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光催化技術

作者:上海路陽時間:2021-01-04 10:49:56瀏覽395 次

信息摘要:

光催化技術是一種真正環境友好的綠色技術 。 它既可在能源領域應用,將低密度的太陽能轉化為可儲存的 、 高密度的潔凈能源氫能 ; 也可在環境領域應用,利用光能降解和礦化環境中的有機和無機污染物 。 因此 , 可以說光催化技術是一種在能源和環境領域有著重要應用前景的綠色技術 。 光催化治理污染物的基本原理是光催化劑如 TiO2 在大于或等于其帶隙能的光激發下 , 產生光生電子和空穴 , 光生電子和空穴與吸附的 O2 、 H2 O 、 催化劑表面羥基等反應產生活性氧物種 , 如羥基自由基 、 超氧自由基等 。

近年來 , 隨著我國經濟的快速發展和人民生活水平的提高 , 大量有毒難降解污染物如藥品 、 農藥 、 染料 、 表面活性劑 、 重金屬以及亞硝酸鹽等進入環境尤其是江 、 河 、 湖 、 海 , 導致水質下降和化學性水污染事件的發生 。 此外 , 我國還是一個能源消耗大國 , 據測算 , 到 2020 年我國對進口石油的依存度將超過 60 % ??梢哉f , 在未來很長時間內 , 能源安全和環境污染將嚴重制約我國實現可持續發展 、 提高人民生活水平和保障安全 。

光催化技術是一種真正環境友好的綠色技術 。 它既可在能源領域應用 ——— 將低密度的太陽能轉化為可儲存的 、 高密度的潔凈能源氫能 ; 也可在環境領域應用 ——— 利用光能降解和礦化環境中的有機和無機污染物 。 因此 , 可以說光催化技術是一種在能源和環境領域有著重要應用前景的綠色技術 。 光催化治理污染物的基本原理是光催化劑如 TiO2 在大于或等于其帶隙能的光激發下 , 產生光生電子和空穴 , 光生電子和空穴與吸附的 O2 、 H2 O 、 催化劑表面羥基等反應產生活性氧物種 , 如羥基自由基 、 超氧自由基等 。 這些氧化性很強的活性物種可與大多數有機分子發生非選擇性的氧化還原反應 , 使之徹底礦化生成 CO2 、 H2 O 以及礦物酸或鹽等 。 與傳統的污染物治理方法相比 , 光催化技術具有 (1) 除凈度高 ,無二次污染 ; (2) 不需要在反應體系中引入額外的化學物種如 H2 O2 和 O3 等以及 (3) 可利用廉價的太陽能作為替代光源驅動有機污染物光催化降解等優點 。有鑒于光催化技術在環境污染治理方面的巨大潛力 , 世界上發達 , 如美國 、日本 、 英國 、 德國 、 韓國等相繼投入大量的人力和物力進行有關光催化新技術 、新方法 、 新工藝的探討與研究 , 如日本有由大學 、 研究院所和企業聯合組成的研究隊伍 , 成立了數個專門的研究中心進行與光催化有關的基礎研究和應用開發 ;美國環境保護局 (EPA) 也已將光催化列為最有應用前景的環境技術 ; 歐洲共同體也組織了由 8 個有關科學家聯合參加的特大研究項目 , 進行光催化水凈化處理的大型試驗與技術開發 。 與國際上的發展趨勢同步 , 我國在最近幾年也相繼啟動多個大型的研究項目開展光催化領域包括光催化污染治理和光催化制氫方面的研究工作 。 通過相關領域研究人員的共同努力 , 我國已在光催化反應機理 、新一代光催化材料的探索 、 光催化劑的結構設計與性能剪裁方面開展了很多原創性的研究工作并取得了一些國際矚目的研究成果 。 總的來說 , 我國光催化領域的研究工作更多地集中在基礎和應用基礎研究方面 , 在光催化技術的工程應用 , 尤其是LED光催化反應器/LED光化學反應儀工程方面的基礎研究和中試工作開展得很少 。 這一環節的缺失 , 將成為制約我國光催化技術從實驗室走向工程應用的短板 , 限制著我國未來在光催化領域的國際競爭力 。

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近年來 , 有關光催化在能源和環境方面應用和進展的報道 、 綜述以及專著詳盡描述和總結了光催化反應的基本原理 、 化學本質 、 污染物尤其是有機污染物的光催化降解機理 、 光催化劑尤其是可見活性催化劑的研究進展以及光催化技術在不同領域的應用等 。 枟化學工程進展枠 (A dvances in Chemical Engineering) 系列中的第 36 卷 (2009 年出版) 是介紹 “光催化技術” (Photocatalytic Technolo唱gy) 尤其是光催化化學工程進展的專輯 , 特別邀請化學反應器工程領域的專家加拿大西安大略大學 、 化工和生物化工系化學反應器工程中心主任 H ugo I . DeLasa 授和墨西哥的 Benito Ser rano Rosales 擔任編輯 , 邀請世界范圍內光催化尤其是光催化化學工程領域的知名專家結合自身的研究實踐系統地闡述了光催化技術在環境和能源領域應用的工作原理 、 應用對象和研究進展 , 特別總結和討論了面向不同應用的光催化反應器的的研究進展 。 全書內容豐富 、 數據詳實 、 綜述全面 , 反映了光催化反應工程領域的最新研究成果和未來的發展方向 。 該書由兩大部分組成 , 部分主要圍繞光催化劑的光誘導催化劑表面特性研究 、 光催化治理水中的無機污染物 、 有機污染物和制氫的基本原理和最新研究成果展開 。 第二部分則以光催化技術的工程應用為背景 , 圍繞光催化反應工程重點描述光催化反應器的結構設計 、 數學模擬 、 面臨的挑戰和未來的發展趨勢等 。

