光催化技术

近年来 ， 随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高 ， 大量有毒难降解污染物如药品 、 农药 、 染料 、 表面活性剂 、 重金属以及亚硝酸盐等进入环境尤其是江 、 河 、 湖 、 海 ， 导致水质下降和化学性水污染事件的发生 。 此外 ， 我国还是一个能源消耗大国 ， 据测算 ， 到 ２０２０ 年我国对进口石油的依存度将超过 ６０ ％ 。可以说 ， 在未来很长时间内 ， 能源安全和环境污染将严重制约我国实现可持续发展 、 提高人民生活水平和保障安全 。

光催化技术是一种真正环境友好的绿色技术 。 它既可在能源领域应用 ——— 将低密度的太阳能转化为可储存的 、 高密度的洁净能源氢能 ； 也可在环境领域应用 ——— 利用光能降解和矿化环境中的有机和无机污染物 。 因此 ， 可以说光催化技术是一种在能源和环境领域有着重要应用前景的绿色技术 。 光催化治理污染物的基本原理是光催化剂如 TiO２ 在大于或等于其带隙能的光激发下 ， 产生光生电子和空穴 ， 光生电子和空穴与吸附的 O２ 、 H２ O 、 催化剂表面羟基等反应产生活性氧物种 ， 如羟基自由基 、 超氧自由基等 。 这些氧化性很强的活性物种可与大多数有机分子发生非选择性的氧化还原反应 ， 使之彻底矿化生成 CO２ 、 H２ O 以及矿物酸或盐等 。 与传统的污染物治理方法相比 ， 光催化技术具有 （１） 除净度高 ，无二次污染 ； （２） 不需要在反应体系中引入额外的化学物种如 H２ O２ 和 O３ 等以及 （３） 可利用廉价的太阳能作为替代光源驱动有机污染物光催化降解等优点 。有鉴于光催化技术在环境污染治理方面的巨大潜力 ， 世界上发达 ， 如美国 、日本 、 英国 、 德国 、 韩国等相继投入大量的人力和物力进行有关光催化新技术 、新方法 、 新工艺的探讨与研究 ， 如日本有由大学 、 研究院所和企业联合组成的研究队伍 ， 成立了数个专门的研究中心进行与光催化有关的基础研究和应用开发 ；美国环境保护局 （EPA） 也已将光催化列为最有应用前景的环境技术 ； 欧洲共同体也组织了由 ８ 个有关科学家联合参加的特大研究项目 ， 进行光催化水净化处理的大型试验与技术开发 。 与国际上的发展趋势同步 ， 我国在最近几年也相继启动多个大型的研究项目开展光催化领域包括光催化污染治理和光催化制氢方面的研究工作 。 通过相关领域研究人员的共同努力 ， 我国已在光催化反应机理 、新一代光催化材料的探索 、 光催化剂的结构设计与性能剪裁方面开展了很多原创性的研究工作并取得了一些国际瞩目的研究成果 。 总的来说 ， 我国光催化领域的研究工作更多地集中在基础和应用基础研究方面 ， 在光催化技术的工程应用 ， 尤其是LED光催化反应器/LED光化学反应仪工程方面的基础研究和中试工作开展得很少 。 这一环节的缺失 ， 将成为制约我国光催化技术从实验室走向工程应用的短板 ， 限制着我国未来在光催化领域的国际竞争力 。

近年来 ， 有关光催化在能源和环境方面应用和进展的报道 、 综述以及专著详尽描述和总结了光催化反应的基本原理 、 化学本质 、 污染物尤其是有机污染物的光催化降解机理 、 光催化剂尤其是可见活性催化剂的研究进展以及光催化技术在不同领域的应用等 。 枟化学工程进展枠 （A dvances in Chemical Engineering） 系列中的第 ３６ 卷 （２００９ 年出版） 是介绍 “光催化技术” （Photocatalytic Technolo唱gy） 尤其是光催化化学工程进展的专辑 ， 特别邀请化学反应器工程领域的专家加拿大西安大略大学 、 化工和生物化工系化学反应器工程中心主任 H ugo I ． DeLasa 授和墨西哥的 Benito Ser rano Rosales 担任编辑 ， 邀请世界范围内光催化尤其是光催化化学工程领域的知名专家结合自身的研究实践系统地阐述了光催化技术在环境和能源领域应用的工作原理 、 应用对象和研究进展 ， 特别总结和讨论了面向不同应用的光催化反应器的的研究进展 。 全书内容丰富 、 数据详实 、 综述全面 ， 反映了光催化反应工程领域的最新研究成果和未来的发展方向 。 该书由两大部分组成 ， 部分主要围绕光催化剂的光诱导催化剂表面特性研究 、 光催化治理水中的无机污染物 、 有机污染物和制氢的基本原理和最新研究成果展开 。 第二部分则以光催化技术的工程应用为背景 ， 围绕光催化反应工程重点描述光催化反应器的结构设计 、 数学模拟 、 面临的挑战和未来的发展趋势等 。

