朱国涛+肖振华

[摘 要]随着科学技术的迅猛发展，人们对于水资源的需求不断增加；二氧化钛光催化消毒发展成为一种新型的水处理技术，正在被科学家们创新研究并将大规模运用到饮用水的处理中。本文将通过阐明二氧化钛光催化的优点，总结二氧化钛光催化机理和杀灭细菌病毒的具体过程；论述近年来二氧化钛光催化消毒技术在水处理中的应用现状以及未来的发展方向；为实现其工业化生产和应用提供参考。

[关键词]二氧化钛；水处理；光催化；消毒；发展

中图分类号：TN99.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）03-0026-01

前言

随着人口的急剧增长、工业化的发展、资源的过度开发、环境污染的日益加剧，水资源短缺成为人类面临的重大危机。可饮用水资源的短缺时时刻刻威胁着缺水地区人群的健康，水源被致病微生物污染后引发的疾病；每年都会造成数千人死亡。因此；提供安全可靠的饮用水成为科研工作者面临的大问题。过去我们使用过氯、臭氧消毒、消毒效果虽好但却产生了危害人身体健康的副作物。之后；紫外线消毒逐渐发展起来，但某些细菌具有自我修复能力；可以重复再生；严重影响了杀菌效果；给人们的生命健康造成了严重威胁。在二氧化钛光催化消毒过程中；光源作为一种廉价、易获取、并且可以重复循环利用的能源；给催化过程提供了便利。二氧化钛在光催化过程中生成的氧化剂具有很强的氧化能力；效果显著；耗能少；无二次污染；逐渐成为科研工作者的研究热点。

1.二氧化钛光催化机理

当二氧化钛受到光照射时获得了能量；价带上的电子获得能量跃迁至导带，在导带上出现光生电子；而价带上形成空穴。光生电子和空穴可以发生移动而中和；大范围的中和可能导致无效反应；或者结合体可以迁移到催化剂表面，与溶液中的活性氧族发生反应。光生电子易与水中溶解氧等氧化物发生反应；而空穴则可将二氧化钛表面吸附的有机物氧化；或将OH-和H2O分子氧化成·OH自由基，·OH自由基能氧化水中绝大部分的有机物及无机污染物，将其矿化为小分子、二氧化碳、H2O等无害物质[1]。

2.二氧化钛光催化的优点

从二氧化钛光催化机理和杀灭细菌病毒的具体过程来看二氧化钛光催化消毒技术比起传统的消毒技术有以下几个优点：1、二氧化钛光催化剂催化作用持久、化学性质稳定，并且对于人的生命健康和水环境没有危害；2、光源作为催化能源干净环保，且能重复循环使用，有效节约了电能；3、二氧化钛光催化消毒过程中没有毒副作物的产生；4、二氧化钛光催化反应过程中产生的氧化还原因子可以应用于其他的氧化还原反应，比如消除水中的重金属离子和一些重金属污染物；5、二氧化钛颗粒还可以吸附一些水中的污染物。

3.杀灭细菌病毒的具体过程

3.1 二氧化钛光催化对微生物杀灭的作用机理

人们对二氧化钛光催化杀菌机理的不断研究；已经被实验证明的机理有辅酶A的破坏；细胞渗透作用；蛋白质和脂类的变性分解，内毒素的降解和细胞矿化成二氧化碳等[2]。细胞内辅酶A被二氧化钛所氧化，继而阻止细胞呼吸，造成细胞死亡。而后在刘平等人的研究中发现；二氧化钛光催化激活反应中生成的羟基自由基和超氧化物阴离子自由基，有很强的氧化能力；可使细菌中蛋白质和脂类变性分解，以此杀灭细菌。而后在Yoshihiko等对二氧化钛杀菌实验的研究中发现；光催化产生的氧化离子中除了羟基自由基和超氧化物阴离子自由基，还有HOO·和过氧化氢。他们认为细胞的致死性是由于羟基自由基和超氧化物阴离子自由基生成或氧化氢所致[2]。

