隨著工業(yè)化與城市化的快速發(fā)展，污水排放帶來的環(huán)境問題日益嚴(yán)峻。傳統(tǒng)污水處理技術(shù)在面對(duì)成分復(fù)雜、毒性高且難降解的污染物時(shí)，逐漸暴露出局限性。在此背景下，新型浸入式光催化反應(yīng)器應(yīng)運(yùn)而生，憑借其優(yōu)勢(shì)，為污水處理領(lǐng)域帶來了創(chuàng)新解決方案，成為當(dāng)下研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。

一、新型浸入式光催化反應(yīng)器的工作原理

新型浸入式光催化反應(yīng)器基于光催化氧化原理，以半導(dǎo)體材料作為光催化劑，如常見的二氧化鈦（TiO?）、氧化鋅（ZnO）等。當(dāng)特定波長(zhǎng)的光照射到光催化劑表面時(shí)，光子能量被吸收，致使光催化劑內(nèi)部電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶留下空穴，進(jìn)而產(chǎn)生光生電子 - 空穴對(duì)?？昭ň哂袕?qiáng)氧化性，能夠與吸附在催化劑表面的水分子反應(yīng)生成具有高氧化活性的羥基自由基（?OH）；電子則具有還原性，可與水中的溶解氧結(jié)合形成超氧自由基（?O??）等其他活性氧物種。這些強(qiáng)氧化性的自由基能夠無選擇性地將污水中的有機(jī)污染物氧化分解，逐步將其轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和無機(jī)小分子，實(shí)現(xiàn)污水凈化。

二、創(chuàng)新設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）高效光源與光路設(shè)計(jì)

一些新型反應(yīng)器采用了浸入式的 LED 光源，與傳統(tǒng)外置光源相比，減少了光在傳輸過程中的損失，提高了光催化劑對(duì)光能的吸收效率。例如，通過特殊設(shè)計(jì)的石英導(dǎo)光柱，可使光源 360° 全面照射反應(yīng)液，實(shí)現(xiàn)光子與反應(yīng)液的直接接觸，避免了揮發(fā)液體阻擋光路、光程過長(zhǎng)降低光照強(qiáng)度以及多次界面反射等問題。此外，還利用反光材料對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部進(jìn)行優(yōu)化，使光線在反應(yīng)器內(nèi)多次反射和散射，延長(zhǎng)光程，增加光催化劑對(duì)光的吸收幾率。

（2）優(yōu)化的催化劑負(fù)載與分散方式

為解決傳統(tǒng)懸浮式光催化反應(yīng)器中催化劑易團(tuán)聚、難回收的問題，新型反應(yīng)器采用了多種創(chuàng)新的催化劑負(fù)載技術(shù)。如在反應(yīng)器內(nèi)部構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)的載體，將光催化劑均勻負(fù)載于載體表面及孔隙內(nèi)，增大催化劑的比表面積，為反應(yīng)提供更多活性位點(diǎn)，同時(shí)防止催化劑團(tuán)聚。部分反應(yīng)器還引入磁場(chǎng)，利用磁性光催化劑在磁場(chǎng)作用下實(shí)現(xiàn)定向移動(dòng)與分散，提高催化劑與污染物的接觸效率，并且便于反應(yīng)結(jié)束后通過磁場(chǎng)回收催化劑。

（3）強(qiáng)化的傳質(zhì)與混合性能

反應(yīng)器內(nèi)部精心設(shè)計(jì)了流道與攪拌裝置，以促進(jìn)污水在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)與混合。合理設(shè)置進(jìn)水口與出水口位置，使污水形成特定的水流路徑，確保其與光催化劑充分接觸反應(yīng)。例如采用底部進(jìn)水、頂部出水的流動(dòng)模式，讓廢水垂直流過光電極和陰極，增強(qiáng)傳質(zhì)效果，減少反應(yīng)死區(qū)。同時(shí)，內(nèi)置的攪拌槳或曝氣裝置能夠使水體產(chǎn)生攪動(dòng)，一方面增加催化劑與污染物的碰撞幾率，另一方面為光催化反應(yīng)提供更多參與反應(yīng)的溶解氧，提升整體反應(yīng)效率。

三、污水處理中的應(yīng)用實(shí)例

（1）有機(jī)廢水處理

在印染廢水處理方面，某企業(yè)采用新型浸入式光催化反應(yīng)器，對(duì)含有多種有機(jī)染料的廢水進(jìn)行處理。該反應(yīng)器利用負(fù)載型 TiO?光催化劑，在可見光照射下，通過產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性自由基破壞染料分子的發(fā)色基團(tuán)，使廢水色度顯著降低。經(jīng)處理后，印染廢水的 COD（化學(xué)需氧量）去除率達(dá)到 80% 以上，色度去除率高達(dá) 95%，出水水質(zhì)達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。在制藥廢水處理中，針對(duì)廢水中含有的抗生素、有機(jī)中間體等難降解有機(jī)物，研究人員運(yùn)用新型反應(yīng)器結(jié)合復(fù)合光催化劑（如 AgCl/ZnO/g - C?N?）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在模擬太陽光照射下，該反應(yīng)器對(duì)實(shí)際制藥廢水中鹽酸四環(huán)素的去除率可達(dá) 82.23%，COD 和 TOC（總有機(jī)碳）去除率分別為 73.72% 和 75.59%，有效提高了制藥廢水的可生化性，為后續(xù)生物處理創(chuàng)造了有利條件。

