固定化改性TiO2光催化消毒性能与机理研究

发展中国家农村地区饮用水普遍存在着微生物超标问题,太阳光消毒法(SODIS)是实现饮用水微生物控制、提高当地居民饮水质量的潜在技术.目前,SODIS法存在光照利用率低的问题,消毒效果完全依赖于环境温度与光照强度,仅在低纬度地区晴朗天气环境下效果较好.本研究通过材料改性强化TiO2光催化性能,利用固定化技术提升催化剂的循环利用效率,开发了固定化改性TiO2光催化消毒用技术,克服了上述SODIS法的缺陷.本研究采用水热法分别合成了暴露(001)或(101)晶面的锐钛矿相二氧化钛,暴露(110)面的金红石相二氧化钛以及不暴露特定晶面的锥形混晶相二氧化钛.通过与对照标准品比较在光照下灭活耐热大肠杆菌速率后发现,晶体类型对灭活速率的影响顺序为晶相＞暴露晶面＞晶粒形状.XRD、SEM、UV-vis、XPS价带谱、Zeta电位、ICP-MS等表征结果表明,催化剂的较高价带位置与表面电位在消毒过程中起主导作用,尖锐棱角形貌起次要作用.将001-Ti02粉末样品固定化后,减少了循环使用中的催化剂损失,经处理水中细菌残留率仅为0.4％,优于已报道的固定化P25 TiO2样品(1.8％)和仅光照条件下的空白对照组(67.3％).通过对200个凋亡细菌菌体的形貌分析并计数发现,光催化消毒对水中微生物的去除机制按重要性排序,依次为空穴与自由基化学氧化(139个)、晶粒与菌体表面电荷吸引包埋(48个)和晶体颗粒尖锐棱角物理破坏(13个).综上所述,本研究建立的固定化晶面暴露锐钛矿相TiO2基光催化消毒技术在光强70 mW·cm-2,25℃下即具有良好消毒效果,为发展中国家农村地区单户型饮用水消毒提供了可行的解决方案.