用于降解印染废水中有机污染物的光催化剂的研究进展

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.220335

摘要/Abstract

摘要：

纺织工业印染废水的大量排放是造成水体污染物增多的主要因素之一，对人体健康和生态环境的良性循环造成严重威胁。目前，采用的物理吸附法、化学氧化法以及生物分解法等废水处理技术成本高昂、治污不彻底且容易产生二次污染，加快研发经济高效的处理技术对降低水资源消耗、保护环境意义重大。光催化降解法是催化剂受光辐照后在反应体系中产生活性自由基，自由基进一步与有机污染物反应，使其完全降解。由于该方法经济高效，不易造成二次污染，符合绿色环保的发展要求，已成为污染物降解的研究热点。本文主要综述了近10年光催化技术在降解有机污染物领域的具体方法与研究进展，指出无机半导体、金属有机框架和有机小分子材料作为光催化剂存在的弊端，而多孔共轭聚合物兼具优异的光催化降解和吸附性能，具有很好的发展前景。

关键词: 印染废水, 光催化, 无机半导体材料, 金属有机框架, 多孔共轭聚合物

Abstract:

Dye-containing wastewater， largely discharged from the textile or printing industries， is one of the well-known sources of water pollution， posing great threats to both human health and the living environment. Although several water treatment technologies including physisorption， chemical oxidation， and biodegradation have been developed， most of them are costly and may produce some by-products with unknown toxicities. Therefore， it is highly desirable to develop economic and effective treatment technologies to reduce water resource consumption and protect the environment. Photocatalysis is a method in that highly reactive transitory species such as superoxide or hydroxyl radicals can be generated by reacting oxygen or water with photocatalysts upon irradiation of light， then degrading the organic dyes. Because the whole photocatalysis process has no chemical input and no secondary pollutants， it is considered to be an environmentally friendly， energy-efficient， and sustainable technique. In this paper， we have reviewed different kinds of photocatalyst systems developed in recent ten years for the degradation of organic pollutes， which cover inorganic semiconductors， metal-organic frameworks， organic small molecules， and conjugated porous polymers. Based on the large surface area and high photocatalytic activity， the conjugated porous polymers can simultaneously adsorb and photodegrade organic dyes under visible light， exhibiting stronger developmental potential compared with other photocatalytic materials.

Key words: Printing and dyeing wastewater, Photocatalysis, Inorganic semiconductor materials, Metal-organic frameworks, Porous conjugated polymers

中图分类号:

O643

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图/表 17

图1 掺硒质量分数为2.6%的ZnS纳米粒子的价带和导带能级示意图［62］

Fig.1 Schematic diagram showing energy levels of the valence band and conduction band of the 2.6% （mass percent） Se-doped ZnS NPs［62］

图2 不同类型SnO2催化剂对MB的降解效率［24］

Fig.2 Degradation efficiency of MB dye using the different SnO2 catalysts［24］

图3 （a）CuSbSe2和TiO2的紫外-可见吸收光谱；（b）CST-T和CST-M的紫外-可见吸收光谱［63］

Fig.3 （a） UV-Vis absorption spectra of CuSbSe2 and TiO2；（b） UV-Vis absorption spectra of the CST-T and CST-M［63］

表1 金属基半导体复合材料对有机染料的降解活性

Table 1 Degradation activity of inorganic semiconductor materials containing metal ions towards organic dyes

Catalysts	Light/nm	Mass/mg	Substrates	Concentration	Time/min	Efficiency/%	Ref.
V₂O₅ NWs	-	2.5	RhB	20 mL（23 mg/L）	70	95	［16］
Sn-TEG	254	20	MB	50 mL（10 mg/L）	15	96.6	［24］
Ag@Zn₂TiO₄	200～700	0.4	RhB	40 mL（5 mg/L）	90	97	［60］
CZTS	400～700	25	RhB	50 mL（194 mg/L）	4	100	［61］
Se_2.6%-ZnS	200～700	40	Trypan blue	50 mL（15 mg/L）	180	99	［62］
CST-T	365	100	RhB	50 mL（100 mg/L）	200	75	［63］
Bi₄Ti₃O₁₂/BiOBr	400～700	20	Acid blue 83	100 mL（5 mg/L）	180	100	［64］
0.9BiOBr/0.1Ba_0.8Sr_0.2TiO₃	200～400	20	Direct blue 5B	200 mL（20 mg/L）	180	98	［65］

图4 （a）CuTz-1重复单元的三维结构［68］；（b）BMOF的金属配位体结构［69］

Fig.4 （a） Three-dimensional structure of CuTz-1 repeating unit［68］；（b） Metal-coordinated polyhedral structure of BMOF［69］

图5 （a）Ce-MOF-589的晶体结构［13］；（b）PTBMOF和PDBMOF的合成路线图［66］

Fig.5 （a） Crystal structure of Ce-MOF-589［13］；（b） The synthesis routes of PTBMOF and PDBMOF［66］

