光催化去除水中天然有机物的研究进展

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0612

摘要/Abstract

摘要：

天然有机物（NOM）是动植物在自然循环过程中经腐烂分解所产生的大分子有机物。NOM是消毒副产物（DBPs）的前驱体，其在饮用水加氯消毒过程中会反应形成具有“三致”危害的消毒副产物。光催化剂在光照射条件下，可以不添加任何杂质而起到氧化作用，对NOM的去除具有彻底、稳定、不产生二次污染等优势。介绍了NOM的主要危害，对比分析了不同光催化剂催化氧化NOM的去除机理和优缺点，归纳总结了多种光催化复合工艺去除NOM的联用机制。光催化技术对水源中以腐殖酸（HA）为主的NOM具有较好的去除效果，以TiO₂为主的半导体光催化剂存在太阳能利用率低、光催化所需时间长、粉末催化剂难以分离回收等问题，在实际应用中局限性较大。针对这些问题，在今后的研究中应加强对高效环保经济型复合光催化剂材料的研究。应根据不同水体的实际情况，充分利用各种水处理技术的优势，进一步优化光催化氧化技术与其他水处理技术协同作用体系，提高去除污染物的效率。

关键词: 天然有机物, 光催化, 改性, 复合工艺

Abstract:

Natural organic matter（NOM） is the macromolecular organic matter produced by decomposition of plants and animals during natural circulation. NOM is the precursor of disinfection byproducts（DBPs），which can form disinfecting by-products with three hazards in the process of chlorination Disinfection in drinking water. Photocatalyst can act as an oxidizer without adding any impurities under light irradiation conditions with the advantage of being complete，stable and no secondary pollution for the removal of NOM. This paper introduced the main hazards of natural organic matter （NOM），contrasted and analyzed the removal mechanisms，advantages and disadvantages of different photocatalysts for catalytic oxidation of NOM，and summarized the coupling mechanisms of various photocatalytic composite processes for NOM removal. Photocatalytic technology has a good effect on the removal of HA-based natural organic matter from water sources. TiO₂-based semiconductor photocatalysts had problems such as low solar energy utilization，long time required for photocatalysis，and difficulty in separating and recycling powder catalysts，thus limited its practical application. In view of these problems，the research on efficient，environmentally friendly and economical composite photocatalyst materials should be strengthened in future research. And according to the actual situation of different water bodies，the advantages of various water treatment technologies should be fully utilized to further optimize the synergistic system of photocatalytic oxidation technology and other water treatment technologies to improve the efficiency of pollutant removal.

Key words: natural organic matter, photocatalysis, modification, composite technology

中图分类号:

TU991.2
X703

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https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I9/43

图/表 3

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水源	催化剂	实验条件	研究结果	参考文献
池塘水	TiO₂	反应器有效容积为22 L，光源：37 W紫外灯×5，采用循环泵进行水力搅拌，反应时间为120 min	当TiO₂投加量为0.5 g/L、曝气量为0.3 m³/h时，NOM去除率为87.1%	〔22〕
合成FA溶液	p-25型纳米TiO₂	紫外灯发射主波长为253.7 nm，功率为11 W，磁力搅拌，反应时间为40 min	当FA初始质量浓度为9.42 mg/L、TiO₂投加量为0.3 g/L、pH=7、光催化时间为40 min时，FA去除率为98%	〔23〕
HA模拟水样	PE-TiO₂	反应器有效容积为3 L，光源为25 W紫外灯×8，配备搅拌系统和空气注入系统，反应时间为270 min	PE-TiO₂光催化降解可使三卤甲烷生成势显著降低，三卤甲烷去除率达到86.4%	〔24〕
HA模拟水样	p-25型纳米TiO₂	光源为250 W/m²氙灯，反应时间为60 min	与其他光催化材料相比，降解100 ku HA的性能最优，几乎可以完全去除腐殖质和黄腐质	〔25〕
模拟河水和奥托拿比河水	p-25型纳米TiO₂	水样体积为200 mL，光源：阳光模拟器，100 mW/cm²，磁性搅拌棒和搅拌板，反应时间为30 min	两种水样的SUVA值均降低，模拟河水中DOC降低约20%；去除奥托拿比河水中三卤甲烷生成势前体的量明显高于锐钛矿基材料	〔26〕

