TiO2光催化氧化技术在农药降解中的研究与发展

时间：2021-02-08 04:01:49　来源：雅意学习网本文已影响人

　　摘要：简述TiO2光催化反应的原理，总结TiO2光催化氧化技术在有机氯农药、有机磷农药、氨基甲酸酯类农药以及拟除虫菊酯类农药降解中的研究进展，并提出具有高效传质与传热效应的TiO2光催化反应器的开发以及系列结构相同或相近的农药的降解规律与TiO2光催化反应动力学共性探索，是TiO2光催化氧化技术在农药污染治理领域未来的主要研究方向。
　　关键词：TiO2；光催化氧化技术；农药
　　中图分类号：X592 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）27-0035-03
　　Abstract： The principle of TiO2 photocatalytic reaction was introduced briefly， and the research progress of TiO2 photocatalytic oxidation technology in degradation of organochlorine pesticides， organophosphorus pesticides， carbamate pesticides and pyrethroid pesticides was summarized. The development of TiO2 photocatalytic reactor with high efficiency of mass transfer and heat transfer， the degradation law of a series of pesticides with the same or similar structure and the commonness of TiO2 photocatalytic reaction kinetics were also proposed. It is the main research direction of TiO2 photocatalytic oxidation technology in the field of pesticide pollution control in the future.
　　Keywords： TiO2； photocatalytic oxidation technology； pesticide
　　农药在防治农作物病虫害、提高亩产量上起到了很大的作用，但农药施用后，很大一部分会附着于作物本体、残留在土壤或漂浮在大气中，通过降雨、农田排水和渗透至浅层地下水，污染生态环境[1]。TiO2在光激发下能直接或间接地将有机物降解为H2O、CO2、PO43-等无毒物质，因此近年来成为降解环境中残留农药的重要途径。尽管TiO2光催化技术具有高效、无毒、节能等优点，但也存在着两个方面的缺点：一是光激发产生的电子和空穴较易复合，导致光量子效率低；二是光谱响应范围窄，只能利用占太阳频谱范围大约4%的紫外光部分[2]。为了克服这两个方面的缺点，很多研究者致力于TiO2的表面修饰以及与其他污染治理技术的协同。本文对近年来TiO2光催化技术在农药污染治理方面的研究与应用进行总结，并对该技术今后的发展提出建议。
　　1 TiO2光催化氧化技术的机理
　　TiO2作为一种半导体材料之所以能作为光催化剂，是由其自身的光电特性所决定的。半导体具有的能带结构通常是由一个充满电子的低能价带（VB）和一个空的高能导带（CB）构成，价带和导带之间的区域称为禁带（Eg）。当用能量等于或大于禁带宽度的光照射半导体时，其价带上的电子（e-）被激发，越过禁带进入导带，同时在价带上产生相应的空穴（h+）。电子由价带至导带的激发过程如图1所示，激发后分离的电子和空穴各有几个进一步的反应（A，B，C，D途径）。光生空穴具有极强的氧化能力，能与吸附在催化剂表面的OH-或H2O发生作用生成活性很高的HO·。光生电子具有很强的还原能力，能與O2作用生成O2·等活性基，参与氧化还原反应。
　　2 TiO2光催化氧化技术在农药降解中的研究与应用
　　2.1有机氯农药的TiO2光催化氧化降解
　　有机氯农药是用于防治植物病、虫害的组成成分中含有氯元素的有机化合物，主要有DDT和六六六，以及杀螨剂三氯杀螨砜、三氯杀螨醇等，杀菌剂五氯硝基苯、道丰宁等，毒性高，危害大，且性质稳定难于分解。潘淑颖等[3]将铜、锌、铁、锰、钼及硼与纳米TiO2结合，配合一定的水浇条件，进行土壤渗出液中DDT的光催化氧化降解对比实验，结果表明：土壤中的DDT可以通过物理的通风去污法结合水淋溶法得到土壤渗出液，然后通过TiO2与过渡金属及金属无机盐协同作用实现光催化降解；光照时间对DDT降解率有明显影响，但不呈线性关系；过渡金属元素掺杂对TiO2的催化作用有明显的增强效果，并且有一个最佳使用量，超过这个量，催化效果反而减弱。陈菊香等[4]采用UV（紫外）/TiO2、US（超声）-UV两种工艺分别降解饮用水中低浓度有机氯农药六六六（α-BHC），研究不同TiO2浓度下，紫外光催化降解α-BHC的效果，同时比较TiO2粒径对α-BHC降解效果的影响，结果表明：UV/TiO2对自来水中α-BHC的去除效果十分明显，TiO2投加量在50～400mg/L时，降解率不断提高；TiO2粒径越小，α-BHC去除率越高；先UV降解90min、再超声30min，α-BHC的降解率与UV降解120min基本相同；先超声30min再UV降解90min比先UV降解90min再超声30min的降解率高。朱荣淑等[5]采用浸渍法制备不同稀土元素负载的光催化剂M/TiO2（M=Ce，Gd，Er，Y），并研究其在紫外光下催化降解林丹的活性，结果表明：经Ce、Gd或Er负载改性的TiO2在适量载量（质量分数≤1.0%）时都提高催化活性，而Y的负载则抑制了TiO2的活性；在Ce载量（质量分数）为0.03%、煅烧温度为500℃、煅烧氛围为空气、反应溶液pH为5、催化剂浓度100mg/L、林丹浓度2mg/L时，催化效果最好，80min林丹降解率达到95%，比P25提高46%。龚丽芬等[6]以罗丹明B、罗丹明6G、次甲基蓝和溴甲酚绿为光敏剂修饰掺杂Ce的纳米TiO2，在日光灯照射下催化降解六六六、滴滴涕、滴滴涕伊等有机氯农药，利用XRD和UV-Vis-DRS进行表征，结果表明：掺Ce并用光敏剂修饰后的纳米TiO2禁带能隙降低，吸收带边红移，可实现对可见光的吸收响应；Ce的掺杂会影响催化剂的晶型并使晶粒细化，光敏剂修饰对催化剂的晶型无影响但可使颗粒细化，比表面积增大；经罗丹明B或溴甲酚绿修饰后，催化剂的活性明显提高，45min后有机氯农药降解率达95%。

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