光催化水和废水处理与净化
由于羟基自由基的非选择性攻击，TiO2光催化可以分解几乎所有的有机污染物和氧化各种无机阴离子。抛光水的质量取决于水和废水的性质以及处理参数，如第3.5节所述。治疗的程度应根据治疗的目的和规定来决定。
表2总结了一些化合物的光催化氧化和降解[7-9,18]。各种阴离子如硝酸盐、硫化物
集团 |
底物 |
无机阴离子 |
No -， (nh+)， h2s, sh-， s2-， so3-， s2o3-， h3po4， CN - |
重金属 |
重铬酸盐、铬(VI)、Pb2 + Mn2 +, Ti + Co2 + Hg2 +, Hg (II), HgCl2, CHaHgCl, Ag)(我),铜(II)、Cd (II),非盟(III), Pt (VI), Pd (II)、镍(II) |
烷烃 |
异丁烯、戊烷、庚烷、环己烷、石蜡、氯甲烷、溴甲烷、氯乙烷 |
脂肪族化合物 |
甲醇、乙醇、丙醇、葡萄糖、酸(甲酸、乙醇、丙酸、草酸、丁酸、苹果酸) |
烯烃 |
环己烯，氯乙烯，氯乙烯 |
芳烃 |
苯、甲苯、二甲苯、萘、氯苯、氯硝基苯、联苯、多氯联苯、酸(苯甲酸、氨基苯甲酸、邻苯二甲酸、水杨酸、羟基苯甲酸、氯苯) |
酚类化合物 |
苯酚、氯苯酚、氟苯酚、对苯二酚、儿茶酚、甲基儿茶酚、甲酚、硝基酚 |
表面活性剂 |
十二烷基硫酸钠，聚乙二醇，十二烷基苯磺酸钠，磷酸三甲基 |
除草剂及除害剂 |
阿特拉津，丙氨苄，苯达松，莫脲，滴滴涕，对硫磷，林丹 |
染料 |
亚甲基蓝罗丹明B甲基橙荧光素刚果红 |
活性污泥 |
各种有机化合物的混合物 |
微生物 |
大肠杆菌，短小芽孢杆菌，噬菌体 |
生物毒素 |
微囊藻毒素- lr (RR, YR, LA) |
资料来源:根据参考文献改编和修改。(7号到9号,18)。
资料来源:根据参考文献改编和修改。(7号到9号,18)。
亚硫酸盐和氰化物很容易被氧化为无害或毒性较低的化合物[19-22]。元素(N, S, P)通常转化为它们的最大氧化态。例如，亚硝酸盐被氧化为硝酸盐，硫化物和亚硫酸盐被转化为硫酸盐。在水资源(特别是工业废水、地下水和矿区地表水)引起了严重的关注。它们的毒性取决于它们的价态。TiO2光催化转化这种物质是可行的有毒金属将其转化为毒性较低或无毒的形式，或将其从水流中去除。金属离子(M)如果存在，则被TiO2导带中产生的电子还原(式19)[23]:
Mn+ + ne”!M0 (19)
处理的可行性取决于金属的标准还原电位。TiO2光催化氧化还原反应易于处理Ag(I)、Cr(VI)、Hg(II)和Pt(II)，而Cd(II)、Cu(II)和Ni(II)则不能有效去除。另一种金属去除方法是在pt负载的TiO2[25]上光沉积金属离子。例如，据报道，Pt-TiO2悬浮液中的Pb2+浓度随着时间的推移而降低，而TiO2的颜色变成棕色，这意味着Pd沉积到Pt-TiO2表面。其他金属离子如Mn2+， Ti+， Hg2+和Co2+也观察到了类似的结果。
在水和废水中发现的大多数常见有机化合物，包括酚类化合物、氯化化学品、表面活性剂、染料和农药，由于羟基自由基的非选择性攻击，无论其分子结构如何，都可以被分解。这些有机化学物质中有许多被美国环境保护署(EPA)列为优先污染物，或在美国饮用水污染物候选名单[26-31]。它们的结构通常影响反应动力学和中间体的形成。许多研究集中在有机化合物的光催化降解性和反应机理、反应副产物的鉴定及其毒性等方面。在许多情况下，反应途径太复杂，无法阐明详细的步骤。
