光催化在饮用水消毒中的应用

　　光催化在饮用水消毒中的应用阎惠珍1，樊荣涛作者单位： 1.中国预防医学科学院环境卫生监测所（北京100021）　2.中国预防医学科学院环境卫生与卫生工程研究所理剂、防护材料、饮水管材、件等检验、研究工作。

　　光催化灭活顽抗的病原体诸如兰伯氏贾第虫及隐孢子虫，以及维持生存的藻类需进一步查明，且本法缺乏残余消毒能力。

　　各国广泛使用的饮水氯化消毒可能生成三卤甲烷、卤乙酸等消毒副产物，对人体健康具潜在危险。人们研究了二氧化氯、臭氧、紫外线等替代方法。近年来，二氧化钛光催化法消除水中有机污染物的研究引起人们重视，并把它应用到饮水消毒，其优点： （ 1）它使用氧气为氧化剂，不需要购买氧化性化学品催化剂是二氧化钛（一种半导体） ，价廉，性质稳定并无毒。（ 2）二氧化钛可由太阳的天然紫外线组分活化（约可利用太阳能的5，可使许多化合物催化分解） ，不需要消耗电能。（ 3）二氧化钛光催化产生的氧化剂有很强的氧化能力，可使水中大部分微生物灭活和大多数有机污染物包括三卤甲烷矿化。（ 4）特别适合于边远地区（如野营、军队）和农村使用。

　　二氧化钛（一种半导体）催化剂/光催化0意味着光化学和催化剂的结合。光和催化剂是引发与促进光催化氧化反应的必要条件。二氧化钛（锐钛矿晶型）是一种半导体，它的颗粒含有能带结构，通常由充满电子的低能价带和空的高能导带构成，价带与导带之间由带隙（禁带）隔开。当用能量等于或大于此半导体带隙宽度的光（约3. 2 eV）照时，价带的电子受激发，越过带隙进入导带，同时在价带形成相应的空穴（生成/电子_空穴0对）。当TiO颗粒悬浮于水中时，在电场作用下，电子与空穴分离，并迁移到T iO表面的不同部位。光致空穴有很强的得电子能力，可夺取TiO表面的有机物或水的电子，使本来不吸收入射光的物质被活化而氧化电子受体通过接受表面的电子被还原。在水的光催化氧化反应中， TiO表面失电子的主要是水分子，它反应后生成氧化能力极强的羟自由基（ OH）。二氧化钛在水中，经由 400 nm的光（ hT）照射，在导带产生大量电子（ e）同时在价带形成相应的空穴（ h空穴在TiO颗粒表面和吸附的H O，或表面的OH形成羟自由基（ OH O （吸附的）或者h（表面的）导带的大量电子和O分子形成超氧化物离子（ O超氧化物离子进一步岐化形成更多的H O自由基：羟自由基（ OH）是水中存在的反应活性*强的氧化剂，对作用物几乎是无选择性。它可使T iO表面吸附的有机物，尤其是其他方法难以降解的有机物完全矿化，生成H和无机物。吸附在TiO表面的O 2，可抑制/电子空穴0的简单复合又是氧化剂，成为表面羟基的来源之一。

　　光催化过程可使用紫外线光源，如高压汞灯、紫外激光器或太阳光的紫外线组分。

　　2有机物的去除研制一套二氧化钛光催化装置，由金属或陶瓷多孔性支架的内部通过溶胶_凝胶加工方法复盖一个薄层二氧化钛（由一种钛的醇盐在控制下的水解生成）溶胶，它沉淀薄层凝胶于支架的内壁，并在325 e焙烤薄膜，使锐钛矿晶型薄层固定在可透水的膜表面。用波长325 nm的光线激发价带电子形成/电子空穴0对结合的化学激活部位。代表性孔径从2 nm到数微米之间。光催化反应装置可净化污染的地下水水中挥发性有机物，通过此膜可完全矿化为H和H Cl，可去除放射性核素去除或回收贵金属（铂、金等）。可用于半导体或制药厂制取纯水。这套装置已得到美国能源部许可。

