光催化氧化技术在造纸废水处理中的应用

王 绚

（潍坊市昌邑生态环境监控中心，山东 潍坊 261300）

引言

光催化技术作为一种新兴的废水处理技术，其能够利用光照条件下催化的氧化物处理造纸废水中的有机污染物。相对于传统的生物法或者化学法，该技术的应用不仅处理效果好，而且工艺简单，同时还能避免潜在的二次污染问题，因此在造纸废水处理中具有非常显著的经济效益和社会效益。

1 造纸废水和光催化氧化技术的特点

1.1 造纸废水的特点

造纸废水作为在造纸生产中产生的大量废水，其具有废水量大、成分复杂等特点。由于在造纸生产过程中需要大量的水用于纸浆制备、洗涤、漂白、涂布等环节，造纸废水的排放量也相对较大，而且废水中保护的还含有大量的有机物质、无机盐类、颜料等等物质让废水处理面临着巨大挑战。毕竟造纸生产较为复杂，在生产中使用的化学药剂、漂白剂等会在废水中残留，导致造纸废水中的COD（化学需氧量）、BOD（生化需氧量）等污染物浓度较高。而且造纸废水中还包含有复杂的充分，像是生产中使用的不同原料、药剂和助剂等会让废水中存在多种有机物质、无机物质和重金属离子等污染物，导致废水处理面临着复杂的化学充分。除此之外，造纸废水中还会含有悬浮物、纤维素碎片、颗粒物等固体物质，这些固体物质在废水处理过程中会对处理设备和工艺造成一定的影响，因此处理难度和成本也会增加。若是这些污染物若是未经处理或者处理不当就排放，会对水环境乃至整个生态系统造成非常严重的破坏和干扰［1］。

1.2 光催化氧化技术的原理

光催化氧化技术是一种利用光催化剂在光照条件下催化产生活性氧化物，并且利用活性氧化物氧化有机污染物等有害物质的技术。在使用光催化氧化技术的过程中，首先要选择合适的光催化剂，常用的光催化剂包括钛酸盐类、半导体氧化物、纳米金属等，这些光催化剂具有良好的光吸收性能和电子传输性能，可以有效地吸收可见光或紫外光能量，并将光能转化为电子或空穴。其次则是光源选择，为了能够具有足够能力让光催化剂产生氧化反应，可以根据催化剂性质选择可见光灯、紫外灯和太阳光等设备，以确保光催化剂能够充分吸收光能并发挥作用。在整个光催化氧化反应中，光催化剂通过吸收光能产生电子和空穴，这些电子和空穴可以分别参与氧还原反应和有机污染物的氧化反应，在光催化剂受到光照影响后，其电子会激发到导带上，形成活性电子，而且光催化剂形成的空穴与溶液中的水或氧气发生反应，产生具有氧化能力的羟基自由基（·OH）或超氧自由基（O2·-）等。这一反应所生产的活性氧化物的生成对于有机污染物的降解非常重要，当有机污染物进入光催化系统后，活性氧化物与有机污染物会发生反应，让有机污染物分子中的键断裂，产生小分子化合物或无机盐等物质，而且活性氧化物还可以通过一系列的链式反应来快速地氧化有机污染物，从而提高光催化氧化的效率。

2 光催化氧化技术在造纸废水处理中的应用优势

2.1 能源消耗低

能源消耗低是光催化氧化技术最显著的优势之一，由于采用光能和光催化剂来处理造纸废水中的污染物，因此该技术能够减少大量化学药剂和氧化剂的应用。同时也不需要通过额外能源输出满足催化所需的能量，这不仅能够减少材料和能源消耗，同时也能减少潜在的二次污染等问题。

2.2 操作简便

光催化氧化技术的整个操作流程非常简单，只需要选择合适的光催化剂以及反应器，做好废水去除悬浮物、调整pH 值等预处理工作，在经过光催化氧化反应后进行沉淀和过滤即可，若是需要则可以根据需求进而二次处理。而且该技术的设备也非常简单，只需要光源、反应器和废水处理系统即可，这些优势都有助于提高技术的应用效率［2］。