目标化合物的降解速度快。通常，有机化学品中的双键容易受到羟基自由基的攻击。芳香族化合物(如甲苯、苯和苯酚)即使在芳环上存在取代基如Cl、NO2和OCH3时，其去芳构化也很快[13,32,33]。结合在芳香环上的脂肪链很容易断裂，但由于反应中形成的甲酸盐和醋酸盐离子等中间产物相对稳定，因此脂肪链对CO2的矿化非常缓慢[34,35]。到目前为止，几乎所有有机化合物都被观察到完全矿化。由于三嗪类芳香环的高稳定性，s-三嗪类除草剂被报道转化为无毒的三尿酸作为最终产物[36]。对于持久性氯代化合物，如氯酚和氯苯酸，氯离子很容易被去除dechlorinated化合物可用于生物处理系统[13,37]。含氮化合物转化为NH+和NO“[38]”。含硫化学品被矿化成硫酸离子[39]。有机磷农药产生磷酸盐离子[35,40]。
高性能液相色谱法、气相色谱法和质谱法等分析仪器的最新进展使得在有机化合物的光催化降解过程中检测和识别反应中间体成为可能。Jenks和他的同事对TiO2光催化的中间识别和降解途径进行了迄今为止最广泛的研究之一[41,42]。他们以4-氯苯酚(4-CP)为模型化合物，通过实验证明了在光激发过程和反应物种生成后，一系列级联反应(见3.3节)可导致4-CP的完全矿化。最初，4-CP发生分叉，通过取代[41]形成对苯二酚或通过[42]羟基化形成4-氯酚，其比例取决于反应条件。对苯二酚经过进一步的反应，从羟基苯醌，1,2,4-苯三醇，1,2,4,5-苯四醇(痕迹)，并在C1-C2或C3-C4键处氧化裂解苯环，形成无环衍生物。1,2,4-苯三醇环的氧化裂解通过电子转移发生，形成该化合物的自由基阳离子，随后超氧化物捕获自由基阳离子。这一机制导致二西烷的形成，二西烷随后坍缩形成酸醛(C3-C4键断裂)或二酸(C1-C2键断裂)的开环六碳化合物。主要的无环中间体是(E)-或(Z)-4-氧氧基-2-烯二酸、氧丁二酸、丙二酸和乙二酸。其他较小的中间体，在乙酸、甲酸和甲醛形成之前，包括1,2-乙醇和羟基乙酸。而4-氯代酚的降解过程包括羟基化生成5-氯代-1,2,4-苯三醇，取代生成1,2,4-苯三醇，羟基化生成少量的4-氯代吡啶苯酚。 Ring cleavage forms compounds as previously discussed and chlorine-bearing compounds such as (E)-3-chloro-4-oxohex-2-enedioic acid, 3-chloro-4,5-dioxopent-2-enoic acid, and chlorofumaric acid. Many other smaller intermediates in the degradations were identified by Jenks and his coworkers [41,42].
此外，TiO2光催化对微生物有很强的消毒作用。抗生素的广泛使用和水中更耐药微生物菌株的出现导致迫切需要开发替代消毒系统。TiO2光催化工艺在杀灭病原微生物方面具有实用价值。羟基自由基是剧毒的，像其他有机物质一样对微生物起反应。光催化失活细菌如大肠杆菌和细芽孢杆菌以及几种噬菌体已被研究[43-45]。TiO2光催化作用首先促进脂膜中多不饱和磷脂成分的过氧化，导致细胞发生重大紊乱，破坏基本功能，导致微生物[46]死亡。此外，TiO2光催化对饮用水资源中的生物毒素，特别是蓝藻毒素具有较高的分解和解毒效率[47-49]。
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