纳米技术在处理环境中无机污染物的研究.pptVIP

纳米技术在环境保护中的应用 第一部分 纳米技术在处理环境中无机污染物的研究第二部分 纳米技术在处理废水中有机污染物的研究 1. 概述 纳米材料的特殊性能由于纳米材料的特殊结构——物质的颗粒尺寸＜100nm的超微粉末，它的比表面积很大，晶界处的原子数比率高达15%—50%，使之产生四大效应。具有半导体特性的金属氧化物纳米粒子，因原有长程体相的能带量子化，其光物理和光化学性质发生了变化，在光催化降解污染物方法得到了广泛的应用。 2. 纳米粒子的光催化反应及其在处理无机污染物中的应用 半导体的光催化效应发现以来，一直引起人们的重视，原因在于这种效应在环保、水质处理、有机物降解、失效农药降解等方面有重要的应用。所谓半导体的光催化效应是指：在光的照射下，价带电子越迁到导带，价带的孔穴把周围环境中的泾基电子夺过来，短基变成自由基，作为强氧化剂将醋类变化如下：酯－醇－醛－酸－CO2，完成了对有机物的降解。具有这种光催化半导体的能隙既不能太宽，也不能太窄，对太阳光敏感的具有光催化特性的半导体能隙一般为1.9~3.1eV。 2.1 光催化反应的机理 纳米半导体比常规半导体光催化活性高得多，原因在于:由于量子尺寸效应使其导带和价带能级变成分立能级，能隙变宽，导带电位变得更负，而价带电位变得更正。半导体粒子具有能带结构，一般由填满电子的低能价带和空的高能导带构成，价带和导带之间存在禁带。当用能量等于或大于禁带宽度的光照射半导体时，价带上的电子(e-)被激发跃迁至导带，在价带上产生相应的空穴(h+)，并在电场作用下分离并迁移到粒子表面。光生空穴有很强的得电子能力，具有强氧化性，可夺取半导体颗粒表面被吸附物质或溶剂中的电子，使原本不吸收光的物质被活化氧化，电子受体通过接受表面的电子而被还原。 光催化机理可用下式说明： TiO2＋H2O →e-＋h+h+＋H2O →*OH＋H+h+＋OH- →*OHO2＋e- →*O2-，*O2-＋H+ →HO2*2HO2* →O2＋H2O2H2O2＋O2- →*OH＋OH-＋O2 2.2光催化反应的影响因素 2.2.1 催化剂 作为催化反应，光催化反应必然要受到催化剂种类、催化剂表面与体相结构，以及其他一些物化性质和催化剂用量等因素的影响，一般而言，催化剂活性较高，催化剂用量增大，反应体系的效率提高。 一种催化剂是否具有较高的活性，主要取决于其结构、晶型、比表面积、颗粒大小、孔隙度以及其表面羟基浓度，研究表明，TiO2是一种最优良的半导体催化剂，他不但活性高而且稳定性好、锐钛矿型TiO2要比金红石型TiO2的还原效率高，TiO2超细微粉要比普通TiO2的活性高。 2.2.2 酸度的影响 体系的酸度是影响光催化反应的一个重要因素，它不仅影响催化剂本身的活性与稳定性，同时影响着离子及O2在体系中的存在形式及相应的电极电位，从而最终影响光催化反应的效率 2.2.3 有机物电子给体及O2的影响 从光催化氧化还原的机理来看，有机物电子给体的存在对金属离子的还原起促进作用，有机物的直接或间接氧化进一步加速了催化剂表面的电子空穴分离，提高了金属离子对电子的捕获效率。 2.3 光催化反应在处理污染物中的应用 2.3.1 光催化还原金属离子污染物 金属铬是一种常见的工业污染物，常以六价、三价的形式存在。水体中Cr(Ⅵ)浓度是衡量水质污染指数的重要指标，目前随着制革、电镀、印染等工业的发展，含Cr(Ⅵ)的工业废水对环境的污染日趋严重，对Cr(Ⅵ)的处理方法提出了更高的要求。研究表明，在没有其他电子个体存在下，Cr6+从受光激发半导体的导带上得到电子还原为Cr3+，同时得到价带上的空穴发生氧化。 2.3.2 光催化反应处理毒性阴离子 光催化反应处理毒性阴离子，主要是利用光催化剂的光催化活性，将有毒阴离子（如CN-）氧化为无毒的小分子；或者利用光催化剂的光催化还原作用，将毒性阴离子（如Cr2O72-、CrO42-）还原为无毒或者毒性较小的物质，目前的研究主要集中在对CN-、SCN-、Au(CN)4-、I-等的处理。 2.4 光催化反应处理无机污染物虽然有许多优点，但目前存在以下几点不足： （1）目前光催化反应使用的催化剂主要集中在TiO2、SrTiO3等光催化活性较高的催化剂，对于目前光催化活性较低的纳米离子，如ZrO2、Fe2O3、SiO2、Al2O3等，目前的报道还很少。 （2）?光催化反应的条件较复杂，光催化反应需要人工光源并要求被处理体系具有良好的透光性，光量子效率很低，有的光催化反应，反应酸度较高，需要向反应体系通入O2、Ar或N2。有的反应需要有机物（如醇类物质）存在才能进行，在实际应用中受到