¿Cuáles son los principales tipos de fotocatalizadores utilizados actualmente en el campo del tratamiento ambiental de aguas?
¿Cuáles son los principales tipos de fotocatalizadores utilizados actualmente en el campo del tratamiento ambiental del agua? Los métodos para el tratamiento avanzado incluyen los siguientes.
1.1 Método de adsorción de carbón activado y método de intercambio iónico
El carbón activado es un material poroso, fácil de controlar automáticamente y tiene una gran adaptabilidad a los cambios en el volumen y la calidad del agua. Por lo tanto, la adsorción con carbón activado es una tecnología avanzada de tratamiento de aguas residuales con amplias perspectivas de aplicación. El carbón activado tiene un efecto de eliminación muy obvio sobre la materia orgánica con un peso molecular de 500 ~ 3000, y la tasa de eliminación es generalmente de 70 ~ 86,7. Su característica más importante es que el proceso de separación no va acompañado de un cambio de fase y se puede obtener un alto efecto de separación utilizando solo una cierta presión como fuerza impulsora. Es una tecnología de separación que ahorra mucha energía.
La microfiltración puede eliminar bacterias, virus y parásitos, y también puede reducir el contenido de fosfato en el agua. La Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de la Zona de Desarrollo de Tianjin utiliza membranas de microfiltración para tratar profundamente el efluente secundario de SBR, lo que satisface las necesidades de agua miscelánea municipal y agua miscelánea doméstica, como reverdecimiento de paisajes, descarga de aceras, descarga de inodoros, etc. En la actualidad, un dispositivo experimental industrial CWAO de flujo continuo construido en la ciudad de Kunming ha demostrado una buena eficiencia económica [18].
Los catalizadores para oxidación catalítica húmeda se dividen generalmente en tres categorías: sales metálicas, óxidos y óxidos compuestos. Actualmente, considerando la economía, los catalizadores más utilizados son los óxidos de metales de transición, como Cu, Fe, Ni, Co, Mn y sus sales. El uso de catalizadores sólidos también puede evitar la pérdida de catalizadores, la contaminación secundaria y el desperdicio de fondos.
1.3.3 Método de oxidación con agua supercrítica
El método de oxidación con agua supercrítica aumenta la temperatura y la presión del agua por encima del punto crítico. El agua en este estado se denomina agua supercrítica. En este estado, la densidad del agua, la constante dieléctrica, la viscosidad, el coeficiente de difusión, la conductividad y la eficiencia química del disolvente difieren de las del agua ordinaria. Una temperatura de reacción más alta (400 ~ 600 ℃) y presión también hacen que la reacción sea más rápida y pueden lograr una alta eficiencia de destrucción de la materia orgánica en unos pocos segundos.
La primera aplicación a gran escala de oxidación con agua supercrítica para tratar lodos en Harrington, Texas, EE. UU., con una capacidad de tratamiento diaria de 9,8 t. La implementación del sistema ha demostrado que su tasa de eliminación de DQO supera el 99,9, y Todos los componentes orgánicos del lodo se convierten en sustancias inofensivas como CO2 y H2O, y el coste de implementación es bajo [19].
1.3.4 Método de oxidación catalítica fotoquímica
En la actualidad, el método de oxidación catalítica fotoquímica que ha sido ampliamente estudiado se divide principalmente en método del reactivo de Fenton, método del reactivo similar a Fenton y método de TiO2-. Método de oxidación basado en
El método del reactivo de Fenton fue descubierto por Fenton en el siglo XX y ahora se está volviendo a destacar como un método de investigación significativo en el campo del tratamiento de aguas residuales. El reactivo de Fenton se basa en sales de H2O2 y Fe2 para generar OH. Este reactivo es un sistema de oxidación muy atractivo para el tratamiento de aguas residuales porque el hierro es un elemento muy abundante y no tóxico y el H2O2 también es fácil de manipular y seguro para el medio ambiente [20]. El reactivo de Fenton destruye compuestos tóxicos en las aguas residuales, como el fenol y los herbicidas. En la actualidad, existen muchos estudios nacionales sobre el uso del reactivo de Fenton para tratar las aguas residuales de impresión y teñido. Los resultados demuestran que el reactivo de Fenton tiene un muy buen efecto de decoloración en las aguas residuales de impresión y teñido. Además, estudios nacionales y extranjeros también han demostrado que el reactivo de Fenton puede tratar eficazmente aguas residuales que contienen aceite, alcohol, benceno, nitrobenceno, fenol y otras sustancias.
