[发明专利]光催化剂

说明书

发明领域

本发明通常涉及光催化剂。本发明还涉及生产光催化剂的方法、光催化水处理系统及处理水的方法。

发明背景

已采用一些已知技术来除去存在于废水中的有机污染物。

非破坏性方法，如活性炭吸附方法和空气吹脱，可以用来除去废水中的污染物。然而，活性炭吸附方法会产生必须安全处理掉的危险固体废物。此外，空气吹脱将废水中的液体污染物转换成气体污物。

另一方面，氯化作用利用强氧化剂如氯气来除去废水中的污染物并因此称为“破坏性方法”。然而，由于有毒的、致癌的三卤甲烷(THM)和其他副产物的形成，氯化作用可能对人和环境是有危害的。

其他破坏性方法包括高级氧化法(AOP)，其通常涉及用紫外(UV)光和/或化学氧化对废水处理。AOP可以将废水中的靶有机污染物完全氧化成相对无害的最终产物，如二氧化碳、水和无机盐。因为AOP不会留下任何需要额外处理的残余污染物，所以这些方法很适于有机污染物的破坏。在氧化过程中，AOP使用如O₃、H₂O₂、TiO₂和ZnO的化合物来产生羟基自由基(HO·)。HO·自由基的快速、非选择的反应性使得它们用作有机污染物氧化降解的引发剂。然而，AOP的效率取决于包括以下的因素：污染物的结构(而这又决定了破坏机制和中间物形成)、废水的pH、光反应器的设计及如HCO₃^-的HO·清除剂的存在。此外，AOP需要长的停留时间以破坏某些有机污染物。

对于使用O₃和/或H₂O₂的AOP，O₃和/或H₂O₂的UV光解产生HO·自由基。然而，此类AOP不能利用太阳能作为UV光源，因为在太阳光谱中无法获得O₃和/或H₂O₂的光催化所需的UV能量。此外，在H₂O₂的光催化呈现相对高效地矿化有机污染物时，其也呈现缓慢的反应动力学。另一方面，在O₃的光催化呈现较低效地矿化有机污染物时，其呈现相对更快的反应动力学。此外，为了有效氧化有机污染物，必须以足以引起有效生产和质量转移的进给速率使O₃鼓泡通过废水。因此，此类系统需要大量的能量。

对于使用TiO₂或ZnO作为光催化剂的AOP，TiO₂或ZnO半导体的光催化氧化吸收了UV光并产生HO·自由基，其主要来自吸附的水或OH^-离子。然而，整个氧化主要受限于半导体表面上阴极位置处的O₂还原。影响降解效率的其他因素是半导体表面积、半导体的催化性能和电子/空穴复合。

存在一种已知的方法，其将TiO₂纳米颗粒捕获或固定在同轴网中，并将该网同轴地包裹到光催化反应器的发光源处。然而，可能无法得到所需的结晶锐钛矿形式的TiO₂，因为几层网覆盖了发射源，因此使网的很有限的部分被辐照。此外，因为废水流可绕过该网，所以废水与该网也缺乏紧密的、受控的且均匀的接触。因此，这种技术仅可预期低产量的电子/空穴对。

已经提出很多使用ZnO作为光催化剂的方法，包括在废水中悬浮ZnO纳米颗粒。然而，对于在浆液光催化反应器中的ZnO纳米颗粒悬浮体，甚至是低至中浓度的ZnO纳米颗粒，也难以控制UV光对ZnO纳米颗粒悬浮体的均匀辐照。此外，可能难以从经处理的水中回收ZnO纳米颗粒，因此ZnO浆液悬浮体可能会对水造成二次污染。

还开发了很多合成ZnO纳米颗粒的方法，包括湿化学方法，如气-液-固法、溶胶-凝胶法、均匀沉淀、微乳化、热液方法和溶剂蒸发；以及干化学方法，如气相生长、软化学法和电泳沉积。尽管干化学方法需要更低的合成温度、更短的准备时间并且因为易于控制而是简单、无溶剂的方法，但是产生的颗粒可能易于聚集，因此需要处理聚集颗粒的二次过程。此外，干化学方法需要精确的化学计量。另一方面，尽管湿化学方法能够精确控制颗粒的组成，但是此类方法可能冗长且可能需要高温高压。

因此，亟需提供克服或至少改进一种或多种上述缺点的光催化剂。

此外，亟需提供克服或至少改进一种或多种上述缺点的光催化水处理系统。

发明概述