目前 ， 重金属污染已经成为最严重的环境杀手之一 。 我国光催化研究较少涉及的重金属污染治理作为对象 ， 重点讨论使用多相光催化方法处理水中重金属离子的原理 、 途径和范围 ， 并且以危害最严重的重金属离子如 H g 、 Cr 、Pb 、 U 和 A s 及其衍生物为例 ， 综述了近年来在光催化治理水中重金属污染的研究进展及环境气氛如氧气 、 氮气 、 空气以及外加的有机污染物等对光催化治理重金属效果的影响 。 该章的阅读将会拓展我国光催化研究领域科学家的思维空间 ，为水中低浓度重金属污染物的环境治理提供新的思路和方法 。苯酚是一种典型的高毒性 、 难溶解 、 难以生物降解的芳香族有机污染物 。 第３ 章以苯酚的光催化氧化作为研究对象 ， 重点探讨金属阳离子特别是铁离子存在对紫外光激发 TiO２ 光催化矿化苯酚及其中间产物的影响 、 苯酚光催化矿化的动力学模型及光催化氧化机理 。第 ４ 章从光解水的途径 、 反应器结构 、 能量需求和太阳光转化效率等几个方面总结了该领域的一些基本概念和研究进展 。 重点讨论了可见光驱动光催化分解水制氢 ， 包括实现水分解的光催化剂的能带结构 ； 可见光驱动光催化剂的研究进展和光催化剂未来的发展趋势等 。

直到现在 ， 多相光催化技术治理水中的有机污染物仍未实现中试 ， 这可能与水处理系统中大型光催化反应器设计的难题有关 。 第 ５ 章通过光反应器与传统反应器的比较 ， 重点讨论了紫外光激发水处理系统中的中试规模光反应器设计的难点和注意事项 ， 并且以 TiO２ 悬浮液光催化降解苯甲酸为例 ， 说明如何通过宏观动力学参数如催化剂用量 、 污染物起始浓度 、 光强 、 流动速度 、 pH 值 、 氧气分压和温度等对反应速率常数影响的研究来确定影响光催化反应速率的动力学控制区域和传质控制区域 。 这些参数的获得对大型LED光化学反应仪的结构设计 、 数学模拟 、光催化剂的性能评价和光催化反应机理的研究具有重要的指导作用 。 本章的第三部分内容是有关于大型光反应器结构设计面临的挑战和发展趋势 ， 并且综合评述了多种新型光反应器的优缺点 。

太阳光驱动水处理系统中光反应器的设计和数学模拟 。 首先通过不同结构LED光化学反应仪光利用效率的比较说明对太阳光驱动型多相光催化反应系统而言 ， 非聚焦型光反应器是能量更优化的反应器类型之一 。 光吸收能力是评价光反应器效率的关键参数之一 。 然后提出了LED光化学反应仪内光能传递的基本概念 、常用数学模型和研究方法 ， 特别讨论了一种简单的扩散近似模型 ， 并在此基础上比较了不同结构反应器中的光能传递情况 。

器壁型光催化反应器 、 均相光化学反应器和多相光催化反应器从实验室到中试规模的放大方法 。 整个光反应器的放大包括反应器反应机理 、 动力学模型 、 实验室反应器的结构和数学模拟 、 中试规模反应器的包括相关的反应模型 、 辐射模型和模型的可靠性验证等内容 。 读者通过阅读该章 ， 可以获得包括光催化反应工程领域的丰富知识 ， 并且对实际的大型光催化反应器的结构设计提供具体的指导作用 。以色列理工学院的 Yaron Paz 教授在第 ８ 章全面综述了光催化技术在空气净化方面的应用 ， 内容包括光催化净化空气的反应动力学 、 传质过程和光源类型等对光催化反应速率常数的影响 ； 空气中典型污染物的光催化降解机理 、 参数对污染物降解性能的影响以及催化剂的再生等问题 。 重点总结了多种用于室内空气净化的空气净化器的结构和优缺点以及光催化净化空气领域存在的主要问题和未来的发展趋势 。 通过该章的阅读 ， 读者可以获得包括针对不同类型的污染物 ， 影响空气净化器效率的根本原因 、 光反应过程中光催化剂的失活机理和光反应器结构设计方面的丰富信息 ， 对未来高性能光净化器的设计和研究具有重要的指导作用 。

由于光催化技术在环境和能源领域的巨大应用前景 ， 使用光催化技术处理水和空气中的污染物及光催化制氢已经愈来愈引起研究者和产业界的广泛兴趣 。 但该领域的研究要从实验室走向产业化 ， 还必须解决包括中试反应装置的运行 、 大型光反应器的设计等众多瓶颈问题 。 读者通过本书的阅读可以获得光催化化学工程领域的最新进展 、 光催化反应器放大方面的方法论和丰富知识 ， 为未来大型光催化反应器的设计提供理论和实验指导 。

总之 ， 该书的出版和引进将会给我国的光催化治理环境污染提供新的思路 ，并且对光催化领域的研究尤其是工程应用研究起到促进和指导作用 。 该书不仅适合于光催化 、 材料和工程领域的科学和技术研究人员阅读 ， 使其获得有关催化剂结构设计方面的有用信息 ； 同时也可供化学 、 物理和工程领域的研究生及相关科研人员阅读参考 。