El método del reactivo Fenton tiene las ventajas de un equipo simple, condiciones de reacción suaves y fácil operación. Tiene un gran potencial de aplicación en el tratamiento de aguas residuales orgánicas tóxicas y nocivas que son difíciles de biodegradar. El principal problema en la aplicación práctica de este método es que el coste del tratamiento es elevado y sólo es adecuado para el tratamiento de bajas concentraciones y pequeñas cantidades de aguas residuales.
Si se usa como pretratamiento o método de tratamiento avanzado para aguas residuales orgánicas refractarias y luego se usa junto con otros métodos de tratamiento (como métodos biológicos, métodos de coagulación, etc.), puede reducir mejor los costos de tratamiento de aguas residuales, mejorar la eficiencia del tratamiento. y ampliar el ámbito de aplicación de la tecnología.
La fotocatálisis es el uso de luz para irradiar ciertos fotocatalizadores semiconductores con estructuras de bandas de energía, como TiO2, ZnO, CdS, WO3, etc., para inducir fuertes radicales libres oxidantes - OH, que permiten muchas reacciones químicas. que son difíciles de lograr en condiciones normales. El TiO2 formado en forma de anatasa tiene las características de alta estabilidad, alta eficiencia y bajo costo. Las últimas investigaciones en el mundo apuntan a obtener TiO2 modificado (dopado con otros componentes), que tiene líneas de absorción más amplias y mayor rendimiento cuántico.
1.3.5 Oxidación electroquímica
La oxidación electroquímica, también conocida como combustión electroquímica, es una rama de la electroquímica ambiental. El principio básico es que la acción electrocatalítica de los radicales libres generados en la superficie del electrodo o en el campo eléctrico oxida la materia orgánica. Además de la oxidación completa de la materia orgánica en CO2 y H2O, la oxidación electroquímica también se puede utilizar como proceso de pretratamiento para tratamientos biológicos, convirtiendo electroquímicamente sustancias no biocompatibles en sustancias biocompatibles. Este método tiene las ventajas de una alta utilización de energía y puede realizarse a bajas temperaturas; el dispositivo es relativamente simple, el costo operativo es bajo, es fácil de controlar automáticamente y no hay contaminación secundaria;
1.3.6 Método de degradación por radiación ultrasónica
El método de degradación por radiación ultrasónica produce principalmente burbujas de cavitación en el líquido bajo radiación ultrasónica. Puede absorber la energía de las ondas sonoras y destruirla en muy poco tiempo. Colapso, liberando energía en un espacio circundante muy pequeño, generando altas temperaturas de 1 900 a 5 200 K y altas presiones de más de 50 MPa. Las moléculas de agua que ingresan a la burbuja de cavitación pueden descomponerse para producir ˋOH con alta actividad oxidativa, lo que induce la degradación de la materia orgánica. Además, las moléculas de agua pueden formar agua supercrítica en la superficie de la burbuja de cavitación, lo que es beneficioso para aumentar la velocidad de las reacciones químicas; .
El ultrasonido tiene un efecto significativo en la deshalogenación y oxidación de compuestos halogenados. Los productos finales de degradación de compuestos orgánicos que contienen cloro como fenol clorado, clorobenceno, CH2Cl2, CHCl3, CCl4 son HCl, H2O, CO, CO2. , etc. La degradación ultrasónica también es eficaz para desnitrar compuestos nitro. La adición de nuevos oxidantes como O3, H2O2 y el reactivo de Fenton mejorará aún más el efecto de degradación sónica. La combinación de ultrasonidos con otros métodos de oxidación es un tema de investigación actual, como los métodos US/O3, US/H2O2, US/Fenton y US/fotoquímicos. En la actualidad, la investigación sobre la degradación de los contaminantes del agua mediante radiación ultrasónica se encuentra todavía en la etapa de exploración experimental.
