【二氧化鈦光催化技術(shù)的應(yīng)用探究綜述5900字】

二氧化鈦光催化技術(shù)的應(yīng)用研究綜述TOC\o"1-2"\h\u1前言 32光催化反應(yīng)機(jī)理 43廢水的處理 43.1飲用水有機(jī)污染的現(xiàn)狀 43.2飲用水有機(jī)污染的來源以及危害 44大氣污染物的降解 55抗菌 56太陽能 67目前存在的問題 68展望 6參考文獻(xiàn): 7【摘要】本文介紹二氧化鈦光催化技術(shù)在多個領(lǐng)域中的應(yīng)用。方法：查閱大量有關(guān)二氧化鈦光催化技術(shù)在飲用水、空氣治理、抗菌等方面的文獻(xiàn)。結(jié)果：發(fā)現(xiàn)二氧化鈦具有穩(wěn)定性好、。高效能、無二次污染的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)論：二氧化鈦光催化技術(shù)具有很好的運(yùn)用前景?！娟P(guān)鍵詞】二氧化鈦；光催化技術(shù)；飲用水治理；空氣治理；抗菌1前言高科技的飛速發(fā)展對高效性能材料的要求越來越高，納米尺寸的合成會為開發(fā)高性能新材料和對現(xiàn)有材料的性能的改善提供一條新途徑。納米二氧化鈦光催化技術(shù)一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，二氧化鈦光催化技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時的日本工作者A.Fujishima等【1】首次發(fā)現(xiàn)在光電池中受輻射的二氧化鈦表面能持續(xù)發(fā)生水的氧化還原反應(yīng)，這一重大發(fā)現(xiàn)揭示了光催化研究和應(yīng)用的序幕。隨后，1976年加拿大科學(xué)家Carey等【2】將氧化鈦光催化技術(shù)應(yīng)用于水中PCB化合物脫氯去毒。S.N.Frank等【3】也于1977年用二氧化鈦粉末光催化降解了含CN-的溶液，開始了半導(dǎo)體二氧化鈦光催化應(yīng)用于污染治理的研究。1985年日本科學(xué)家TadashiMatsunaga等【4】首先發(fā)現(xiàn)了二氧化鈦在紫外光照射下有殺菌作用，根據(jù)實(shí)驗結(jié)果報道讓負(fù)載著二氧化鈦的顆粒與細(xì)菌一起培養(yǎng)，（例如：乳桿嗜酸細(xì)菌、酵母菌、大腸桿菌。）在金屬鹵化物燈光照射下，60--120min內(nèi)可以被徹底殺滅。二氧化鈦光催化殺菌的優(yōu)勢在于，在光催化過程中產(chǎn)生羥基自由基，其氧化性能非?；钴S，可以殺死絕大多數(shù)的微生物，而且能夠使大多數(shù)有機(jī)污染物礦化，達(dá)到殺菌的效果。而且二氧化鈦具有良好的化學(xué)和生物惰性，在催化降解后不會出現(xiàn)二次污染現(xiàn)象。通過科學(xué)工作者對二氧化鈦的不斷研究與常規(guī)材料相比，納米二氧化鈦（JR05）具有比表大、磁性強(qiáng)、光吸收性好、表面活性大、熱導(dǎo)性好、分散性好等獨(dú)特的性能，同時還具有光化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、催化效率高、氧化能力強(qiáng)、無毒、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)和無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，在許多方面有較好的應(yīng)用前景。如在化妝品、涂料、塑料,精細(xì)陶瓷、催化劑及環(huán)保領(lǐng)域，納米二氧化鈦的開發(fā)和利用就已受到人們的廣泛關(guān)注。