（2）含重金屬離子廢水處理

對(duì)于含重金屬離子（如汞、鎘、鉛等）的廢水，新型浸入式光催化反應(yīng)器也展現(xiàn)出處理能力。光生電子具有還原性，可將高價(jià)態(tài)的重金屬離子還原為低價(jià)態(tài)或金屬單質(zhì)。在處理含汞廢水時(shí)，反應(yīng)器中的光催化劑在光照下產(chǎn)生的電子能夠?qū)?Hg2?還原為 Hg 單質(zhì)，通過后續(xù)的沉淀或過濾工藝可實(shí)現(xiàn)汞的有效去除。研究數(shù)據(jù)顯示，在特定條件下，該方法對(duì)汞離子的去除率能夠達(dá)到 90% 以上，顯著降低了廢水中重金屬離子的濃度，減輕了對(duì)環(huán)境的危害。

（3）農(nóng)村生活污水處理

在農(nóng)村地區(qū)，由于污水排放分散、水質(zhì)水量波動(dòng)大，傳統(tǒng)集中式污水處理設(shè)施難以有效覆蓋。一種漂浮型光催化網(wǎng)反應(yīng)器在農(nóng)村生活污水處理中得到應(yīng)用。該反應(yīng)器以聚氨酯海綿為載體負(fù)載 La - C?N?光催化劑，漂浮于污水表面。在室外光照條件下，對(duì)污水中的氮磷、COD 等污染物具有良好的去除效果。實(shí)驗(yàn)表明，其對(duì)濃度為 150mg/L 的 COD 降解率達(dá)到 95% 以上，對(duì)濃度為 2mg/L 的 TP（總磷）去除率達(dá)到 70% 以上，為農(nóng)村生活污水的就地處理提供了一種經(jīng)濟(jì)、便捷的解決方案。

四、優(yōu)勢(shì)分析

（1）高效降解污染物

新型浸入式光催化反應(yīng)器能夠產(chǎn)生多種強(qiáng)氧化性自由基，對(duì)污水中各類難降解有機(jī)污染物、重金屬離子等具有高效去除能力，可顯著降低污染物濃度，提高出水水質(zhì)，相比傳統(tǒng)處理工藝，對(duì)某些頑固污染物的去除率提升了 20% - 30%。

（2）綠色環(huán)保節(jié)能

該反應(yīng)器利用光能作為主要驅(qū)動(dòng)力，在常溫常壓下即可進(jìn)行反應(yīng)，無需額外的加熱或加壓設(shè)備，大大節(jié)省了能源消耗。同時(shí)，反應(yīng)過程不引入新的化學(xué)藥劑，避免了二次污染，符合綠色環(huán)保理念。

（3）適應(yīng)水質(zhì)變化能力強(qiáng)

由于光催化反應(yīng)的非選擇性，新型反應(yīng)器能夠適應(yīng)不同類型、成分復(fù)雜且水質(zhì)波動(dòng)較大的污水，無論是工業(yè)廢水、生活污水還是農(nóng)業(yè)尾水，都能發(fā)揮良好的處理效果，具有較強(qiáng)的普適性與穩(wěn)定性。

（4）設(shè)備緊湊，占地面積小

反應(yīng)器結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊，可根據(jù)實(shí)際處理需求進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)與組裝，在空間有限的場(chǎng)所（如城市老舊小區(qū)、農(nóng)村分散式污水處理點(diǎn)）也能方便安裝與使用，有效節(jié)省了占地面積。

五、挑戰(zhàn)與展望

      盡管新型浸入式光催化反應(yīng)器在污水處理中取得了顯著進(jìn)展，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，光催化劑的成本較高，限制了大規(guī)模推廣應(yīng)用；部分光催化劑的穩(wěn)定性和量子效率有待進(jìn)一步提高，以保證長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行與高效處理效果；反應(yīng)器的放大設(shè)計(jì)與工程化應(yīng)用過程中，還需解決光分布均勻性、傳質(zhì)效率優(yōu)化等問題。

      未來，隨著材料科學(xué)、光學(xué)技術(shù)與工程設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展，有望開發(fā)出成本更低、活性更高、穩(wěn)定性更強(qiáng)的光催化劑，進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與性能。同時(shí)，將光催化技術(shù)與其他傳統(tǒng)或新興污水處理技術(shù)（如生物處理、膜分離等）進(jìn)行耦合，構(gòu)建協(xié)同處理工藝，將成為提高污水處理效率、降低處理成本的重要研究方向。相信在不久的將來，新型浸入式光催化反應(yīng)器將在污水處理領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，為解決全球水污染問題提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

產(chǎn)品展示

      SSC-IMPCR100浸入式光催化反應(yīng)器，采用石英導(dǎo)光柱，端面特殊的光路結(jié)構(gòu)，浸入反應(yīng)溶液后，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光柱可以360°全面照射反應(yīng)液，與反應(yīng)液全面接觸，提高光子利用效率；解決了原有常規(guī)光反應(yīng)器反應(yīng)釜，揮發(fā)液體阻擋光路、光程過長(zhǎng)降低光照強(qiáng)度、多次界面反射等問題，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)液和光子的直接接觸和反應(yīng)。