不同TiO?样品在太阳能光催化灭活大肠杆菌和降解腐殖质方面的双重响应

《Catalysis Today》：Dual response of various TiO 2 specimens for the solar photocatalytic inactivation of Escherichia coli and degradation of humic matter

太阳能光催化利用Fe掺杂TiO?降解腐殖酸并灭活大肠杆菌，动力学模型显示低剂量Fe掺杂合成TiO?在HA中效率最高，而HAWM中高剂量Fe掺杂效果更佳。UV-Vis和荧光光谱分析揭示了光生自由基与有机基质相互作用机制，证实Fe掺杂TiO?在自然水基质中具有显著消毒效果。

　　太阳能光催化技术被广泛认为是降解水体中的微污染物、天然有机物以及多种微生物的一种可行方法。在实际应用中，由于天然水体中存在多种离子和有机成分，这些物质可能会影响光催化反应的效率。因此，研究如何通过改性手段提升光催化剂的性能，使其能够在可见光范围内有效工作，具有重要的现实意义。本研究聚焦于探讨原始二氧化钛（P-25）、合成二氧化钛（SynTiO?）及其相应铁掺杂样品在含有代表性天然水体成分的腐殖酸（HA）溶液中，对有机质降解和大肠杆菌（E. coli）灭活的协同作用。

在天然水体中，有机质和微生物通常共同存在，形成复杂的水体矩阵。因此，研究光催化技术在模拟自然水体条件下的表现，有助于更好地理解其在实际环境中的应用潜力。本研究采用太阳能光催化技术，对HA溶液中同时存在的有机质和大肠杆菌进行处理，并评估不同光催化剂在不同铁掺杂剂量下的处理效果。实验结果显示，光催化灭活效率的排序为：高剂量铁掺杂的原始二氧化钛样品 > 低剂量铁掺杂的原始二氧化钛样品 > 高剂量铁掺杂的合成二氧化钛样品 > 低剂量铁掺杂的合成二氧化钛样品 > 合成二氧化钛样品 > 原始二氧化钛样品。这一结果表明，铁掺杂对光催化剂的性能有显著影响，特别是在处理含有天然水体成分的HA溶液时，其作用效果与铁的剂量密切相关。

在光催化过程中，光催化剂与水体中的有机质和微生物相互作用，通过光化学反应生成活性氧物种（ROS），如羟基自由基（HO·）、超氧自由基（O?·?）等。这些活性物质能够对有机物进行降解，并对微生物造成损伤。然而，天然水体中的有机质和无机离子可能会对光催化反应产生干扰。例如，HA中的有机成分可能会与光催化剂表面发生吸附作用，从而影响其反应效率。此外，天然水体中的金属离子和氮氧化物等也可能作为光敏剂，参与光化学反应，改变反应路径和产物。

在本研究中，研究人员采用了两种不同的二氧化钛样品：原始二氧化钛（P-25）和合成二氧化钛（SynTiO?）。这两种样品在结构和性能上有所不同，原始二氧化钛具有较高的光催化活性，但其光响应范围主要局限于紫外光区域。合成二氧化钛则通过不同的制备方法，可能在结构和表面特性上有所优化，从而提升其在可见光范围内的光催化性能。为了进一步改善光催化剂的性能，研究人员还对这两种样品进行了铁掺杂处理，以扩展其光响应范围至可见光区域。

铁掺杂的二氧化钛样品在光催化反应中表现出不同的效果。高剂量铁掺杂的样品在HA溶液中对有机质的降解效果更为显著，同时对大肠杆菌的灭活也表现出更高的效率。低剂量铁掺杂的样品则在可见光范围内显示出一定的光催化活性，但其效果不如高剂量样品。这一现象可能与铁掺杂对光催化剂电子结构的影响有关。铁的掺杂改变了二氧化钛的能带结构，使其能够吸收可见光，并产生更多的活性氧物种，从而提升光催化效率。

为了评估光催化反应的效果，研究人员采用了多种分析方法，包括紫外-可见光谱（UV-vis）和荧光光谱技术。这些方法能够有效监测有机质的降解过程和微生物的灭活情况。结果显示，原始二氧化钛样品在去除特定的UV-vis参数方面比合成二氧化钛样品更为有效。这可能是因为原始二氧化钛具有更高的表面活性和更强的氧化能力，能够更有效地生成和利用活性氧物种。

此外，研究人员还对光催化反应中的关键参数进行了分析，包括总钾（K）含量、碳水化合物和蛋白质含量等。这些参数能够反映有机质的降解程度和微生物的代谢状态。通过比较不同样品在处理HA溶液前后的这些参数变化，研究人员进一步验证了光催化反应的机制和效果。结果显示，铁掺杂的二氧化钛样品在处理HA溶液时，能够更有效地去除有机质，并减少大肠杆菌的存活率。

在实际应用中，光催化技术的效率不仅取决于催化剂本身的性能，还受到环境条件的影响。例如，水体的pH值、温度、光照强度等因素都可能影响光催化反应的进行。因此，研究人员在实验中考虑了这些因素，并进行了系统的分析。实验结果表明，在模拟自然水体条件下，光催化技术能够有效降解有机质并灭活大肠杆菌，但其效果可能会受到水体成分的影响。

综上所述，本研究通过对比不同铁掺杂剂量的二氧化钛样品在HA溶液中的光催化性能，揭示了光催化技术在同时处理有机质和微生物方面的潜力。研究结果表明，铁掺杂能够有效提升二氧化钛的光催化效率，使其能够在可见光范围内工作，从而更好地利用太阳能。此外，研究还强调了天然水体成分对光催化反应的影响，为今后在实际水处理应用中优化光催化条件提供了重要的参考依据。