水源	催化剂	实验条件	研究结果	参考文献
池塘水	TiO₂	反应器有效容积为22 L，光源：37 W紫外灯×5，采用循环泵进行水力搅拌，反应时间为120 min	当TiO₂投加量为0.5 g/L、曝气量为0.3 m³/h时，NOM去除率为87.1%	〔22〕
合成FA溶液	p-25型纳米TiO₂	紫外灯发射主波长为253.7 nm，功率为11 W，磁力搅拌，反应时间为40 min	当FA初始质量浓度为9.42 mg/L、TiO₂投加量为0.3 g/L、pH=7、光催化时间为40 min时，FA去除率为98%	〔23〕
HA模拟水样	PE-TiO₂	反应器有效容积为3 L，光源为25 W紫外灯×8，配备搅拌系统和空气注入系统，反应时间为270 min	PE-TiO₂光催化降解可使三卤甲烷生成势显著降低，三卤甲烷去除率达到86.4%	〔24〕
HA模拟水样	p-25型纳米TiO₂	光源为250 W/m²氙灯，反应时间为60 min	与其他光催化材料相比，降解100 ku HA的性能最优，几乎可以完全去除腐殖质和黄腐质	〔25〕
模拟河水和奥托拿比河水	p-25型纳米TiO₂	水样体积为200 mL，光源：阳光模拟器，100 mW/cm²，磁性搅拌棒和搅拌板，反应时间为30 min	两种水样的SUVA值均降低，模拟河水中DOC降低约20%；去除奥托拿比河水中三卤甲烷生成势前体的量明显高于锐钛矿基材料	〔26〕

方法改性	催化剂	研究结果	参考文献
表面贵金属沉积	Pd-TiO₂-GR Pt-TiO₂-GR	掺入贵金属和在TiO₂纳米粒子中添加石墨烯（GR）会降低晶体尺寸，光吸收带向可见光区域移动；添加贵金属和GR可通过增加表面积和降低电子-空穴复合速率增加光催化活性	〔28〕
金属离子掺杂	Al掺杂、Fe掺杂和共掺杂的TiO₂纳米管	与未掺杂的TiO₂纳米管相比，掺杂金属离子催化剂的吸收阈值向长波长的方向偏移；共掺杂TiO₂中的Al³⁺和Fe³⁺促进了·OH的产生	〔29〕
非金属离子掺杂	非金属共掺杂的TiO₂	内带能级被TiO₂晶格中的氧替代，带隙变窄；非金属不仅通过形成间隙能级来降低TiO₂的能带隙，而且使电子-空穴对的重组最小化	〔30〕
半导体复合	TiO₂-ZrO₂粒子	TiO₂-ZrO₂复合颗粒比TiO₂颗粒具有更高的比表面积、孔隙率和光催化活性； TiO₂-ZrO₂颗粒的结构取决于作为添加剂的锆的含量，50% TiO₂和50% ZrO₂组成的复合颗粒理化性能最优	〔31〕
半导体光敏化	卟啉敏化的TiO₂/rGO	在TiO₂纳米线上敏化的卟啉可作为增感剂来增加光催化剂对光的吸收；还原氧化石墨烯片是抑制电荷复合并增强修饰的TiO₂纳米线的电子-空穴分离的优良导体	〔32〕

方法改性	催化剂	研究结果	参考文献
表面贵金属沉积	Pd-TiO₂-GR Pt-TiO₂-GR	掺入贵金属和在TiO₂纳米粒子中添加石墨烯（GR）会降低晶体尺寸，光吸收带向可见光区域移动；添加贵金属和GR可通过增加表面积和降低电子-空穴复合速率增加光催化活性	〔28〕
金属离子掺杂	Al掺杂、Fe掺杂和共掺杂的TiO₂纳米管	与未掺杂的TiO₂纳米管相比，掺杂金属离子催化剂的吸收阈值向长波长的方向偏移；共掺杂TiO₂中的Al³⁺和Fe³⁺促进了·OH的产生	〔29〕
非金属离子掺杂	非金属共掺杂的TiO₂	内带能级被TiO₂晶格中的氧替代，带隙变窄；非金属不仅通过形成间隙能级来降低TiO₂的能带隙，而且使电子-空穴对的重组最小化	〔30〕
半导体复合	TiO₂-ZrO₂粒子	TiO₂-ZrO₂复合颗粒比TiO₂颗粒具有更高的比表面积、孔隙率和光催化活性； TiO₂-ZrO₂颗粒的结构取决于作为添加剂的锆的含量，50% TiO₂和50% ZrO₂组成的复合颗粒理化性能最优	〔31〕
半导体光敏化	卟啉敏化的TiO₂/rGO	在TiO₂纳米线上敏化的卟啉可作为增感剂来增加光催化剂对光的吸收；还原氧化石墨烯片是抑制电荷复合并增强修饰的TiO₂纳米线的电子-空穴分离的优良导体	〔32〕

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