水处理中光催化技术的应用实践

一、引言

随着工业化和城市化进程的加速，水污染问题日益严峻，传统水处理技术面临成本高、效率低及二次污染等挑战。光催化技术作为一种新型高级氧化技术，因其绿色高效、反应条件温和等优势，在水处理领域展现出广阔的应用前景。该技术通过半导体材料在光照下产生的强氧化性自由基，可实现对有机污染物、重金属及微生物的深度降解与去除。近年来，光催化材料的研发与反应器设计的优化显著提升了其处理效率，例如 Ti0₂ 基复合催化剂、 g-C₃N₄ 等新型材料的开发，以及光催化 - 生物耦合工艺、光催化 - 膜分离联用技术的提出，为解决复杂水污染问题提供了新思路。然而，光催化技术在实际应用中仍面临光源利用率低、催化剂稳定性差及工程化成本高等瓶颈。因此，本文旨在系统梳理光催化技术在水处理中的应用实践，分析其技术优势与现存问题，并展望未来发展方向，以期为该技术的推广与应用提供理论支持与实践参考。

二、光催化技术概述

2.1 光催化技术原理

光催化技术基于半导体材料在光照条件下的氧化还原能力，通过光生电子-空穴对的分离与复合过程实现污染物降解。当能量大于半导体禁带宽度的光子照射时，价带电子跃迁至导带形成光生电子，价带留下空穴，二者分别具备还原性和氧化性。以 Ti0₂ 为例，其光生空穴可与表面OH- 反应生成强氧化性的·OH自由基，该自由基能将有机污染物彻底矿化为 C0₂ 和 H₂0 ；同时，导带电子可与0₂ 反应生成 ∙0₂^- 自由基，进一步参与氧化还原循环。近年来，研究者通过掺杂、异质结构建等手段调控电子传输路径，例如 Fe、Zn 共掺杂 Ti0₂ 可抑制电子 -空穴复合， Zr0₂-Ti0₂ 异质结能加速界面电荷分离。此外，金属有机框架（MOFs）基材料通过配体到金属的电荷转移机制，可产生单线态氧 (¹0₂) ）等非自由基活性物种，拓宽了降解路径。

2.2 光催化技术的特点与优势

该技术具备三大核心优势：其一，绿色高效，无需添加化学药剂，降解产物为无毒小分子，避免二次污染；其二，反应条件温和，可在常温常压下操作，适用于大规模工程化应用；其三，光源适配性强，可利用太阳光或 LED 光源，降低能耗成本。例如，在饮用水处理中，固定化 Ti0₂ 催化膜可去除 9 种优先污染物中的 5 种，21 种有害有机物中 10 种的浓度降至检测限以下，同时细菌总数显著降低。在工业废水处理领域，光催化技术可降解染料废水中的偶氮基团、制药废水中的抗生素残留，甚至实现 U( Ⅵ ) 等重金属的光还原。此外，该技术兼具消毒杀菌功能，紫外光催化可破坏细菌细胞壁和病毒壳体，在抗疫消毒材料中展现出应用潜力。

2.3 影响光催化效率的因素

光催化效率受多重因素制约：光源方面，紫外光虽活性高但占比仅 5%，可见光响应材料（如 g-C₃N₄ 、CdS）的开发显著提升了太阳光利用率；催化剂性质中，纳米级 Ti0₂ 因比表面积大、量子尺寸效应显著，活性远超微米级颗粒，而锐钛矿型 Ti0₂ 的电子迁移率高于金红石型；反应条件中，pH 值通过影响催化剂表面电荷和污染物离子化状态调控降解路径，例如酸性条件促进·OH 生成，碱性条件加速·0₂^- 转化。此外，污染物浓度过高会导致光屏蔽效应，抑制光子吸收，而温度过高则可能引发催化剂热失活。实际应用中，需通过负载化技术（如将 Ti0₂ 负载于石英纤维布）解决粉末催化剂回收难题，并通过反应器优化（如多位并联光反应仪）提升处理通量。