表2 MOFs材料对有机染料的降解活性

Table 2 Degradation activity of MOFs towards organic dyes

Catalysts	Wave length/nm	Mass/mg	Substrates	Concentration	Time	Efficiency/%	Ref.
Ce-MOF-589	-	1	MB	40 mg/L（1 mL）	15 min	96	［13］
^PTBMOF	200~800	20	Tartrazine	23 mg/L	24 h	98.9	［66］
CuTz-1	200~800	12	RhB	12 mg/L（20 mL）	22 min	100	［68］
BMOF	200~800	10	MB	3.7 mg/L	90 min	57	［69］

图6 （a）TM-2-d的分子结构［15］；（b）化合物ANP的分子结构［74］

Fig.6 （a） The molecular structure of TM-2-d［15］；（b） The molecular structure of ANP［74］

表3 有机小分子对有机染料的降解活性

Table 3 Degradation activity of organic small molecules to organic dyes

Catalysts	Light	Mass/mg	Substrate	Concentration	Time	Efficiency/%	Ref.
TM-2-d	High pressure mercury lamp（500 W）	1 000	MB	300 mg/L（2 000 mL）	12 h	100	［15］
ANP	300～700 nm	50	MB	37 mg/L（20 mL）	200 min	97	［74］
PCBM	300～700 nm	1.2	RhB	6.7 mg/mL（3mL）	30 min	90	［75］

图7 Nano PDPB电荷分离的光催化机理［78］

Fig.7 Photocatalysis mechanism with charge separation in Nano PDPB［78］

图8 （a）P-FL-BT-3的分子结构［79］；（b）POPs在可见光照射下光催化机理示意图［80］

Fig.8 （a） The molecular structure of P-FL-BT-3［79］；（b） Photocatalytic mechanism demonstrated by POPs working under visible light［80］

表4 共轭多孔聚合物材料对有机染料的降解活性

Table 4 Degradation activity of conjugated microporous polymers towards organic dyes

Catalysts	Wavelength	Mass/mg	Substrates	Concentration	Time	Efficiency/%	Ref.
10%TrCMP/TiO₂	300～700 nm	26.25	MB	8.1 mg/L（35 mL）	20 min	92.5	［31］
Nano PDPB	λ＞450 nm	3.5	MO	3.27 mg/L（3.5 mL）	240 min	75	［78］
P-FL-BT-3	300～700 nm	1	RhB	10 mg/mL（10 mL）	70 min	90	［79］
POPs-2	λ＞420 nm	10	CR	10 mg/L（10 mL）	90 min	85	［80］
PTEB	λ＞420 nm	0.3	RhB	20 mg/L	50 min	100	［81］
Py-BF-CMP	λ＞450 nm	4	RhB	25 mg/L（20 mL）	30 min	81	［82］
TZCP-3	λ＞420 nm	5	RhB	10 mg/L（100 mL）	30 min	100	［83］
TA-BGY	200～1300 nm	20	MB	30 mg/L（20 mL）	8 h	80	［84］
TpSD	300～700 nm	3	Rh6G	10 mg/L（30 mL）	60 min	99.2	［85］
sp²c-CTP-4	300～700 nm	3	MB	40 mg/L（5 mL）	90 min	98	［86］
network-3	300～700 nm	14.2	MB	4 mg/L	90 min	95	［87］
CTF-NWU-1	λ＞420 nm	10	RhB	20 mg/L（50 mL）	30 min	99	［88］

图9 （a）TrCMP的分子结构［31］；（b）PTEB和PDEB-1的HOMO、LUMO能级图［81］

Fig.9 （a） The molecular structure of TrCMP［31］；（b） HOMO and LUMO band positions of PTEB and PDEB-1［81］

图10 Py-BF-CMP、TPE-BF-CMP 和 TPA-BF-CMP的分子结构［82］

Fig.10 The molecular structures of Py-BF-CMP， TPE-BF-CMP and TPA-BF-CMP［82］

图11 （a） TZCP-1、TZCP-2 和 TZCP-3分子单元［83］；（b） TA-BGY的分子结构［84］

Fig.11 （a） The molecular structures of TZCP-1， TZCP-2 and TZCP-3［83］；（b） The molecular structure of TA-BGY［84］

图12 （a） TpSD、TpTD和TpMD对应的合成路线［85］；（b） sp2c-CTP-4催化降解MB的机理［86］

Fig.12 （a） The synthesis routes of TpSD、TpTD and TpMD［85］；（b） The mechanism of MB degradation catalyzed by sp2c-CTP-4［86］

图13 （a） network-3的分子结构［87］；（b） CTF-NWU-1的分子结构［88］

Fig.13 （a） The molecular structure of network-3［87］；（b） The molecular structure of CTF-NWU-1［88］

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