1.3.7 Método de radiación
El método de radiación es un método de purificación por radiación de aguas residuales desarrollado mediante la utilización de los efectos destructivos de los rayos de alta energía (rayos γ, χ) y haces de electrones sobre los compuestos. . En general, se cree que el mecanismo de reacción de la tecnología de radiación para tratar aguas residuales orgánicas es que el agua produce partículas altamente activas como OH, H2O2 y HO2 bajo la acción de radiación de alta energía. Estas partículas altamente activas luego inducen reacciones para degradar sustancias nocivas. .
El método de radiación es altamente eficiente en el tratamiento de materia orgánica y es fácil de operar. Los principales problemas con esta tecnología son que los dispositivos utilizados para generar partículas de alta energía son costosos y tienen altos requisitos técnicos, y el método consume mucha energía y tiene una baja tasa de utilización de energía, además, se necesitan medidas de protección especiales para evitarlo; daño por radiación al cuerpo humano. Para obtener más información, visite el sitio web de EWP. Por lo tanto, será necesario realizar investigaciones y trabajos exploratorios sustanciales antes de que este enfoque pueda ponerse en práctica.
1.4 Método del ozono
El ozono tiene fuertes propiedades oxidantes y muchas sustancias orgánicas o grupos funcionales reaccionan para mejorar eficazmente la calidad del agua. El ozono puede oxidar y descomponer el color y el olor anormales causados por diversas impurezas en el agua, y su efecto de decoloración es mejor que el del carbón activado. También puede reducir la turbidez del agua, tener un buen efecto de floculación, aumentar la tasa de filtración o extenderla. el ciclo de filtración. En la actualidad, debido a que la tecnología y los procesos nacionales de generación de ozono están relativamente atrasados, los costos de implementación son altos y la promoción es difícil. ¿Cuáles son las deficiencias de los fotocatalizadores en el tratamiento de aguas residuales?
En términos sencillos, catalizador significa catalizador y fotocatalizador, como su nombre indica, es un fotocatalizador.
Un catalizador es una sustancia química que acelera una reacción química pero no participa en la reacción en sí. Un fotocatalizador es una sustancia química que cataliza reacciones químicas cuando es excitada por fotones. Tipos de fotocatalizadores
1 tipo de fotocatalizador:
Dióxido de titanio (TiO2) óxido de zinc (ZnO); dióxido de circonio (ZrO2); ) y otros semiconductores de óxido de sulfuro, entre los cuales el dióxido de titanio (dióxido de titanio) se ha convertido en el catalizador más popular del mundo debido a su fuerte capacidad de oxidación, propiedades químicas estables y no toxicidad. Entre ellos, el dióxido de titanio (dióxido de titanio) se ha convertido en el material nanofotocatalizador más popular del mundo debido a su fuerte capacidad de oxidación, propiedades químicas estables y no toxicidad.
2 Desarrollo de fotocatalizadores: En los primeros tiempos, el sulfuro de cadmio (CdS) y el óxido de zinc (ZnO) se utilizaban como materiales fotocatalíticos, sin embargo, debido a sus propiedades químicas inestables, se fotolizaban y disolvían. Al mismo tiempo, los iones metálicos nocivos con cierta toxicidad biológica rara vez se utilizan como materiales fotocatalíticos civiles en los países desarrollados, y algunos todavía se utilizan en el campo de la fotocatálisis industrial. Por lo tanto, los países desarrollados rara vez lo utilizan como material fotocatalítico civil, mientras que algunos fotocatalizadores industriales todavía se utilizan.
3. Fotocatalizador dióxido de titanio: Es un semiconductor con tres estructuras cristalinas: anatasa, rutilo y brookita, de las cuales sólo la estructura anatasa y la estructura rutilo tienen propiedades fotocatalíticas. ¿Cuáles son las aplicaciones de los fotocatalizadores en el tratamiento de aguas residuales?
Método de adsorción, método de tratamiento biológico anaeróbico, método de tratamiento biológico combinado, etc.
Método químico: agregar agente de degradación de nitrógeno amoniaco. ¿Qué son los fotocatalizadores?
Catalizador en el sentido popular significa catalizador, y fotocatalizador es, como su nombre lo indica, es un fotocatalizador. Un catalizador es una sustancia química que acelera una reacción química pero no participa en la reacción en sí. El fotocatalizador es una sustancia química que puede desempeñar un papel catalítico cuando se excita con fotones.
