率迅速下降。這除與染料濃度有關(guān)外，還與光生載流子量有關(guān)，即溶液顏色越深，催化劑受光情況變差，表面光生載流子量迅速下降。
3. 5 光催化氧化法對染料的脫色基于催化降解有機物的降解，即高氧化活性的羥基自由基首先破壞染料的生色團，然后進一步將染料分子降解為低分子量的無機碳。
3. 6 光催化氧化法對染料降解徹底，不會造成二次污染，是一種值得深入研究和推廣使用的處理印染廢水的新方法 。
參考文獻：
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[5] 劉正寶. 光催化氧化技術(shù)及其發(fā)展[ J]. 工業(yè)水處理，1997，17（6）：7 ～ 9.
[6] 俞傳明. 不同光源下分散大紅染料溶液的光催化降解[J]. 浙江工業(yè)大學學報，1995，23（2）：130 ～ 135.3
來源: 王成國
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