赵巾巾
(阳煤集团太原化工新材料有限公司，山西 太原 030040)
引 言
环境污染和能源短缺是现代人类社会所面临的两大问题，其中环境污染是当今世界最突出的问题，当今除了节能减排，优化产业结构外，治理环境污染问题是最重要的事情。目前工业废水排放是水污染中最棘手的问题之一，如何去除废水中有毒、有害、有机污染物成为当前面临的一大难题。
传统物理、化学方法去除废水中有机物存在着去除不彻底、工艺复杂、难度大等问题。在过去的几十年中，用于空气净化和废水处理的新型高效环保型光催化剂，在绿色生活概念的启发下得到开发。研究表明，光催化技术能够氧化降解有机污染物，而且具有操作简单、成本低等优点，其主要应用于水分解、二氧化碳还原和有机污染物降解等方面。
1 光催化技术的起源
光催化技术起源于1967年，对含有二氧化钛(TiO2)单晶体的水进行了紫外线照射，发现有气泡产生，经测定为氢气(H2)和氧气(O2)，该发现被命名为“本多·藤岛效果”(Honda-Fujishima Effect)。1972年，在英国《科学》杂志上刊登了关于光触媒现象的论文[1]，光催化技术从此成为研究的热点，并且得到长远的发展。
2 光催化技术的基本原理
半导体催化剂具有光催化活性[2]，与其特殊的能带结构有着密不可分的关系。半导体催化剂有被电子占满轨道的低能价带(VB)和未被电子占满轨道的高能导带(CB)，两者之间存在着量子化、不连续的带隙(gap band)。当有光照射到半导体时，若光子的能量恰好等于或者高于半导体催化剂的带隙能(Eg)时，处于低能价带的电子就可以吸收该光子的能量，从而产生光电子(e-)，发生跃迁，进入高能导带的轨道中，同时，由于价带失去了电子，所以形成了空穴(h+)。由于其特定的能带结构，在电场的作用下，光电子和空穴的分离得以较长时间维持。电子-空穴对有布朗运动或电场作用两种运动方式，可以迁移到半导体颗粒表面或者直接复合，也可能被半导体表面晶格缺陷所捕获。
当然，有时候它们也会复合，按照复合位置的不同分为两种：1) 直接在半导体催化剂内部复合，就像d途径一样；2) 迁移到半导体表面复合，复合过程如c途径。复合时吸收的光子能量，大多数以热能形式耗散，少部分通过辐射或其他形式散发出去。
3 光催化技术的应用
3.1 光催化技术降解废水
废水中的有机污染物存在毒性大、周期长、降解缓慢等问题，利用以前的废水处理技术很难解决，利用半导体光催化剂具有较强的氧化能力可以有效消除废水中的微生物和有机物(如,染料废水中甲基橙、制药废水中抗生素等)。此外，半导体光催化剂具有可持续利用、环境友好和低损耗等突出的特点。
图1 半导体光催化剂在光激发下载流子的运动变化图
利用光催化技术降解废水有机污染物的特点：
1) 在常温、常压下反应，反应条件简单、温和；
2) 可将有毒有机污染物氧化降解为CO2和H2O，降解效果良好，产物清洁，几乎无二次污染；
3) 半导体材料化学性能稳定，氧化性强，运行操作成本低，使用寿命长；
4) 有望直接利用太阳能，绿色环保；
5) 光催化剂对从烃到羧酸各类有机物都有效，可以降解绝大多数有机污染物，适用范围广，具有良好的广谱性；
由此可见，光催化技术是一种环境友好的极具发展前景的水污染治理技术。
3.2 光催化技术净化空气
空气净化是指对影响人们身体健康的有害物质进行净化，如，氮氧化物、二氧化硫、苯、一氧化碳、甲醛等有害物质。近年来空气污染问题非常严重，尤其是建筑装饰材料中释放的防腐剂、甲醛和可塑剂等污染物，会造成人们患有呼吸道疾病。使用空气净化器和增加室内空气交换频率是控制室内空气污染的主要方式。目前除去室内污染物最主要的方式是使用空气净化器[3]，负载有光催化剂的空气净化设备优于传统的空气净化设备，原因是其能够将污染物彻底地清除干净。处理室内污染物最主要是利用光催化剂[4]，其中一种光催化剂叫作光催化网，它是利用“电化学组装-阳极氧化联用技术”在金属载体上制备出高结合强度、高反应效率的纳米TiO2磁性膜光催化剂，用来处理空气中的甲醛、苯、氨等有害气体以及细菌等有害物质的深层净化技术。
3.3 光催化制氢技术
Ye等[5]采用固相合成法成功开发出可见光驱动的催化剂，这种光催化剂在水中接受波长大于420 nm的可见光照射时就可以分解水产生H2和O2，而反应条件相当温和，常温常压即可。凭借这项催化技术，人们便可以把太阳光中蕴含的能量直接转化为化学能，而且整个反应不仅符合绿色、经济理念，还不会产生任何有毒有害物质，将有助于缓解全球性的能源危机问题。同时，这项技术的原料是廉价且方便易得的水，产出的又是氢气这种清洁能源，这将会成为新能源开发应用的助推器，而且也会改善世界现有的化石能源结构，这也意味着它会间接减少由于化石能源的使用所带来的一系列环境问题。
3.4 光催化水污染治理技术
处理水污染的传统方法[6]主要有两类：其一是物理方法，主要有沉淀法、吸附法、过滤法以及反渗透法；其二是化学方法，主要包括氧化还原法、络合法、离子交换共沉淀法和酸碱中和法。在众多的物化方法中，吸附法应用最为广泛，但是该法只是将污染物进行了富集和转移，污染物依然存在自然环境中，并且难以被微生物自然净化降解，存在二次污染的潜在风险。
现今开发的光催化技术，可以应用于处理水污染问题[7]。在太阳光的照射下，半导体光催化剂中产生具有还原性的光生电子和具有氧化型的空穴。在无机污染物治理方面，光催化可以还原水中的Hg2+、Cr6+、Pb2+、Ni2+、Cu2+、Co2+、Cd2+等重金属离子；光催化还可以氧化CN-、I-、NO、NO2、NO2-、S、S2-等常见无机小分子。在有机污染降解方面，光催化可以降解染料、农药、表面活性剂、高分子药物等典型有机污染物。
4 结语
光催化技术在环境治理方面的研究需持续进行，在实际应用中存在很多问题，诸如,目前光催化剂不能高效地利用太阳能，光催化剂降解反应动力学规律的探索没有形成体系；光催化剂生产成本高，不容易形成工厂化批量生产。对于光催化剂的发展研究只在定性上分析，缺少定量性的研究，与其他学科联系不是很紧密，有待加强跨学科的合作。目前很多学者都在寻求更高效、更有潜力的光催化剂，希望对光催化技术方法进行优化调整，完善光催化技术，致力于在不远的将来让其更好地服务全人类。