La tecnología fotocatalítica es una nanotecnología básica nacida en la década de 1970. En China continental, a menudo nos referimos a los fotocatalizadores como fotocatalizadores. Nuestra clorofila común es un fotocatalizador natural típico. Promueve la síntesis de oxígeno y carbohidratos a partir del dióxido de carbono y el agua en el aire durante la fotosíntesis de las plantas. En resumen, la tecnología de nanofotocatalizadores es una tecnología nanobiomimética que se puede utilizar en muchos campos de vanguardia, como la purificación ambiental, materiales autolimpiantes, nueva energía avanzada, medicamentos contra tumores y agentes antibacterianos eficientes.
Existen muchos materiales que pueden usarse como fotocatalizadores en el mundo, entre ellos el dióxido de titanio (TiO2), el óxido de zinc (ZnO), el óxido de estaño (SnO2), el dióxido de circonio (ZrO2), el sulfuro de cadmio (CdS). ) y otros semiconductores de óxido de material sulfuro, entre los cuales el dióxido de titanio (dióxido de titanio) se ha convertido en la tecnología de nanofotocatalizador más popular en el mundo debido a su fuerte capacidad de oxidación, propiedades químicas estables y no toxicidad. Los materiales nanofotocatalizadores más populares. En los primeros días, el sulfuro de cadmio (CdS) y el óxido de zinc (ZnO) se usaban como materiales fotocatalíticos. Sin embargo, debido a sus propiedades químicas inestables, se producirá fotólisis durante la fotocatálisis y los iones metálicos dañinos disueltos tienen cierta toxicidad biológica. Rara vez se utiliza como material fotocatalítico civil en los países desarrollados y todavía se utiliza en algunos campos fotocatalíticos industriales.
El dióxido de titanio es un semiconductor con tres estructuras cristalinas: anatasa, rutilo y limonita. Sólo la anatasa y el rutilo tienen propiedades fotocatalíticas.
El dióxido de titanio es un semiconductor de óxido y una materia prima química básica con una gran producción en el mundo. El dióxido de titanio ordinario generalmente se denomina semiconductor a granel para distinguirlo del dióxido de titanio nanométrico. El dióxido de titanio con estructura rutilo o similar al rutilo puede hacer que los electrones en los orbitales moleculares abandonen la banda de valencia y salten a la banda de conducción cuando son excitados por fotones de cierta energía [consulte el principio de reacción del fotocatalizador para conocer los principios de excitación de fotones].
Como resultado, se forman agujeros fotogenerados [Hole] en la banda de valencia del material y electrones fotogenerados [e-] en la banda de conducción en el dióxido de titanio en masa, porque las partículas de dióxido de titanio son muy grandes. , los electrones fotogenerados en la banda de conducción comienzan a moverse en la superficie de las partículas. Los agujeros se recombinan fácilmente, por lo que desde una perspectiva macroscópica no podemos observar el efecto de la excitación de los fotones. Sin embargo, debido al pequeño tamaño de las nanopartículas de dióxido de titanio, los electrones pueden difundirse más fácilmente a la superficie del cristal, lo que da como resultado dos microrregiones de polaridad opuesta (electrones fotogenerados y agujeros fotogenerados) que aparecen en dos partes diferentes de la superficie del cristal originalmente sin carga. . Dado que los electrones y los huecos fotogenerados tienen una energía fuerte, que es mucho mayor que la fuerza de las cadenas moleculares de contaminantes orgánicos generales, es fácil descomponer los contaminantes orgánicos en su estado original. Al mismo tiempo, los agujeros fotogenerados también pueden reaccionar con las moléculas de agua en el aire para generar radicales hidroxilo, que también pueden descomponer los contaminantes orgánicos y matar bacterias y virus. Este proceso en el que dos microdominios con propiedades diametralmente opuestas existen en una región para lograr un efecto es una aplicación típica de la nanotecnología y generalmente se denomina dualismo. El microdominio de reacción se denomina interfaz sinérgica binaria.