2.3 成本较低

成本低也是光催化氧化技术非常显著的优势，由于光催化氧化技术在应用的过程中不需要选择额外的化学药剂，同时光催化氧化反应环境也非常简单，加之光催化反应器的设计相对简单，因此在使用时不需要额外的设备等方面支出，同时整个设备运行稳定性强，基本不会出现设备故障问题，这也是减少技术应用成本的主要因素。

3 造纸废水处理中常见的光催化氧化技术

3.1 TiO2 光催化氧化

TiO2 是光催化氧化技术中非常常见的催化剂，其具有良好的污染物降解效果，在TiO2 暴露在紫外光或可见光下时，TiO2 表面可以吸收光子能量，从而激发电子从价带跃迁到导带，并且形成电子-空穴对，而电子-空穴对可以参与氧化还原反应，产生活性氧物种如羟基自由基（·OH），进而对废水中的有机物进行降解。作为最常见的光催化剂，TiO2 在应用过程中不需要额外的化学剂，因此适合存在大量有机物的造纸废水处理工作，而且不会产生二次污染问题，因此能够满足绿色环保的需求。在实际应用中，TiO2 能够有效去除造纸废水中的色度物质、漂白剂残留物等难降解有机物，通过其优势有效降解废水中的污染物质，同时还可以通过调节反应条件和光照强度等参数，实现废水处理过程的精确控制，以确保造纸废水的处理稳定性和效果能够得到有效保障［3］。

3.2 生物反应器技术

生物反应器是解决光催化氧化技术中光催化剂利用率低这一问题的重要措施，生物反应器是一种基于微生物代谢活性进行废水处理的技术，在光催化氧化技术中，生物反应器能够作为最后一道处理工序，以便于能够进一步降解光催化剂无法直接降解的有机物。生物反应器技术一般采用生物膜反应器或者悬浮生物反应器，在实际应用的过程中，生物膜反应器设备需要将生物膜固定在支撑材料上，通过生物膜上的微生物来降解废水中的有机物，或者利用悬浮生物反应器将微生物悬浮在废水中，利用微生物的代谢活性来处理废水，以确保可以降解光催化剂难以直接降解的有机物。除了降解那些难以降解的有机物外，生物反应器技术还可以去除废水中的无机盐，像是括钠、钙、镁等无机盐，可以通过生物反应器中的微生物代谢活性将无机盐转化为沉淀物或气体，以此达到深度净化的效果。

3.3 光致Fenton 氧化

在利用TiO2 光催化技术的基础上，可以再加入Fenton 试剂形成Fenton 体系，进而产生强氧化剂·OH 自由基，这也是提高造纸废水处理效率的重要措施。光致Fenton氧化技术所产生的的大量·OH自由基是一种非常强效的氧化剂，能够迅速氧化有机废水中的有机污染物，并将这些污染物降解为无害的物质，以此满足水质净化的需求。而且光致Fenton 氧化技术还可以很好地解决造纸废水中的色度、COD 等指标超标的问题，光致Fenton 氧化技术的特性能够有效加强对这些污染物的降解和处理，以确保造纸废水能够满足环保排放标准需求。

3.4 光催化膜分离技术

光催化膜分离技术是光催化氧化和膜分离两种方法优势进行废水处理的重要技术，在发挥光催化氧化技术的基础上，再利用膜分离技术可以实现固液分离，并且提高水质净化效果。该技术融合了二者共同的优势，能够有效做到对废水中有机物的降解，同时也能通过固液分离，将悬浮物、颗粒物等固体污染物有效地过滤，提高水质净化效果。在实际应用的过程中，需要在光催化反应器内设置膜分离装置，实现光催化氧化和固液分离的一体化操作，以确保既能够优化处理流程，也能减少占地面积，同时还能减少能源消耗，从而起到控制净化成本的效果。

3.5 光电催化氧化

光电催化氧化技术是一种将光催化和电化学催化相结合的废水处理技术，在实际应用的过程中，不仅需要选择合适的光催化剂，还需要选择合适的电极材料，以确保能够在光照条件下引发光生电子并且产生活性氧物种，这对于处理废水中的木质素、纤维素和碎片纸浆等有机污染物有着非常重要的帮助。除了有机污染物外，该融合技术的应用能够通过电化学反应和光生电子的作用，将废水中的铜、铬、锌等重金属离子还原或氧化为固体沉淀物，从而减少重金属污染物的污染风险。除此之外，在传感器和智能控制系统的帮助下，能够实现对光电催化氧化技术的在线监测和自动化控制，通过提前设置参数的措施，保障整个技术的稳定性和可控性［4］。