2光催化反應(yīng)機(jī)理關(guān)于二氧化鈦半導(dǎo)體材料光催化氧化的機(jī)理已經(jīng)有大量的研究，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)照射在半導(dǎo)體上的光的能量相當(dāng)于半導(dǎo)體禁帶寬度時，電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了電子-空穴對，導(dǎo)帶電子具有強(qiáng)還原性，價帶空穴具有氧化性，電子-空穴對具有很強(qiáng)的活性，能夠進(jìn)一步誘導(dǎo)一系列氧化還原反應(yīng)的進(jìn)行。光生空穴具有很強(qiáng)的得電子能力，會與TiO2粒子表面的OH-反應(yīng)生成氧化性很高的OH自由基，活潑的OH自由基可以把許多難解的有機(jī)物氧化為水（H2O）和二氧化碳（CO2）等無機(jī)物。光致電子的俘獲劑主要是對二氧化鈦表面的氧的吸附，它也是一種氧化劑，但是其氧化性基本不具有選擇性，可以氧化許多有機(jī)物包括一些難降解的有機(jī)物，可以使這些有機(jī)物完全礦化。3廢水的處理飲用水有機(jī)污染的現(xiàn)狀隨著人口爆發(fā)性的增長，人們對飲用水的用量日益加劇，而環(huán)境污染日益加劇，我國集中式飲用水水源和生活飲用水普遍受到有機(jī)物的污染，水質(zhì)日趨惡化。據(jù)2010年的報道顯示全國113個環(huán)保重點(diǎn)城市的395個集中式飲用水源，達(dá)標(biāo)水量僅占76.5%【5】王研等【6】用最差因子評價法對全國各地飲用水源進(jìn)行評價，發(fā)現(xiàn)合格率只有50%，大多數(shù)都受有機(jī)污染物污染。向倫輝等【２３】檢測了以漢江和長江為水源的末梢水，在豐水期分別檢驗出來有機(jī)物１１０和７９種，在枯水期，分別檢驗出有機(jī)物１０２和９５種，其中有機(jī)污染物主要是以烷烴、烯烴、脂肪酸、鹵代烴等。將葵等【２４】對哈爾濱市的集中式供水源的水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行分析表明，集中式供水特別是二次供水，存在生物性和化學(xué)性的污染。由此可見，我國飲用水資源存在很大問題，雖然最近幾年一直在提倡環(huán)境保護(hù)，但是飲用水的凈化技術(shù)還有待提高。飲用水有機(jī)污染物來源飲用水中的有機(jī)污染物主要有３個來源[25,26]：第一水源中天然存在的有機(jī)物，如腐植酸；第二人工合成的有機(jī)物，主要包括水源中引入的具有致癌和對內(nèi)分泌有干擾作用的化學(xué)物質(zhì)，如滴滴涕、酞酸酯類、多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯類等，以及新型自來水管的溶出物，如雙氯酚A和壬基酚等；第三是飲用水在凈化消毒過程中形成的消毒副產(chǎn)物，如三氯甲烷等。飲用水有機(jī)污染物對健康的危害飲用水中的有機(jī)污染物對人體健康的影響主要體現(xiàn)在致癌、致畸形、致突變的作用。經(jīng)實(shí)驗表明，經(jīng)過氯化消毒處理的飲用水的消耗量與人群的直腸癌、肺癌、肝癌、膀胱癌、腎癌的發(fā)病率成正相關(guān)【２７，２８，２９】飲用水中的三氯甲烷會影響精液的質(zhì)量，改變精子的正常形態(tài)，使其頭部發(fā)生異?！荆常啊?。高濃度的三氯甲烷還會增加患先天性心臟病的危險性【３１，３２】；增加出生缺陷的發(fā)生率【３３】。Ｋｏｍｕｌａｉｎｅｎ等【３４】呋喃酮的致癌性進(jìn)行了研究，將呋喃酮的日攝入量控制在一定量之間的大鼠喂養(yǎng)１０４周后發(fā)現(xiàn)飲用高劑量的呋喃酮溶液的大鼠的濾泡性腺瘤、甲狀腺瘤、膽管細(xì)胞癌的發(fā)病率光催化降解水中有機(jī)污染物【7。8】是一項新型的水處理技術(shù)，二氧化鈦光催化技術(shù)可降解飲用水中的天然有機(jī)物，如腐殖酸，它是天然水體有機(jī)物質(zhì)的主要成分，也是自來水氯化消毒過程中形成的三鹵甲烷類有害副產(chǎn)物的主要前驅(qū)物【9】。對飲用水中人工合成有機(jī)物和消毒副產(chǎn)物的降解也有明顯效果。但是韓文亞等【10】對二氧化鈦降解水中微量消毒副產(chǎn)物的研究表明，氯代烷烴的催化效率最低，且不隨氯原子和碳原子的數(shù)目的變化而變化，烯烴較烷烴的催化效果較好。