光催化氧化技术在油田废水处理中的应用及研究进展 3页

光催化氧化技术在油田废水处理中的应用及研究进关键词：光催化氧化,油田废水处理研究进展纳米二氧化钛摘要：介绍了光催化氧化技术的机理,对光催化氧化技术在油田废水处理中的应用及其优缺点进行了阐述,提出了今后的发展方向。正文：光催化氧化技术是一种新兴的水处理技术。1972年,Fu-jishima和Honda[1]报道了在光电池中光辐射TiO2可持续发生水的氧化还原反应,标志着光催化氧化水处理时代的开始。1976年,Carey等[2]在光催化降解水中污染物方面进行了开拓性的工作。此后,光催化氧化技术得到迅速发展。光催化技术具有反应条件温和、能耗低、操作简便、能矿化绝大多数有机物、可减少二次污染及可以用太阳光作为反应光源等突出优点,在难降解有机物、水体微污染等处理中具有其他传统水处理工艺所无法比拟的优势,是一种极具发展前途的水处理技术,对太阳能的利用和环境保护有着重大意义。光催化技术是利用TiO2等半导体作为催化剂，当半导体材料受到能量大于其禁带的光照射时，发生电子跃迁，在半导体材料表面形成电子∕空穴对。半导体粒子表面空穴可以吸附水分子或氢氧根离子，产生具有强氧化能力的羟基自由基，将吸附于颗粒表面的有机污染物氧化分解为无害物质。目前，光催化技术的应用领域已扩展到多种污染物质的处理，包括烃类、醇、酚、酸、卤代脂肪族化合物、卤代芳香类化合物、含氯化合物、燃料、农药、表面活性剂、油类、无机物等，并取得了较好的效果[2]。一、TiO2光催化剂的特性及光催化氧化机理TiO2有锐钛矿型、金红石型和板钛矿型三种晶型。同样条件下,锐钛矿型的催化活性较好。在众多光催化剂中,TiO2是目前公认的最有效的半导体催化剂,其特点有:化学性质稳定,能有效吸收太阳光谱中弱紫外辐射部分,氧化还原性极强,耐酸碱和光化学腐蚀,价廉无毒[3]。光催化氧化技术利用光激发氧化将O2、H2O2等氧化剂与光辐射相结合。所用光主要为紫外光，包括uv-H2O2、uv-O2等工艺，可以用于处理污水中CHCl3、CCl4、多氯联苯等难降解物质[4]。另外，在有紫外光的Feton体系中，紫外光与铁离子之间存在着协同效应，使H2O2分解产生羟基自由基的速率大大加快，促进有机物的氧化去除。目前对光催化的机理研究尚不成熟,一般认为光催化氧化法是以N型半导体的能带理论为础。TiO2属于N型半导体,其能带是不连续的,在充满电子的低能价带(VB)和空的高能导带(CB)之间存在一个禁带,带隙能为3.2eV,光催化所需入射光最大波长为387.5nm。当λ≤387.5nm的光波辐射照射TiO2时,处于价带的电子被激发跃迁到导带,生成高活性电子(e-),同时在价带上产生相应的空穴(h+),从而形成具有高度活性的电子/空穴对,并在电场作用下分离,向粒子表面迁移,既可直接将吸附的有机物分子氧化,也可与吸附在TiO2表面的羟基或水分子反应生成氧化性很强的活性物质氢氧自由基·OH。·OH自由基是一种非选择性的强氧化剂,可以氧化包括生物难以降解的各种有机物,使之彻底氧化为CO2,H2O和其他无机物[5]。二、光催化氧化技术在油田废水中的应用n油田废水作为石油工业主要污染源，主要包括采油污水和钻井污水。我国各油田地质条件、开发方式、注水水质、集输工艺等不同，采油污水和钻井污水的性质差异很大。在钻井过程、原油脱水、集输、污水处理过程中使用许多无机、有机化学处理剂，油水井堵水调剖、酸化、压裂等措施可能使油田废水含有大量的有机物，已进入三次采油阶段的油田，聚合物驱和复合驱采出水中含有大量聚合物和表面活性剂，使污水中油的乳化程度加剧。油田废水水质的日益恶化使处理后水质很难达到外排标准或注水水质要求。目前光催化氧化技术在油田废水处理中的应用研究尚处于起步阶段，加强开展油田废水光催化氧化技术的研究显得十分重要。光催化氧化法能降解废水中高浓度有机污染物，降解难以生化处理的有机废水，能对水体有机污染物进行降解。