3.2 二氧化钛光催化杀灭细菌的过程

实验表明，二氧化钛光催化杀灭细菌病毒的过程中，细胞损伤的大致步骤是：二氧化钛光催化生成的氧化剂先破坏细胞壁，改变细胞的渗透作用，而后破坏细胞膜和细胞内物质，最后破坏细胞的遗传物质，降低細菌的存活率。二氧化钛光催化消毒可以有效地除去水中大肠杆菌等菌类、病毒和噬菌体。

4.二氧化钛光催化消毒技术在水处理中的应用现状以及未来的发展方向

4.1 二氧化钛光催化消毒技术在水处理中的应用现状

到目前为止，科学家们为考察二氧化钛对微生物的作用，运用了多种实验对象，如大肠杆菌、酵母菌、链球菌、乳秆嗜酸细胞、绿藻、癌细胞、病毒噬菌体等。研究了相关因素对二氧化钛催化消毒的影响，包括不同波长的光源及光强度的影响，二氧化钛催化剂不同浓度及存在方式的影响。得出了大量对实际工程具有指导意义的实验结论和实验参数。

使用二氧化钛光催化技术对真菌灭活的研究近几年也在如火如荼的展开，应用二氧化钛光催化技术对于病毒灭活的研究处于起步阶段，在工业生产废水中的研究还很少，基本上处于实验室阶段。

4.2 二氧化钛光催化消毒技术在水处理中应用的发展

随着科学技术的进步和人类生活水平的不断提高，经济发展的繁荣向上。人们对于饮用水的质量标准，要求越来越高，尤其农村、偏远地区等贫困地区，让人们喝上更洁净更安全的饮用水迫在眉睫。现如今二氧化钛光催化消毒技术发展前景良好，但仍存在光催化剂活性的增强、反应器的设计应用、光源利用效率的提高等技术性的问题。

首先：要提高二氧化钛光催化剂的催化活性，可以通过金属或非金属改变二氧化钛的性质或者将二氧化钛与其他催化剂进行复合，既增强了催化剂的活性，也加快了反应速度；其次：要根据反应物的性质寻找二氧化钛光催化反应中最合适的反应条件，设计出高效快捷，方便使用的反应器；最后：提高对太阳光的利用率研究光催化反应所利用的辐射光波长范围，改变催化剂表面或者二氧化钛的性质并加大辐射光可利用的波长范围，降低成本提高光源的使用效率。[3]

相信在解决以上问题后，二氧化钛光催化消毒技术必将会实现大规模的工业化和商业化。

5.结语

综上所述，科学技术的发展和人类的需求使二氧化钛光催化消毒技术逐渐发展起来，现在科学家们正在改进和提高杀菌效果使这项技术得到大规模应用。从二氧化钛光催化杀灭细菌病毒的具体过程来看，二氧化钛光催化消毒还可以应用于医疗方面，在不同的光波下，二氧化钛光催化技术杀灭的细菌真菌等微生物不同，特定光照下，二氧化钛还可以杀死癌细胞，并且对于人体无伤害。因此，二氧化钛光催化消毒技术在医疗卫生方面也有一定的发展前景；相信在不久的将来，二氧化钛光催化消毒技术可以广泛实现大规模工业化、商业化；让广大人民群众尤其是水资源严重短缺的贫困地区的人们喝上干净卫生的饮用水。

参考文献

[1] 于小迪.二氧化钛光催化消毒技术在水处理中的研究[J].防治技术，2013（01）：82.

[2] 马晓敏，王怡中.二氧化钛光催化研究氧化杀菌的研究及进展[J].环境污染治理技术.2002（05）：16.

[3] 潘力军，金银龙.二氧化钛光催化降解饮用水有机污染物的研究进展[J].环境与健康杂志.2012（03）：286.