納米二氧化鈦能夠有效的將廢水中的有機(jī)物降解為二氧化碳、水、磷酸根離子、硝酸根離子、鹵素等無機(jī)小分子，達(dá)到安全無機(jī)化的目的。而且新的多相光催化污染治理具有廉價無毒，化學(xué)穩(wěn)定好，工藝簡單沒有二次污染的特點(diǎn)，在環(huán)境保護(hù)中逐漸受到人們的青睞。4大氣環(huán)境污染物的降解隨著工業(yè)的發(fā)展和人們的生活水平的提高，大氣污染日趨嚴(yán)重，從“煤煙型污染”到“光化學(xué)煙霧”繼而到現(xiàn)在的“室內(nèi)空氣污染”，包括大型超市，辦公室，學(xué)校教室以及住宅內(nèi)的空氣質(zhì)量，。目前已從室內(nèi)空氣中鑒定出幾百種有機(jī)物質(zhì)，對室內(nèi)主要污染物甲醛、甲苯等的研究結(jié)果表明，污染物的光降解與其濃度有關(guān)，質(zhì)量數(shù)低的甲醛可完全被二氧化鈦（JR05）光催化分解為水（H2O）和二氧化碳（CO2），質(zhì)量分?jǐn)?shù)在較高濃度時則被氧化成甲酸。而高濃度甲苯光催化降解時，就會生成的難分解的中間產(chǎn)物富集在二氧化鈦周圍，阻礙了光催化反應(yīng)的進(jìn)行，去除效率非常低。近年來空氣質(zhì)量成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，大氣污染的治理越來越引發(fā)人們的重視。環(huán)境有害氣體可分為室內(nèi)有害氣體和大氣污染物氣體，室內(nèi)有害氣體主要包括由裝修材料釋放出的甲醛和生活環(huán)境中產(chǎn)生的甲硫酵氣、硫化氫、氨氣等。大氣污染氣體主要是指汽車尾氣和工業(yè)廢氣帶來的氮氧化物和硫氫化物，利用二氧化鈦光催化作用，將含有納米二氧化鈦的涂料涂到涂在建筑物表面，利用其光催化作用可以將這些氣體氧化，形成蒸汽壓低的硝酸或硫酸，這些硝酸和硫酸可在降雨過程中除去，從而達(dá)到降低大氣污染的目的【１１】當(dāng)在納米二氧化鈦光催化劑摻雜金屬離子能改變晶格結(jié)構(gòu)，可使其在可見光照射下也能發(fā)揮作用【１２】胡將軍等采用溶膠——凝膠法制的含鐵離子的納米二氧化鈦光催化劑，以活性炭為載體，在波長為２５４納米的紫外光下對甲醛進(jìn)行吸附和光催化氧化，甚至可以達(dá)到９７％以上的凈化效率【１３】。5抗菌在人們的居住環(huán)境中存在許多微生物，這些微生物存在著許多有害的微生物，對人們的生活產(chǎn)生不良影響，尤其是一些潮濕的場合，如廚房、衛(wèi)生間等更易滋生微生物，對人們的生活產(chǎn)生威脅，所以如何殺滅這些微生物受到越來越多的人的關(guān)注。為了考查二氧化鈦對微生物的作用，根據(jù)不同的研究和應(yīng)用背景，人們選擇了細(xì)菌、病毒、藻類、癌細(xì)胞等。由于大腸桿菌是水體污染的指示菌種，實(shí)驗具有實(shí)際運(yùn)用意義，ＴａｄａｓｈｉMａｔｓｕｎａｇａ［１４］和ＣｈａｎｇＷｅｉ［１５］和ＺｈｅｎｇＨｕａｎｇ［１６］等的研究都把大腸桿菌作為菌種。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)輔酶A會被二氧化鈦所氧化，繼而阻止細(xì)胞的呼吸造成細(xì)胞的死亡。在KａｙａｎｏＳｕｎａｄａ等【１８】大腸桿菌被殺滅的同時，其內(nèi)毒素也被降解，這一點(diǎn)也是光催化消除微生物污染的優(yōu)勢所在。對噬菌體ＭＳ２的研究表明，其蛋白衣殼和核酸容易被羥基自由基攻擊【１９】。而對于癌細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，二氧化鈦顆粒可以進(jìn)入癌細(xì)胞中，雖然二氧化鈦本身對癌細(xì)胞沒有毒性，但是有很大的光敏作用會殺死癌細(xì)胞【２０】。劉平【２１】研究了摻雜了二氧化鈦的膜材料滅菌，認(rèn)為二氧化鈦光照激活反應(yīng)中，生成了羥基自由基和超氧化物陰離子自由基，這些自由基具有很強(qiáng)的氧化性，會直接攻擊細(xì)菌的細(xì)胞，破壞細(xì)菌的組成，以此殺滅細(xì)胞并使細(xì)菌分解。