3.6 光催化聚合物膜反应器

光催化聚合物膜反应器作为光催化和膜分离技术融合形成的高效废水处理装置，在提高废水处理效率和效果方面的作用也非常明显，在实际应用的过程中，可以通过反应器中的光催化剂和合成的聚合物膜的合作，在氧化分解废水中有机污染物的同时，还能利用聚合物膜阻隔废水中的大分子有机物质和颗粒物，让光催化氧化反应的优势得到进一步发挥，以此起到优质的净化效果。该技术同样具备能耗低、成本低的特点，因此适用于造纸工业生产中对造纸废水连续、长期处理的需求。

4 光催化氧化技术在造纸废水处理中的应用方向

4.1 光催化氧化技术在造纸废水处理中的存在的问题

虽然光催化氧化技术在造纸废水处理中有着非常显著的优势，不过由于该技术并不是非常成熟，在实际应用方面依然存在需要关注和解决的问题。例如光催化剂选择与性能限制问题，目前常用的钛酸盐类、二氧化钛等光催化剂存在光吸收范围狭窄、光生载流子寿命短等问题，这些问题会造成光催化活性和稳定性较低，同时也影响了对污染物的降解效果。光源能量利用率低的问题也非常明显，虽然传统的紫外光源能够有效激活光催化剂，不过由于受到催化剂本身等因素的影响，其能量利用率较低，而且存在光照区域受限的问题，因此能源浪费问题、设备投资成本高问题依然难以控制。与此同时，光催化反应速度通常较慢，需要较长的处理时间才能达到理想的污水处理效果，对于规模较大的造纸厂来说，会面临着污水处理效率低等问题。除此之外，工艺参数优化难度大的问题也非常明显，在光催化氧化技术应用的过程中，需要调整光照强度、光照时间、溶液pH 值等参数，才能满足废水处理需求，不过不同类型的废水对于各项参数的需求存在较大差别，因此废水处理难度也相对较大。

4.2 光催化氧化技术在造纸废水处理中的应用方向

虽然目前光催化氧化技术在造纸废水处理中的应用存在一定的问题，不过由于其优势非常明显，因此具有非常广阔的发展前景，而想要进一步推动该技术在造纸废水中的应用，该技术应当朝着以下方向展开深度研究：首先是光催化剂开发方面，为了解决当前光催化剂存在光吸收范围窄、光生载流子寿命短等问题，在发展过程中需要设计合成新型的光催化剂，提高光催化剂对可见光的吸收能力，增强光生电子和空穴的分离效率，让降解效果能够得到进一步提升。其次则是对光源的选择和优化，在未来的发展道路上，可以积极探索利用可见光或太阳光等更广泛的光源，通过光源的选择和优化，让光源能量的利用率能够得到进一步提升，同时还能进一步减少该技术的应用成本。与此同时，加强对光催化反应机理的深入研究也非常重要，尤其是对光催化过程中的光生电子和空穴行为、活性氧化物的生成和反应动力学等方面的研究，能够有效对该技术展开深度优化，以此提高技术的实际应用效果。除此之外，通过光催化氧化技术与其他废水处理技术的集成应用，也能提高造纸废水的处理效果，例如将光催化氧化技术与生物处理、吸附等技术相结合，形成多技术联合治理体系，确保能够满足不同造纸废水的处理需求，让多种处理方式的优势能够得到共同发挥［5］。

5 结语

总的来说，光催氧化技术在造纸废水处理中具有非常良好的应用效果，多类技术的应用既能够保障废水处理质量，同时也能避免二次污染、成本过高等问题，因此在废水难降解有机物处理方面有着显著的优势和作用。不过由于光催化氧化技术目前应用范围较小，在长效应用方面依然存在技术等方面的难题，因此对光催化氧化技术展开进一步优化，确保能够大规模应用到造纸废水处理当中，成为了提高造纸废水处理效果、进一步控制废水处理成本的重要措施。