目前 , 重金屬污染已經成為最嚴重的環境殺手之一 。 我國光催化研究較少涉及的重金屬污染治理作為對象 , 重點討論使用多相光催化方法處理水中重金屬離子的原理 、 途徑和范圍 , 并且以危害最嚴重的重金屬離子如 H g 、 Cr 、Pb 、 U 和 A s 及其衍生物為例 , 綜述了近年來在光催化治理水中重金屬污染的研究進展及環境氣氛如氧氣 、 氮氣 、 空氣以及外加的有機污染物等對光催化治理重金屬效果的影響 。 該章的閱讀將會拓展我國光催化研究領域科學家的思維空間 ,為水中低濃度重金屬污染物的環境治理提供新的思路和方法 。苯酚是一種典型的高毒性 、 難溶解 、 難以生物降解的芳香族有機污染物 。 第3 章以苯酚的光催化氧化作為研究對象 , 重點探討金屬陽離子特別是鐵離子存在對紫外光激發 TiO2 光催化礦化苯酚及其中間產物的影響 、 苯酚光催化礦化的動力學模型及光催化氧化機理 。第 4 章從光解水的途徑 、 反應器結構 、 能量需求和太陽光轉化效率等幾個方面總結了該領域的一些基本概念和研究進展 。 重點討論了可見光驅動光催化分解水制氫 , 包括實現水分解的光催化劑的能帶結構 ; 可見光驅動光催化劑的研究進展和光催化劑未來的發展趨勢等 。

直到現在 , 多相光催化技術治理水中的有機污染物仍未實現中試 , 這可能與水處理系統中大型光催化反應器設計的難題有關 。 第 5 章通過光反應器與傳統反應器的比較 , 重點討論了紫外光激發水處理系統中的中試規模光反應器設計的難點和注意事項 , 并且以 TiO2 懸浮液光催化降解苯甲酸為例 , 說明如何通過宏觀動力學參數如催化劑用量 、 污染物起始濃度 、 光強 、 流動速度 、 pH 值 、 氧氣分壓和溫度等對反應速率常數影響的研究來確定影響光催化反應速率的動力學控制區域和傳質控制區域 。 這些參數的獲得對大型LED光化學反應儀的結構設計 、 數學模擬 、光催化劑的性能評價和光催化反應機理的研究具有重要的指導作用 。 本章的第三部分內容是有關于大型光反應器結構設計面臨的挑戰和發展趨勢 , 并且綜合評述了多種新型光反應器的優缺點 。

太陽光驅動水處理系統中光反應器的設計和數學模擬 。 首先通過不同結構LED光化學反應儀光利用效率的比較說明對太陽光驅動型多相光催化反應系統而言 , 非聚焦型光反應器是能量更優化的反應器類型之一 。 光吸收能力是評價光反應器效率的關鍵參數之一 。 然后提出了LED光化學反應儀內光能傳遞的基本概念 、常用數學模型和研究方法 , 特別討論了一種簡單的擴散近似模型 , 并在此基礎上比較了不同結構反應器中的光能傳遞情況 。

器壁型光催化反應器 、 均相光化學反應器和多相光催化反應器從實驗室到中試規模的放大方法 。 整個光反應器的放大包括反應器反應機理 、 動力學模型 、 實驗室反應器的結構和數學模擬 、 中試規模反應器的包括相關的反應模型 、 輻射模型和模型的可靠性驗證等內容 。 讀者通過閱讀該章 , 可以獲得包括光催化反應工程領域的豐富知識 , 并且對實際的大型光催化反應器的結構設計提供具體的指導作用 。以色列理工學院的 Yaron Paz 教授在第 8 章全面綜述了光催化技術在空氣凈化方面的應用 , 內容包括光催化凈化空氣的反應動力學 、 傳質過程和光源類型等對光催化反應速率常數的影響 ; 空氣中典型污染物的光催化降解機理 、 參數對污染物降解性能的影響以及催化劑的再生等問題 。 重點總結了多種用于室內空氣凈化的空氣凈化器的結構和優缺點以及光催化凈化空氣領域存在的主要問題和未來的發展趨勢 。 通過該章的閱讀 , 讀者可以獲得包括針對不同類型的污染物 , 影響空氣凈化器效率的根本原因 、 光反應過程中光催化劑的失活機理和光反應器結構設計方面的豐富信息 , 對未來高性能光凈化器的設計和研究具有重要的指導作用 。

由于光催化技術在環境和能源領域的巨大應用前景 , 使用光催化技術處理水和空氣中的污染物及光催化制氫已經愈來愈引起研究者和產業界的廣泛興趣 。 但該領域的研究要從實驗室走向產業化 , 還必須解決包括中試反應裝置的運行 、 大型光反應器的設計等眾多瓶頸問題 。 讀者通過本書的閱讀可以獲得光催化化學工程領域的最新進展 、 光催化反應器放大方面的方法論和豐富知識 , 為未來大型光催化反應器的設計提供理論和實驗指導 。

總之 , 該書的出版和引進將會給我國的光催化治理環境污染提供新的思路 ,并且對光催化領域的研究尤其是工程應用研究起到促進和指導作用 。 該書不僅適合于光催化 、 材料和工程領域的科學和技術研究人員閱讀 , 使其獲得有關催化劑結構設計方面的有用信息 ; 同時也可供化學 、 物理和工程領域的研究生及相關科研人員閱讀參考 。

 


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