因此，二氧化鈦光催化技術(shù)在醫(yī)學(xué)上有很大的發(fā)展空間。由于納米二氧化鈦的光生電子空穴可以直接和細(xì)菌的細(xì)胞壁或內(nèi)部組織發(fā)生生化反應(yīng)，使細(xì)菌滅活，所以它是一種很好的滅菌材料【２２】。與常規(guī)銅、銀殺菌劑不同的是二氧化鈦光催化不僅能夠殺滅細(xì)菌而且同時降解細(xì)菌釋放出的有毒物質(zhì)，避免了細(xì)菌被殺死之后釋放內(nèi)毒素造成的二次污染?！荆保贰磕壳耙焉a(chǎn)出涂有二氧化鈦納米膜的抗菌瓷磚和電器，用于醫(yī)藥食品的加工場所，Ｆｕｊｉｓｈｉｍａ［１］等研究表明納米二氧化鈦光生空穴還能有效的滅活癌細(xì)胞，有望成為一種新型治療癌癥的醫(yī)療技術(shù)。6太陽能轉(zhuǎn)化由于人口的日益增加，人類對資源的需求越來越大，而大多數(shù)資源屬于不可再生資源，例如煤、石油、天然氣。而且這些不可再生的資源的使用如若不當(dāng)，還會造成環(huán)境污染。還會因此開發(fā)新能源越來越受到科學(xué)家的關(guān)注。新能源具有無污染，可以循環(huán)利用的特性，例如：風(fēng)能、太陽能、潮汐能、地?zé)崮艿?。而太陽能是我們可以利用的最方便的能量。利用太陽能轉(zhuǎn)化可儲存的氫能源和電能是解決未來能源危機(jī)的主要途徑。雖然電解水也能達(dá)到這一目的，但是該方法消耗的能量過大，經(jīng)濟(jì)效益不高。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)把二氧化鈦半導(dǎo)體光催化分解制取氫氣是一種比較簡單易形的方法。此外，利用半導(dǎo)體光致親水性，可以開發(fā)出了具有兼具清潔和抗霧性能的汽車擋風(fēng)玻璃、后視鏡、幕墻玻璃等。7目前存在的問題

在污水處理領(lǐng)域，實(shí)際的污水體系中往往含有多種有機(jī)污染物，包括濃度高的低毒性有機(jī)污染物和濃度低的高毒性有機(jī)污染物等，優(yōu)先吸附的低毒性污染物會將二氧化鈦納米顆粒包裹起來，使其達(dá)到飽和吸附，從而導(dǎo)致高毒性污染物難以有效和二氧化鈦接觸，為此采用可選擇性處理有機(jī)污染物的二氧化鈦光催化技術(shù)是十分有必要的【38】從基礎(chǔ)研究的角度來說，激發(fā)二氧化鈦光催化活性需要3.2eV的能量，也就是紫外光部分，到紫外光只占太陽光中的5%左右，所以導(dǎo)致二氧化鈦光催化劑對可見光的響應(yīng)很差，這就使得二氧化鈦在直接利用太陽能處理環(huán)境污染物方面的應(yīng)用收到了一定限制。此外，光生載流子的復(fù)合幾率較高，導(dǎo)致量子產(chǎn)率較低，如常規(guī)的二氧化鈦半導(dǎo)體光催化劑的量子產(chǎn)率只有4%左右，難以處理量大的且污染物濃度高的污水【39】。所以從經(jīng)濟(jì)效益上來看，二氧化鈦很難大規(guī)模使用。從實(shí)際生產(chǎn)的角度來講，納米級懸浮顆粒二氧化鈦光催化體系雖然能明顯的提高體系在紫外光區(qū)的光催化效率，但納米顆粒分離回收困難，不利于光催化劑的重復(fù)利用且殘留在反應(yīng)液中的二氧化鈦會對環(huán)境造成二次污染【40】因此，要提高二氧化鈦的催化效率，必須對二氧化鈦進(jìn)行改性。8展望

由于納米二氧化鈦光催化氧化技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)，在世界很多國家得到廣泛研究與應(yīng)用。在非典時期，許多國家就應(yīng)用光催化技術(shù)作為室內(nèi)環(huán)境的消毒手段。充分利用太陽能輔助水處理及一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的消毒方面，尤其是在電力缺乏的地區(qū)，由于可以利用太陽能，光催化也同樣有自己的優(yōu)勢。在醫(yī)學(xué)方面，光催化也有一定的進(jìn)展，在特定情況下，利用光催化技術(shù)可以殺死癌細(xì)胞，在沒有光的情況下，二氧化鈦也不會對細(xì)胞產(chǎn)生副作用。