　　3灭活细菌光催化剂在紫外线照射下发生氧化_还原反应，灭活细菌、破坏毒素与消除水中的气味。M it sunage （ 1985）用1 g/ L（镀铂）悬浮在水中，光照强度12 000 LE / （ m 120 min后，可使起始浓度为10 cells/ ml的酿酒酵母和大肠杆菌完全灭活。Mitsunage等半导体粉粒固定在乙酸纤维膜反应装置（乙酸纤维溶于丙酮后，涂布在平板上，放置至半干状态使二氧化钛粉粒以4 mg/ cm分散在乙酸纤维膜上，再使它完全干燥） ，每一张膜为60 cm 2，螺旋形插入直径6. 5 m m，长30 cm的玻璃管内。光照结果表4.

　　在流动的水反应器中，用300 400 nm紫外线照射二氧化钛复盖的纤维网状物，观察大肠杆菌和异养菌的灭活效果。

　　具灭菌作用。在水中的光催化条件下， H可形成OH 自由基，促进灭活：用波长 380 nm紫外线照射锐钛矿晶型的悬浮液，可在数分钟内灭活10 cells/ ml大肠杆菌。灭菌遵守一级反应动力学。反应常数与TiO浓度平方根和光照强度[在s）范围]成正比。在光催化过程中，形成自由基的浓度是以上两个变数的函数。他们在美国Texas州的夏季中午太阳条件下模仿实验室的试验，检查现场实际太阳能水处理装置的效果。

　　上述一些研究，显示TiO光催化作为二氧化氯、臭氧和紫外线饮水消毒的代用品是有潜力的。

　　4灭活病毒以波长365 nm的紫外线照射含1 g/ L T iO菌体M S2悬浮液，灭活率从99提高到99. 9.结果见表5.

　　作者观察到OH（羟自由基）的氧化作用与铁催化的Fen ton反应促进是病毒解体的主要作用，因Fe应，增加了OH的浓度。

　　IC （中间络合物）由e还原O生成：O离子增进光催化灭活病毒作用。又因Fe吸附在M S2易损伤的部位（蛋白质壳体与核酸） ， OH直接指向这些部位，促进了MS 2的灭活。

　　如水中存在光催化作用可清除的无机原子团和有机物，可降低其灭活微生物的反应动力学。因此，应控制进水的质量。

　　综上所述，二氧化钛光催化作为饮水氯化消毒的代用方法具可行性。但是，一些复杂的问题有待于研究解决，如本法消毒对顽抗的病原体（兰伯氏贾第虫、隐孢子虫）和持续生存的藻类的杀灭功效需要查明以及光催化过程缺乏残余消毒能力。

　　存活率（　）大肠杆菌浓度二氧化钛粉粒灭活不同浓度大肠杆菌结果大肠杆菌浓度固定的二氧化钛膜灭活不同浓度大肠杆菌结果存活率（　）光催化灭活大肠杆菌及异养菌结果水样未处理的池塘水光催化，暴露6 m in水样光催化，暴露24 m in水样总大肠菌群异养菌（电子受体）后TiO光催化灭菌结果异养菌总大肠菌群未处理的池塘水光催化，暴露6 m in水样光催化，暴露9 m in水样水样光催化，暴露18 m in水样水样5参考文献魏宏斌，李田，严熙世，等。水中有机污染物的光催化氧化1J2.

　　郑红，汤鸿霄，王怡中，等。有机污染物半导体多相光催化氧化机理及动力学研究进展1J2.环境科学进展， 1996， 4（ 3） ， 1_19.

　　（本文编辑：于文霞）无在M S2溶液中加入的化合物加入前紫外线照射加入后光催化过程灭活M S2结果注：化合物溶液加入后55 m in开始紫外线暴露。

(完)