基于纤维素负载二氧化钛的连续流光催化还原六价铬：操作参数优化与清除剂效应研究

本研究针对传统光催化中TiO2悬浮液分离困难的问题，开发了一种固定在纤维素材料上的TiO2催化片，用于连续流反应器中Cr(VI)的高效还原。研究发现酸性条件(pH=2)和空穴清除剂(如乙醇、草酸)可显著提升还原效率，最高达92.1%，同时证实超氧自由基(•O2-)和导带电子(e-)是主要活性物种。该催化剂展现优异稳定性，为工业废水处理提供了新思路。

　　

六价铬(Cr(VI))作为电镀、合金制造等行业排放的有毒污染物，不仅具有强致癌性，还会抑制污水处理中的生物活性。尽管世界卫生组织(WHO)规定其饮用水限值仅为0.05 mg/L，但传统处理方法如离子交换、化学还原等存在成本高、二次污染等问题。其中，悬浮态二氧化钛(TiO₂)光催化技术虽能有效还原Cr(VI)，却面临催化剂回收困难的瓶颈——这一痛点直接推高了处理成本，制约了工业化应用。

研究人员创新性地采用Ahlstrom公司开发的纤维素负载TiO₂催化片，在连续流光反应器中系统考察了Cr(VI)的还原行为。这种非织造纤维素载体不仅具备320 m²/g的高比表面积，其表面25 g/m²的TiO₂负载量通过SiO₂无机粘合剂实现稳定锚定，完美解决了催化剂分离难题。研究论文发表在《Next Materials》期刊，为重金属废水处理提供了兼具高效性与经济性的解决方案。

关键技术包括：1) 采用UV-A光源(365 nm)的连续流光反应器系统；2) 紫外-可见分光光度法监测Cr(VI)浓度；3) FTIR-ATR和TEM表征催化剂结构；4) 动力学模型拟合反应速率；5) 自由基捕获实验验证反应机制。

pH效应：在pH 2时还原效率达92.1%，显著高于中性条件(10.9%)，这归因于催化剂表面正电荷与HCrO₄^-的静电吸引，以及更有利的Cr₂O₇^2-/Cr³⁺氧化还原电位(+1.33 V vs NHE)。

清除剂作用：添加5 mM柠檬酸使反应速率常数(k)从0.003 min^-1提升至0.0176 min^-1，证实空穴(h⁺)清除能有效抑制电子-空穴复合。而氯仿(0.3 M)使效率降低35%，证明•O₂^-是关键活性物种。

盐抑制效应：二价阴离子(SO₄^2-、CO₃^2-)比Cl^-表现出更强抑制作用，这与它们对催化剂活性位的竞争吸附有关。

稳定性验证：经过5次循环使用，催化剂仍保持90%以上活性，XRD显示其晶型结构稳定，带隙能(Eg)仅从3.38 eV微调至3.33 eV。

这项研究不仅证实纤维素负载TiO₂在Cr(VI)处理中的工业化潜力，更揭示了酸性条件下以超氧自由基为主导的双路径还原机制。相比传统悬浮体系，该固定化催化剂将处理成本降低约40%(据文献估算)，其模块化设计可直接集成于现有水处理设施。未来通过可见光响应型TiO₂改性，有望进一步降低能耗，推动光催化技术在重金属污染治理中的大规模应用。