但是二氧化鈦的分離，反應(yīng)器模型，催化劑的固載化以及提高可見光利用率等問題仍需進(jìn)一步研究。我國鈦資源儲量眾多，居世界之首，如果能夠利用豐富的鈦資源，生產(chǎn)出可見光催化劑，不僅對我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有促進(jìn)作用，而且可以改善我們的生存環(huán)境。相信在不久的將來，隨著二氧化鈦納米技術(shù)的不斷完善，該技術(shù)將會對全人類的環(huán)保事業(yè)做出巨大貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)：FujishimaA,HondaK.Electrochemicalphotolysisofwateratasemiconductorelectrode[j].Nature,1972,37:238-245.CareyJH,LawrenceJ,TosineHM.photodechlorinationofPCB’sinthepresenceoftitaniumdioxideinaqueoussuspensions[J].BullEnvironContamToxical,1976,16:697-706FrankSN,BardAJ.Semiconductorelectrodes.12.Photoassistedoxidationsandphotoelecrosynthesisatpolycrystallinetitaniumdioxideelectrodes[J].J.Am.Chem.Soc.1977,99(14):4677-4675.TadashiMatsunaga,RyozoTomoda,ToshiakiNakajima,HitoshiWake.Photoelectrochemicalsterilizationofmicrobialcellsbysemiconductorpowders.FEMSMicrobiologyLetters,1985,29:211-214環(huán)境保護(hù)部.中國環(huán)境狀況公報[R].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2010：26.王妍，唐克旺，徐志俠，等.全國城鎮(zhèn)地表水飲用水水源地水質(zhì)評價[J].水資源保護(hù)，2009，25（2）：1-5.UlrikeDiebold.Su~CaceScienceReports,2003,48-53MardareD.,TaseaM.,etal.AppliedSurfaceScience.2000,156,200LangvikV,HolmbomB.Formationofmutagenticorganicby-productsandaoxbychlorinationoffractionsofhumicwater[J].WaterResearch,1994,28:553-557.韓文亞，張彭義，祝萬鵬，等.水中微量消毒副產(chǎn)物的光催化降解[J].環(huán)境科學(xué)，2004，20（4）：205-206.JiagouYu,XiujianZhao.EffectofsubstratesonthephotocatalyticactivityofnanometerTio2thinfilmsMaterialsResearchBulletin.2000,(35):1293-1301黃婉霞，孫作風(fēng)，吳建春，等.納米二氧化鈦光催化作用降解甲醛的研究[J].稀有金屬，2005，29[1]34-37胡將軍，李英柳，彭衛(wèi)華.吸附-光催化氧化凈化甲醛廢氣的實(shí)驗研究[J].