摘要：光催化技术降解有机污染物是废水处理的研究热点之一。然而，光催化处理废水有机污染物会导致副产品的形成，其毒性可能比母体污染物更大。本文对光催化技术在废水消毒中应用研究进展进行了探讨，讨论了光催化废水消毒应用面临的挑战、光催化剂的再利用、毒性研究等方面的问题。从目前的研究来看，光催化技术在废水消毒中的实际应用还存在不小的距离。
关键词：光催化技术；废水处理；消毒；污染物
1. 光催化技术
通常，光催化被定义为固体材料(光催化剂)对光子的吸收引起的化学反应。然而，关于光催化过程的定义还存在一些争议。值得一提的是，光催化剂在反应过程中和反应后都不发生任何化学变化。在文献中，“光催化剂”一词常与“催化剂”互换使用。但是在热力学上，催化和光催化的概念是不同的。因此，储能反应可以由光催化(ΔG > 0)虽然催化热力学仅限于可能反应(ΔG < 0)。光催化过程的反应速率(绝对或相对)通常被称为光催化活性。光催化过程通常分为五个步骤：
（1）污染物向光催化剂表面转移
（2）污染物吸附在光催化剂表面
（3）被吸附的污染物分子被光催化降解
（4）光催化降解产物解吸
（5）降解产物从材料表面上去除
当光催化材料暴露在比光催化剂的带隙能量相等或更大的光中时，就会产生电子-空穴对。形成的电子-空穴对在导带中分解为电子(e-)，在价带中分解为空穴(h+)。e-和h+分别导致吸附在光催化材料表面的分子发生还原和氧化。然而，电子-空穴的重新结合经常发生，这可能导致光催化材料表面不发生氧化还原反应。反应速率的增加或减少通常分别与电子-空穴复合的增强或抑制有关[1]。
2. 废水处理研究
大量的研究已经在实验室和中试规模进行了废水废水的光催化处理。在许多情况下，废水中污染物的并没有实现完全矿化。在这种情况下，能够检测和量化目标化合物及其副产品的传统化学分析是有限的，因为它既不能评估形成的化合物的可能毒性，也不能评估其潜在的协同效应。因此，当废水被光催化处理时，毒性评估是至关重要的，特别是当污染物的没有完全矿化的目标时。
2.1 颗粒状光催化剂的应用
在大多数废水的光催化消毒的研究中，TiO2几乎具有理想光催化材料的所有特性，是研究最多的光催化材料之一。TiO2以纳米颗粒的形式的研究最多，被作为含水悬浮液应用于污染水中，也称为浆体。ZnO纳米颗粒也被研究用于光催化废水处理，它具有光催化活性较高、生产工艺简单、成本低等优点。然而，TiO2被证明比ZnO更有效地降低纺织废水的毒性。此外，TiO2被报道比氧化锌更有效地消除污水废水的毒性。除了二氧化钛和氧化锌，其他光催化材料也被研究用于废水消毒过程，例如二氧化钛改性水滑石、铁氧化物等。
尽管光催化剂以分散颗粒的形式用于新兴有机污染物废水的消毒，这一过程的实际应用并不可行。因为将纳米颗粒状的光催化剂在完成消毒过程后从水中分离出来以便进一步再利用时，就会出现技术上的挑战。在进行废水消毒过程之后纳米光催化剂会出现团聚过程，光催化剂会出现失活。光催化剂的失活可以是可逆的，也可以是不可逆的。用于废水处理的光催化剂的再生方法包括：碱性处理再生方法、热再生方法、紫外光辐射再生方法、H2O2/UV氧化再生方法、水洗涤再生方法和水回流曝气再生法等。这些方法中，热处理再生方法和H2O2/UV氧化再生法据报道更为有效。
考虑到光催化材料在实际应用中的重要意义，未来还将有更多的研究致力于光催化材料的分离/回收和再利用。除了光催化剂的分离和再利用的技术挑战之外，还应该提到一些纳米颗粒释放到水中可能对水生生物造成的风险，以及含有光催化剂纳米颗粒的污泥的生成[2]。
2.2 薄膜光催化剂的应用