根据已有的研究工作，发现卤代脂肪烃、卤代芳烃、有机酸类、硝基芳烃、取代苯胺、多环芳烃、杂环化合物、烃类、酚类、染料、表面活性剂、农药等都能有效地进行光催化反应，最终生成无机小分子物质，消除其对环境的污染以及对人体健康的危害。对于废水中浓度高达每升几千毫克的有机污染物体系，光催化降解均能有效地将污染物降解去除，达到规定的环境标准；与其他工艺相比，更省运行成本。[6]三、光催化氧化技术的特点光催化氧化技术具有高效、节能、清洁无毒等突出优点,是一项具有广泛应用前景的新型水污染处理技术。[7]然而作为近30年发展起来的新的研究领域,光催化降解现在还基本上停留在实验室水平,实际应用很少。因此无论是在光催化机理的研究方面还是在工业实际应用中都需要进一步的深入研究,主要表现在以下几个方面:1、制备高效率的催化剂,进一步完善催化剂的改性技术,提高催化剂的催化活性。2、选择合适的载体,研究催化剂固定技术,制备负载型催化剂,使其易于回收,重复使用。3、光催化反应机理的研究缺乏中间产物及活性物质的鉴定,仍停留在设想与推测阶段,进一步深入研究光催化反应机理,掌握有机物降解规律,对光催化技术工业实用化意义重大。4、光催化技术与其他技术耦合,利用技术的协同作用来获取最佳的处理效果,开拓更广阔的应用前景。光催化氧化技术的优点是：1、降解速度快，一般只需要几十分钟到几个小时即可取得良好的处理效果；2、降解无选择性，几乎能降解任何有机物，尤其适合于氯代有机物、多环芳烃等；3、氧化反应条件温和，投资少，能耗低，在紫外光照射或阳光下即可发生光催化氧化反应；4、无二次污染，有机物彻底被氧化降解为CO2和H2O等无害物质。[8]光催化氧化分解有机污染物是当今公认的最前沿最有效的处理技术，光催化氧化反应器成功的解决了光催化氧化技术的工业化运用难题，采用光催化氧化技术，废水有机污染物分解后的产物为水、二氧化碳及无害的无机盐，从根本上解决了有机污染问题。目前已广泛应用于电镀、电路板、化工、油脂、印染[9]及工农业生产废水、洗车废水的深度处理，对洗涤剂（LAS）、COD、BOD含氮、磷等各种有机污染物的去除率95%以上，同时能消除各种水质的变色发臭问题。四、光催化氧化技术在油田中的应用前景关于光催化氧化技术在油田废水处理中应用的研究大都处于初期可行性研究阶段，无论在深度还是广度上都还不够[10]。目前，我国东部油田经过多年的注水开发，特别是三次采油技术的应用，油田采出水的性质发生了很大变化，处理的难度大大增加，加之石油废水排放要求日益严格，油田常用的水处理技术已表现出极大的不适应性，这给高级氧化技术在油田废水处理中的应用提供了契机。该类技术用于处理石油工业有机废水时具有氧化能力强、反应快、去除效率高，处理装置占地面积小等优点，但有技术条件苛刻、投资高、反应器复杂等缺点，无法满足大规模处理石油工业废水的要求，而且某些条件下可能产生的中间产物和氧化产物对环境的危害更大。目前该类方法仅用于难降解有机工业废水生物处理的预处理或后处理，较适合油田钻井废水中CODcr的降解和富含表面活性剂的三元复合驱采出水的处理。今后的一个重要发展方向，是此项技术和生物处理、化学技术的有机结合，几种高级氧化技术联合使用。高级氧化技术工业化装簧的设计与运行依赖于其他学科的发展，新型高效的难降解有机废水处理设备的开发，应结合相关科学技术的发展。　参考文献：[1]IrieH,watanabeY,HashimotoK.JournalofPhysicalChemistryB,2003,107(23):5483~548[2]朱雷宋宏娇，TiO2光催化氧化技术在水处理中的应用[3]唐剑文.二氧化钛可见光光催化剂研究进展[J].现代化工,2005,25(2):25~28.[4]曹怡、张建成，光化学技术n[5]刘守新、刘鸿，光催化及光电催化基础与应用[6]张天永.染料及表面活性剂的太阳光催化降解[J].天津大学学报,2003,36(1):5~8.[7]n-TiO2光催化机理及其在环境保护中的应用研究进展[J].环境污染治理技术与设备,2002,3(3):1~6.[8]董国勇，石油环保技术进展[9]张家仁，石油石化环境保护技术[10]马云，油气田环境保护概论