Так же, как и в воздухе, в воде органические примеси, попав на поверхность частицы ТiO2, могут быть окислены до СО2 и Н2О. К настоящему времени показано, что в облучаемых суспензиях ТiO2 этому процессу подвержены практически любые органические соединения. Однако, как правило, характерные времена полного окисления составляют несколько часов, что частично связано с существенно более медленной диффузией органических молекул в воде, нежели в воздухе. Типичный ко-ффициент диффузии в воде составляет около 10-5 см2/с, что по крайней мере на четыре порядка меньше, чем в воздухе при нормальных условиях. По этой причине проточные реакторы с нанесенным ТiO2 малоэффективны. Использование суспензии ТiO2 технологически считается не совсем удобным, так как требует последующего удаления ТiO2 из потока. В принципе эти проблемы решаются, однако до сих пор не известны примеры практического использования проточных фотокаталитических реакторов с гетерогенным катализатором из ТiO2.

Наиболее перспективно использование ТiO2 для очистки сточных вод в накопительных резервуарах и отстойниках. Показано, что пестициды, используемые в сельском хозяйстве, в водоемах разрушаются в течение нескольких месяцев. Добавление небольших количеств безвредного ТiO2 позволяет сократить это время до нескольких дней без использования искусственных источников света, так как процесс идёт под действием солнечного света.

Существующие проточные реакторы для очистки воды от органических примесей используют гомогенные фотокатализаторы типа солей железа, при этом в воду добавляется и окислитель — перекись водорода. В общих чертах механизм действия такой системы можно описать следующим образом:

Fe2+ + H2O2→ Fe3+ + OH- + OH,

Fe2+ + OH →Fe3+ + OH-,

OH + H2O2 →HO2 + H2O,

HO2 + Fe3+ →Fe2+ + H+ + O2,

Раствор перекиси водорода и соли железа называют реагентом Фентона. Как видно, в ходе процесса разложения перекиси водорода образуется ОН-радикал, который является сильнейшим окислителем. Эта частица и ответственна за окисление органических соединений в растворе. Под действием света скорость процесса окисления может увеличиться в десятки и даже сотни раз; система носит название "Фото-Фентон". И хотя механизм действия света еще окончательно не понят, система уже нашла практическое применение из-за простоты, высокой эффективности и экономичности. В частности, технологическое оборудование для очистки сточных вод по методу "Фото-Фентон" поставляется фирмой "Calgon Carbon Oxidation Technologies", USA.