光催化颗粒在处理城市和工业废水的效果已被广泛研究。尽管颗粒状光催化系统的处理效率高、价格低，但在废水处理中并没有得到广泛的实际应用。颗粒状的光催化剂在完成消毒过程后从水中分离技术和光催化剂的再生技术不成熟。因此，以薄膜的形式将光催化剂固定在惰性载体/基板上可以大大简化分离过程，提高光催化过程的适用性。光催化剂的固定化可以避免纳米颗粒可能释放到水中，产生污泥，并通过消除光催化剂回收步骤显著降低处理成本。然而，相对较高的制备成本和普遍报道的固定化光催化剂的低效率是光催化薄膜实际应用的主要障碍。也有报道称固定化光催化剂可以达到与工业废水处理的商业TiO2同等水平的光催化活性。研究表明，将TiO2固定在固定床内，固定床反应器在玻璃床上的效率与浆状光催化系统类似。利用固定化光催化材料处理有机污染物获得了广泛的研究。但目前将光催化剂薄膜应用到实际废水消毒中研究较少。而且光催化膜可能从基质上脱落或用于实际废水处理的固定化光催化剂的可能的光溶解可能对处理后的废水毒性产生显著影响[3]。
2.3 辐照光源的影响
光催化废水处理过程主要是在紫外线辐射下进行的。发光二极管正变得越来越有吸引力，使用太阳能和发光二极管等替代紫外线源的光催化水处理的研究数量正在增加。值得指出的是，光催化材料大多具有较低的光催化活性和量子效率。作为辐射源的LED光催化水处理的中试规模反应堆已经出现在市场上。考虑到LED的快速发展，在不久的将来，LED有望达到工业化应用的水平。考虑到近年来LED技术的快速发展，可以预期将会有更多的研究以LED作为辐射源对实际废水进行光催化解毒净化。
2.4 毒性研究
在大多数研究中报道，经过光催化处理后，废水的毒性普遍降低。但也有一些报道发现光催化处理后的废水仍然具有高毒性。这种现象可以归因于光催化剂可能的光溶解，可能产生比污染物更有毒的副产物或由于水中存在许多单独污染物而出现的协同毒性效应。在混合光催化过程中，还会产生额外的毒性作用，需要加入对水生生物有毒的化学试剂，如H2O2。如果处理后H2O2残留浓度较高，则需要消除H2O2，使处理后的废水安全排放或回用。当光催化技术不能达到废水中污染物的完全矿化时，毒性评估是优化光催化废水处理的一个重要工具。过程中毒性评估的结果可以清楚地指示在哪个时刻产生更多的毒性副产物，以及这些副产物在什么时候被分解。因此，光催化废水处理过程中的毒性评价具有重要的意义，尤其是在规划光催化的实际应用时更应进行[4]。
3. 结论
本文对光催化在废水消毒处理中应用进行研究，讨论了光催化技术的原理、纳米颗粒状光催化剂和薄膜光催化剂的应用进展、辐射光源的影响及毒性研究进展。主要发现了当前光催化技术在废水中的应用基本上还停留在实验室研究阶段，在实际废水中的应用较少，主要是由于存在光催化剂分离和再生的技术问题。在大多数研究中报道，经过光催化处理后，废水的毒性普遍降低，但也有一些报道发现光催化处理后的废水仍然具有高毒性。未来的研究需要关注光催化剂的分离和再生及毒性问题。
参考文献
[1] 罗鸣, 王怡晗. 光催化技术在饮用水处理中的应用[J]. 建材与装饰, 2018, 553(44): 112-113.
[2] Bansal P., Verma A., Talwar S. Detoxification of real pharmaceutical wastewater by integrating photocatalysis and photo-Fenton in fixed-mode[J]. Chemical Engineering Journal, 2018, 349(1): 838-848.
[3] 刘军, 罗刚, 胡和平, 等. H2O2-固载型TiO2光催化对城市污水消毒作用研究[J]. 环境科学与管理, 2012(11): 126-130.
[4] 王洪波, 崔娅琴, 李莹莹,等. 水和废水纳米TiO2光催化消毒国外研究进展[J]. 山东建筑大学学报, 2012(01):111-116.