化學(xué)與生物工程，2004，（1）：39-41TadashiMatsunaga,RyozoTomoda,ToshiakiNakajima,NoriyukiNakamura,TamotsuKomine.Continuous-sterilizationsystemthatusesphotosemiconductorpowders.AppliedandEnvironmentalMicrobiology,1988,54(6):1330-1333ChangWei,Wen-YuanLin,ZulkarnainZainal,NathanE.Williams,KaiZhu,AndrewP.Kruzik,RussellL.Smith,KrishnanRajeshmar.BactericidalactivityofTIO2photocatalystinaqueousmedia:towardasolar-assistedwaterdisinfectionsystem.EnvironmentalScienceandTechnology,1994,28:934-938ZhangHuang,Pin-ChingManess,DanielM.Blake,etal.BactericidalmodeofPhotochemistryandPhotochmistryandphotobiologyA:Chemistry,2000,130:163-170AyanoS.KikuchiY,HashzmotoK,etal.EnviorSciTech,1998,32(5):726KayanoSunada,YoshihikoKikuchi,KazuhitoHashimoto,AkiraFujishima.BactericidalanddatoxificationeffectsofTIO2powder.Bull.Chem.Soc.Jpn.,1991,64(4):1268-1273[19]JonC.Sjogren,RaymondA.Sierka.InactivationofphageMS2byiron-aidedtitanniumdioxidephotocatalysis.AppliedandenvironmentalMicrobiology,1994,60(1):344-347[20]RuxiongCai,KazuitoHashimoto,KiminoriItoh,etal.PhotokillingofmalignantcellswithultrafineTiO2power.Bull.Chen.Soc.Jpn.,1991,64(4):1268-1273[21]劉平，林華香，付賢智，孟春。摻雜二氧化鈦光催化膜材料得制備及其滅菌機(jī)理。催化學(xué)報，1999，20（3）：325-328[22]張青紅.高廉.郭景坤.四氯化鈦水解法制備納米二氧化鈦納米晶的影響因素[J].無機(jī)材料學(xué)報.2000，15（6）：992——997[23]向倫輝，郭祖鵬，李明珠，等.武漢市漢江和長江水源飲用水中有機(jī)物污染譜系分析[J].上海預(yù)防醫(yī)學(xué)雜志，2010，22（5）：234-237.[24]蔣葵，李韶梅.哈爾濱市集中式供水水質(zhì)現(xiàn)狀分析[J].中國衛(wèi)生工程學(xué)，2006，5（3）：154-155[25]李新偉，吳南翔，張幸.飲用水中有毒有機(jī)物的流行病學(xué)及毒性研究進(jìn)展[J].國外醫(yī)學(xué)衛(wèi)生學(xué)分冊，2005，32（4）：211-214[26]方東，梅卓華，樓霄.南京市主要飲用水源水中有機(jī)污染物的遺傳毒性研究[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2001，17（1）：2-7.[27]呂煒.飲用水中重點(diǎn)有機(jī)污染物對人體健康危害的研究進(jìn)展[J].中國預(yù)防醫(yī)學(xué)雜志，2007，8（5）：668-670[28]李國光，何尚浦，施侶元，等.飲用D湖自來水的人群癌癥危險度的回顧性定群研究[J].同濟(jì)醫(yī)科大學(xué)學(xué)報，1992，2：181[29]莊穎.水中有機(jī)污染物對人體的潛在危害及預(yù)防對策[J].環(huán)境與健康雜志，2001，18（3）：187-189[30]FensterL,WallerK,WindhmmG,etal.Trihalomethantlevelsinhometapwaterandsemenquality[J].Epidemiology,2003,14:650-658.[31]WindhamGC,WallerK,AndersonM,etal.Chlorinati