De la introducción anterior, podemos ver que el proceso de reacción fotocatalítica del dióxido de titanio se basa principalmente en la excitación de fotones en el primer paso, por lo que hay suficientes fotones para excitar el dióxido de titanio y proporcionar suficiente energía. También sepa que la reacción fotocatalítica no ocurre de la nada, también requiere consumo de energía. Según el principio de conservación de energía, consume fotones, es decir, energía luminosa. Si la luz del sol incide sobre el fotocatalizador, utiliza energía solar y la iluminación utiliza energía luminosa. Las Naciones Unidas consideran el desarrollo de fotocatalizadores como una parte importante del plan de utilización de la energía solar del siglo XXI.
¿Qué tipo de fotones pueden excitar el dióxido de titanio? Desde la estructura teórica del dióxido de titanio, la brecha entre la banda de conducción y la banda de valencia del dióxido de titanio [lo llamamos brecha de energía] es de 3,2 eV, mientras que el dióxido de titanio rutilo es de 3,0 eV, por lo que el rutilo requiere fotones superiores a 3,0 eV, y El dióxido de titanio requiere fotones superiores a 3,2 eV. Existe una relación inversa entre la energía del fotón E y la longitud de onda λ (Lambda) E = h C/λ, por lo que se puede saber que la luz con una longitud de onda inferior a 380 nm puede excitar el dióxido de titanio anatasa. Aunque la energía requerida para la excitación de la anatasa es ligeramente mayor, el mismo fotocatalizador de dióxido de titanio de anatasa tiene una capacidad de oxidación más fuerte y, por lo tanto, se usa más ampliamente. Los estudios han demostrado que la anatasa es más estable que el rutilo en tamaños de partículas cercanas a los 7 nm, razón por la cual muchos nanofotocatalizadores utilizan anatasa.
Cuáles son las ventajas del TiO2 como fotocatalizador
Ventajas: 1. Potencial de banda adecuado
2. Elevada estabilidad química
3 No tóxico e inofensivo
4. Alta eficiencia de conversión fotoeléctrica
5. Bajo costo
6. Alta actividad
Desventajas: ¿Cuáles son los principales factores que afectan la eficiencia catalítica del fotocatalizador de óxido de zinc sin absorber luz visible?
En la selección y diseño de catalizadores metálicos, generalmente se cree que debe haber una adaptabilidad energética adecuada y una adaptabilidad energética entre los componentes metálicos y las moléculas reactivas. Adaptabilidad espacial para facilitar la activación de las moléculas reactivas. Luego considere seleccionar el cocatalizador y el portador del catalizador adecuados, así como el proceso de preparación requerido, y controle estrictamente las condiciones de preparación para cumplir con la composición química y la estructura física requeridas, incluido el tamaño y la distribución del grano metálico. El origen del fotocatalizador e introducción al fotocatalizador
El origen del fotocatalizador: el fotocatalizador es una nanotecnología básica nacida en la década de 1970. En China continental, a menudo utilizamos el término fotocatalizador para referirnos al fotocatalizador. Nuestra clorofila común es un fotocatalizador natural típico que promueve la síntesis de oxígeno y carbohidratos a partir de dióxido de carbono y agua en el aire durante la fotosíntesis de las plantas. En términos generales, la tecnología de nanofotocatalizadores es una tecnología nanobiomimética que se utiliza en muchos campos de vanguardia, como la purificación ambiental, materiales autolimpiantes, nueva energía avanzada, medicamentos contra tumores y agentes antibacterianos eficientes.
Suplemento:
Existen muchos materiales que se pueden utilizar como fotocatalizadores en el mundo, incluidos el dióxido de titanio (TiO2), el óxido de zinc (ZnO), el óxido de estaño (SnO2), el circonio. dióxido (ZrO2), sulfuro de cadmio (CdS) y otros óxidos semiconductores de sulfuro, entre los cuales el dióxido de titanio (dióxido de titanio) se ha convertido en el fotocatalizador más importante debido a su fuerte capacidad de oxidación, propiedades químicas estables y no toxicidad. El dióxido de titanio (dióxido de titanio) se ha convertido en el material nanofotocatalizador más popular del mundo debido a su fuerte propiedad oxidante, estabilidad química y no toxicidad.
Objetivamente hablando, no debería haber fotocatalizador; de lo contrario, ¿cómo lidiar con los contaminantes ambientales? Por supuesto, si algunos de los polvos actuales se esparcen en un área pequeña del medio ambiente, habrá cierta contaminación. , pero en esencia no hay contaminación. Solo presta atención a veces.