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所谓光化学反应，就是只有在光的作用下才能进行的化学反应。该反应中分子吸收光能被激发到高能态，然后电子激发态分子进行化学反应。光化学反应的活化能来源于光子的能量。在太阳能利用中，光电转换以及光化学转换一直是光化学研究十分活跃的领域。80年代初，开始研究光化学应用于环境保护，其中光化学降解治理污染尤受重视，包括无催化剂和有催化剂的光化学降解。前者多采用臭氧和过氧化氢等作为氧化剂，在紫外光的照射下使污染物氧化分解；后者又称光催化降解，一般可分为均相、多相两种类型。均相光催化降解主要以Fe2＋或Fe3＋及H2O2为介质，通过光助芬顿(photo－Fenton）反应使污染物得到降解，此类反应能直接利用可见光；多相光催化降解就是在污染体系中投加一定量的光敏半导体材料，同时结合一定能量的光辐射，使光敏半导体在光的照射下激发产生电子空穴对，吸附在半导体上的溶解氧、水分子等与电子空穴作用，产生·OH等氧化性极强的自由基，再通过与污染物之间的羟基加合、取代、电子转移等使污染物全部或接近全部矿质化，最终生成CO2、H2O及其它离子如NO3－、PO43－、S042-、Cl－等。与无催化剂的光化学降解相比，光催化降解在环境污染治理中的应用研究更为活跃。
目前有关光催化降解的研究报道中，以应用人工光源的紫外辐射为主，它对分解有机物效果显著，但费用较高，且需要消耗电能。因此，国内外研究者均提出应开发利用自然光源或自然、人工光源相结合的技术，充分利用清洁的可再生能源，使太阳能利用与环境保护相结合，发挥光催化降解在环境污染治理中的优势。
1 光催化降解在环境保护中的应用领域
(1)空气中有害物质(主要为有机物)的光催化去除
近十几年来，大气污染引起人们的极大关注。光催化降解能在室温下利用空气中的水蒸汽和氧去除污染物，与需要在较高温度下进行、操作步骤复杂的其它多相催化氧化法比较，具有显著的优越性。研究发现，在紫外光照射下，以锐态型TiO2为催化剂，空气中的苯系物、卤代烷烃、醛、酮、酸等能有效地降解去除。有的研究者建议将光催化大气净化材料应用于建筑物外墙表层，可实现大气净化与建材功能一体化，具有广阔的应用前景。
(2)废水中有机污染物的光催化降解
对水体有机污染物的光催化降解研究较为深入。根据已有的研究工作，发现卤代脂肪烃、卤代芳烃、有机酸类、硝基芳烃、取代苯胺、多环芳烃、杂环化合物、烃类、酚类、染料、表面活性剂、农药等都能有效地进行光催化反应，最终生成无机小分子物质，消除其对环境的污染以及对人体健康的危害。对于废水中浓度高达每升几千毫克的有机污染物体系，光催化降解均能有效地将污染物降解去除，达到规定的环境标准。
(3)废水中重金属污染物的降解
光催化降解不仅能用于治理有机污染，而且能还原某些高价的重金属离子，使之对环境的毒性变小。如对含Cr6＋废水的试验表明，以浓度为2g／1的WO3／W／Fe2O3的复合光敏半导体为催化剂，用太阳光光照3h，Cr6＋浓度由80mg／l降至0.1mg／1，降解率达99.9％。对于复杂的污染体系，如含有无机重金属离子和有机污染物的污水体系，光催化降解也能将二者同时催化去除。已有的研究发现，在光照条件下，以TiO2为催化剂，Cr6＋和对氯苯酚这两种污染物能分别发生还原、氧化作用，达到光催化净化。
(4)饮用水的深度处理
饮用水水源污染，特别是微量有机物的污染，给自来水行业带来了严重的问题。目前水厂的常规工艺不仅无法去除有机物，而且氯化过程还可能产生对人体健康危害极大的有机氯化合物。迄今为止，国内外饮用水去除有机污染物的技术均不能令人满意，尤其是有机氯化合物很稳定，难为一般的处理方法所去除。而应用光催化降解法，此类难去除的化合物均能在短时间内得以降解。
2 光催化降解治理环境污染的关键技术
在环境污染的光催化降解治理中，催化剂的选择、光催化降解反应器的设计和对降解条件的优化是提高污染物光催化降解效率的关键技术。
(1)光催化降解催化剂的选择
