基于吸附-光催化还原-脱附技术去除重金属离子污染的研究

In order to achieve the goal of treatment of wastewater with high toxic Cr(VI) and Hg(II) to the low toxic Cr(III) and recovery of Hg by photocatalytic reduction, we will design and synthesize TiO2 mesocrystals photocatalysts with high specific surface area, and further modify the compositions and tailor the micro/nanostructures (including crystal faces control, surface defects production, doping or components combination, surface properties modification, etc.) to increase the utilization of solar energy and reduce the electron-hole recombination, improve the efficiency of photocatalysis, especially the visible light photocatalytic reduction of Cr(VI) and Hg(II). According to the characteristics of heavy metal wastewater treatment, we will make efforts to solve the following three key issues: (1) the fast adsorption of heavy metal ions with low concentration in waste water to achieve the enrichment on photocatalysts TiO2, and subsequent the promotion of photoreduction rates; (2) the rapid desorption of photoreductive products (i.e. Cr(III) and Hg) to avoid the poisoning of photocatalyst; (3) the exploration of the adsorption-photoreduction-desorption mechanisms of heavy metal ions and their synergistic effects on the photocatalysts, and also the relations among the micro/nanostructures, surface properties and the photocatalytic efficiencies. Finally, we will use the above technology to treat the waste water with both organic pollutants and heavy metal ions Cr(VI) and Hg(II) via photocatalytic degradation and photoreduction and also the practical wastewater with heavy metals.

以光催化还原废水中高毒性Cr(VI)和Hg(II)成为低毒Cr(III)和易回收Hg(0)为目标，设计高比表面积多孔单晶TiO2，并进行组成修饰和纳米结构裁剪 (包括晶面调控、表面缺陷位创制、掺杂或复合、表面组成调变等)，增强其太阳光利用率并减少电子-空穴复合，提高其光催化效率，并实现可见光催化还原Cr(VI)和Hg(II)。针对处理重金属废水的特点，着力解决以下三个关键问题：(1)通过吸附废水中低浓度Cr(VI)和Hg(II)，不仅快速去除，而且重金属离子富集可促进其后续光催化还原；(2)通过表面化学性质调变，使光催化还原后的产物Cr(III)和Hg(0)能快速脱附，避免光催化剂中毒；(3)探索光催化剂对重金属离子吸脱附机理和光催化还原机理及其相互协同作用，并讨论光催化剂的构效关系。最终尝试通过协同光催化降解有机污染物和还原Cr(VI)和Hg(II)，应用于实际废水治理。

在影响人类健康的环境污染中，重金属离子污染是环境污染的重点之一，在环境污染日益严重的今天，关于重金属离子污染事件屡见不鲜。重金属离子污染具有富集性且很难在环境中自降解，即使浓度很小，也可在食物链中积累。重金属离子在人体内可与蛋白质、各种酶发生强烈的相互作用，使它们失去活性，也可在某些器官中富集，如果超过人体所能承受的限度，会造成急性或慢性中毒。如果长期用重金属离子污染废水灌溉农田，可造成土壤重金属离子污染，而且这种污染具有长期性和不可逆转性，不仅通过植物链吸收影响人类健康，而且也将是农作物产量大幅度下降。在众多重金属离子污染中，Cr(VI)可以通过皮肤、呼吸道吸收，引起脏器功能损害，具有极强的致癌危害，其毒性要比Cr(III)大100倍以上。近年来国内外Cr(VI)离子污染处理方法主要有三类：第一类是通过化学反应去除，包括沉淀法，电化学还原法或高分子络合等，其缺点是成本高，存在二次污染；第二类是通过生物方法去除，但处理周期长、而且对环境的要求高。目前普遍采用吸附法去除Cr(VI)离子，其优点是能快速去除水中Cr(VI)离子，但Cr(VI)离子的危害依然存在于吸附剂中，而且吸附效率随着吸附量增加而降低，达到饱和吸附后即失效，同时，吸附力相对较弱，容易发生吸附态Cr(VI)离子的脱附，因此在处理低浓度Cr(VI)离子废水时存在很大限制。.在紫外光或可见光照射下，通过光催化处理Cr(VI)离子是一种简单、清洁、方便的方法。Cr(VI)离子的光催化还原与界面反应密切相关。Cr(VI)吸附过程，光还原以及Cr(III)脱附是光催化剂的表面发生光还原过程的三个关键步骤。最近，我们的工作已经表明，对TiO2表面进行改性，可以增强选择性吸附Cr(VI)和Cr(III)脱附，从而大幅提高光催化还原Cr(VI)离子性能和使用寿命。进一步的实验结果表明，这种选择性吸附过程在Cr(VI)光催化还原过程中起着重要作用。期望我们的工作能为光催化还原重离子污染物提供一种简单有效的方法。