三、光催化技术在水处理中的应用实践

3.1 工业废水处理

针对印染废水，光催化技术可高效降解偶氮染料分子中的发色基团。例如，采用泡沫金属镍负载 Ti0₂ 光催化剂，在紫外光照射下，亚甲基蓝的降解率可达95% 以上，色度去除率超过 90% 。对于制药废水，光催化氧化可破坏抗生素分子中的 β- 内酰胺环和喹诺酮结构，例如左氧氟沙星在 g-C₃N₄/Ti0₂ 复合催化剂作用下的降解效率较单一 Ti0₂ 提升 40% 。在电镀废水处理中，CdS 基光催化剂通过光还原反应将U( Ⅵ) 还原为U( Ⅳ)，配合离子交换树脂可实现铀资源回收。此外，光催化 - 膜分离耦合工艺（如超滤 + 反渗透 + 光催化）在焦化废水处理中展现出协同效应，COD 去除率较单一工艺提高 25% ，同时实现酚类物质的资源化。

3.2 生活污水处理

城市污水处理中，光催化技术可针对性去除难降解有机物和新兴污染物。例如，在 A²/0 工艺后端增设光催化反应器，可将出水中的微塑料颗粒（50-500μ m）降解率提升至 75% ，同时降低抗生素抗性基因（ARGs）的丰度。农村分散式污水处理中，太阳能光催化装置结合人工湿地，可同步去除生活污水中的氮磷和有机物，例如在云南某村镇的示范工程中，COD 去除率达 82% ，氨氮去除率达 91%。针对餐饮废水中的油脂污染，光催化 - 臭氧联用技术通过·OH 和0₃ 的协同氧化，将油脂降解为脂肪酸和甘油，处理后废水可满足回用标准。此外，光催化材料在管道内壁的原位涂覆技术，可抑制生物膜形成，延长管网使用寿命。

3.3 饮用水处理

饮用水安全保障中，光催化技术兼具消毒与有机物去除功能。例如，将Ti0₂ 纳米颗粒固定于陶瓷膜表面，在低压紫外灯照射下，对大肠杆菌的灭活率达 99.99%，同时去除水中 90% 以上的三氯甲烷前体物。针对突发水污染事件，移动式光催化应急处理车可快速部署，例如在某化工厂苯酚泄漏事故中，采用Fe³⁺ 掺杂 Ti0₂ 催化剂，在2小时内将苯酚浓度从50mg/L降至 0.5mg/L 以下。此外，光催化技术还可去除饮用水中的内分泌干扰物（如双酚 A）和农药残留（如阿特拉津），例如 g-C₃N₄/Bi₂W6 复合催化剂在可见光下对双酚 A 的降解速率常数达0.032min^-1 ，较单一 Bi₂W0₆ 提高3 倍。

四、结语

光催化技术凭借其绿色、高效、多功能的特性，已成为水处理领域的重要技术手段。在工业废水处理中，其针对难降解有机物和重金属的去除能力为传统工艺提供了有效补充；在生活污水处理中，光催化 - 生物耦合工艺提升了污染物去除效率；在饮用水安全保障中，光催化消毒与有机物去除的双重功能满足了高标准水质需求。然而，该技术仍面临光源利用率低、催化剂回收困难等挑战。未来需从三方面突破：一是开发高活性、宽光谱响应的光催化材料，如高熵合金催化剂和钙钛矿型材料；二是优化反应器设计，提升光能利用率和传质效率；三是建立标准化技术体系，推动光催化技术从实验室走向产业化。随着材料科学和工程技术的进步，光催化技术有望在水资源循环利用和污染防控中发挥更大作用，助力实现“双碳”目标和水资源可持续利用。

参考文献：

[1]  化学污水处理的环保问题与解决策略探究 [J]. 黄建萍 . 皮革制作与环保科技 ,2024(19)

[2]  光催化材料降解抗生素废水研究进展 [J]. 邱娅璐 ; 高鹏 ; 伏毅 ; 徐攀 ; 孟爱莲 ; 张雁君 . 化工新型材料 ,2025(02)

[3] 生物炭/TiO_2 光催化复合材料的制备及性能研究[J]. 许建刚; 贾建岗 . 山东化工 ,2024(18)

[4]  光催化耦合技术处理染料废水研究进展 [J]. 张一帆 . 染料与染色 ,2024(04)

[5]  化工厂废水化学氧化处理法研究进展 [J]. 李静 ; 胡涛 . 广州化工 ,2020(11)

[6]  可持续水处理技术的进展、挑战和展望 . 张先超 ; 孙子涵 . 广东化工 ,2024(18)

[7]  抗菌剂在水处理膜中的应用进展 . 王紫玥 ; 董延茂 ; 张旖 ; 郭振斌 ;李屹 . 化工新型材料 ,2024(10)

作者简介：龙上海，男，1996 年 1 月 19 日，安徽安庆人，硕士研究生，目前职称：工程师，研究方向：电厂化学专业设计工作