半导体粒子是理想的光催化剂，其中TiO2(锐态型)又是目前公认的最有效的半导体催化剂，它的显著优点是：能有效吸收太阳光谱中的弱紫外辐射部分；氧化还原性较强；在较大pH值范围内的稳定性强；价廉无毒。但由于TiO2的禁带宽度为3.2eV，只能吸收波长小于387nm的紫外辐射，因此其吸收光谱只占太阳光谱中很小的一部分，不能充分利用太阳能，另外，TiO2的光量子效率也有待进一步提高。有鉴于此，国内外已从多种途径进行了TiO2材料的改性研究，包括对TiO2进行煅烧、表面贵金属淀积、金属离子掺杂、半导体的光敏化和复合半导体的研制等。掺杂特定金属离子或光敏化均有可能使催化剂吸收波长延长至可见光范围。若采用禁带宽度较小的半导体与TiO2复合，则可能拓展催化剂吸收光谱范围，如Fe2O3的禁带宽度为2.2eV，其最大吸收波长可达563nm。近年来又发现纳米级TiO2材料的催化效率高于一般半导体材料，中孔分子筛材料由于具有大而规整的孔径，能加快活性物的扩散，引起了研究者们的极大兴趣。
在实际的污染治理中，TiO2催化剂的存在形式主要有两种：悬浮式和固定式。悬浮式是采取搅拌的方式使催化剂与污水充分混合，这样能保持催化剂固有的活性，但又有以下不足：TiO2微小颗粒易流失，细小颗粒与废水的分离缓慢又昂贵，悬浮粒子对光线的吸收阻挡影响了光的辐照深度。固定式是将TiO2等半导体材料喷涂在多孔玻璃、玻璃纤维、玻璃板或钢丝网上，使污水流过经固定化的催化剂，并与之作用，以这种形式存在的TiO2不易流失，但催化剂因固定而降低了活性，且运行时需要提高进入反应器的水压，催化剂还存在易淤塞和难再生的问题。另外，研究催化剂的存在状态，使之最经济、有效，是一项重要的课题。
(2)光催化降解反应器的设计
设计与制造适宜的反应器，是进行一定规模太阳能光催化降解污染物的重要环节。根据各国经验，反应器可分为聚光、不聚光两种类型。
聚光式反应器:
在90年代初，开始用于实际污水处理的反应器主体为抛物槽镜，将能透过紫外光线的玻璃管(如高硼硅玻璃管)置于槽镜的焦线上，使催化剂TiO2粉末与污染水混合通过玻璃管时降解发生光化学反应。聚光式反应器价格昂贵，技术难度大，且污水处理量亦受到限制。
非聚光式反应器:
目前研究应用的非聚光式反应器主要有以下几种形式：箱式、管式、平板式、凹陷膜式和浅太阳池式等。其中，浅太阳池式尤其适合于在需要进行工业废水处理的场所建造。如果工业企业已经有用于微生物废水处理的池式设施，那么浅太阳池可以在进行微生物处理前或处理后与之相连接，以便利用阳光通过光催化氧化进行废水净化，有利于光化学技术与生物技术相结合。
(3)污染物光催化降解条件的优化组合
为了优化光催化降解条件，提高污染治理效率，防止降解过程中产生有毒有害污染物带来的二次污染，需要研究有机物的光催化降解机理，确定反应各步骤的反应产物及反应速率常数，考察各种因素对有机物光催化降解速率的影响。
在考察有机物光催化降解速率时，各种环境污染指标如TOC(总有机碳)、COD(化学需氧量)、BOD(生化需氧量)的变化速率和CO2的释放速率被用来表征有机物的降解速率。对不同条件下污染物光催化降解速率的研究发现，合适的催化剂投加量不仅能提高污染物的降解效率，而且能提高治理的经济效益。辐照度越大，光催化降解效率越高，当辐照度小于一个太阳时，有机物的光催化降解速率与辐照度成正相关。适当提高溶解氧浓度能促进有机物的光降解，另外，溶液pH值也是影响光催化降解效率的重要因素。在一定光照条件下，针对一定浓度、一定类型的污染物，催化剂的最适浓度、最易降解的pH值范围也不一样。溶液中存在的无机离子大多对有机物的光催化降解起抑制作用。因此，在污水的光催化降解治理中，应根据污水实际的物理化学状况，优化降解条件。
3 光催化降解在环境污染治理中的应用前景
光催化降解在环境污染治理方面的应用尚处于起步阶段，而且目前还存在诸多需要研究解决的问题，如：提高半导体催化剂的光催化活性以便分充分利用太阳能，制造价廉、实用、能够满足一定规模污水处理的反应装置，科学地优化光催化降解条件等。但光催化降解法具有可在常温常压下进行，可利用太阳能，光敏半导体来源广泛、价格较低、回收利用技术简单，污染治理彻底等优点，它在环境污染治理中有广阔的应用前景。
摘自 中国新能源网
