專利名稱：一種用于高效評(píng)價(jià)光電催化反應(yīng)效率的水力波輪盤反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明裝置涉及一種用于高效光電催化聯(lián)用技術(shù)評(píng)價(jià)研究的水力波輪盤反應(yīng)器，主要用于光催化、電催化以及光電催化聯(lián)用中光催化劑活性測(cè)試、動(dòng)力學(xué)因素考察以及反應(yīng)機(jī)理分析。背景介紹隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)化和城市化程度的不斷提高，我國水資源短缺與水污染問題日益突出，嚴(yán)重影響了人民的生活質(zhì)量和身體健康，制約著我國社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。目前常見的水污染控制手段包括有化學(xué)法、吸附法、生物法等。可見光催化技術(shù)因具有二次污染少、反應(yīng)條件溫和、操作簡(jiǎn)便、能耗低等優(yōu)點(diǎn)而倍受關(guān)注，是水污染控制化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中一項(xiàng)重要的高級(jí)氧化技術(shù)。隨著環(huán)境與能源問題的凸顯，直接利用太陽能中可見光催化進(jìn)行水處理被認(rèn)為是價(jià)廉、高效、環(huán)境友好的技術(shù)之一。 近年來，可見光催化劑由于具有較強(qiáng)的太陽能吸收利用能力，逐漸成為新型光催化劑的研究熱點(diǎn)。光催化劑作為半導(dǎo)體，具有特殊的外層電子結(jié)構(gòu)，在紫外光照射下可以產(chǎn)生“空穴”效應(yīng)?？梢姽獯呋瘎┰诳梢姽獠ㄩL(zhǎng)范圍內(nèi)有明顯的吸收，光催化活性較好，性質(zhì)穩(wěn)定。通過調(diào)節(jié)制備和改性方法，可以顯著提高其可見光吸收能力，抑制光生電子和空穴復(fù)合，從而進(jìn)一步提高其光催化性能。然而，現(xiàn)有可見光催化劑的光利用效率不高，光能轉(zhuǎn)化率較差，而且現(xiàn)有的多種可見光催化劑為粉末材料，經(jīng)過水處理應(yīng)用之后，無法回收利用。因此，可見光催化劑在水污染控制領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用受到一定限制。迄今為止，大量研究揭示出制約可見光催化過程中光能轉(zhuǎn)化效率的主要問題之一是量子效率太低，反應(yīng)速率不高。近年來有研究者從光源的合理利用、光催化劑的制備與摻雜、催化劑固定化等方面進(jìn)行了大量研究。此外，還有采用電化學(xué)輔助的光催化方法，或稱光電催化方法，以阻止光生電子和空穴發(fā)生簡(jiǎn)單復(fù)合以提高量子效率。外加電場(chǎng)的存在可延長(zhǎng)TiO2的空穴電子復(fù)合時(shí)間，增強(qiáng)“空穴”效應(yīng)，增加紫外光利用率，從而生成較多的氫氧自由基。但是在以往的研究中，人們多注重TiO2光陽極對(duì)光催化過程量子效率提高的促進(jìn)作用，而很少關(guān)注其對(duì)光電催化傳質(zhì)過程的促進(jìn)作用。目前，光電催化處理污水存在的問題有1)光催化劑粒徑一般為納米級(jí)，在水處理過程中，若將光催化劑投入污水中應(yīng)用，處理后很難將催化劑與水分離；2)曝氣、紫外燈和電解電源的使用導(dǎo)致處理過程中存在一定能耗；3)由于傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)限制，在電極表面會(huì)產(chǎn)生濃差極化，降低光電效率；此外，其主要問題還在于，4)液固界面的傳質(zhì)和透光阻力依然較大，光能利用效率和產(chǎn)物擴(kuò)散過程反應(yīng)速率還有待提聞。水力波輪盤光電催化反應(yīng)裝置利用固定化光催化劑的波輪盤兼做光催化和電催化的反應(yīng)介質(zhì)，能解決光催化劑與水分離困難的問題；同時(shí)由于波輪盤面可滾動(dòng)于水面的特點(diǎn)，在波輪盤面上構(gòu)造一層極薄的水膜，使得光催化劑表面的傳質(zhì)膜厚度得到有效降低，從而提供光電極活化面積和傳質(zhì)速率以提高光催化量子效率。此外，波輪盤可以直接通電構(gòu)成電催化陽極，一方面不斷產(chǎn)生氫氧自由基使之用于降解污染物，另一方面與光催化體系協(xié)同，強(qiáng)化光催化處理污染物的效率。因此，該反應(yīng)裝置適用于含持久性有機(jī)污染物，特別是難降解痕量有機(jī)污染物工業(yè)污水的高效模擬處理，以此對(duì)光催化、電催化以及光電催化聯(lián)用中光催化劑活性進(jìn)行快速測(cè)試評(píng)價(jià)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高效評(píng)價(jià)光電催化反應(yīng)效率的水力波輪盤反應(yīng)器，即一種光電催化處理水中有機(jī)污染物的裝置，它是利用光催化、電催化的聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)對(duì)水中有機(jī)污染物的高效降解。這樣的聯(lián)合作用能提高降解過程所需的氫氧自由基濃度，進(jìn)而提高有機(jī)污染物 的降解效率。該光電化學(xué)反應(yīng)裝置可有效地將水中有機(jī)污染物降解為毒性較低的小分子有機(jī)物或無機(jī)物，處理迅速、凈化效率高，且無二次污染問題。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種處理難降解有機(jī)污染物的光電催化裝置，包括一體式反應(yīng)槽、負(fù)載光催化劑波輪盤及其固定化金屬管、固定電極板、氙燈光源、恒電位儀直流電源、進(jìn)水管、出水管以及金屬導(dǎo)線等；所述的一體式反應(yīng)槽為聚四氟乙烯材質(zhì)；所述的負(fù)載光催化劑波輪盤及其固定化金屬管和固定電極板材質(zhì)為純鈦；所述的氙燈光源為市售型號(hào)，管狀，功率500瓦，波長(zhǎng)范圍為340-1900nm ;反應(yīng)時(shí)，含有污染物的反應(yīng)液由進(jìn)水管流過一體式反應(yīng)槽，帶動(dòng)波輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)，在光電催化的共同作用下，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化，凈化后的反應(yīng)液由出水口流出。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是將負(fù)載光催化劑波輪盤反應(yīng)器與電化學(xué)反應(yīng)器合二為一，不僅使反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)緊湊合理，更重要的是電化學(xué)反應(yīng)和光催化反應(yīng)能有機(jī)結(jié)合，以電催化強(qiáng)化光催化作用，且光催化波輪盤可帶動(dòng)反應(yīng)液附著于盤面，形成水膜強(qiáng)化了傳質(zhì)效率，從而實(shí)現(xiàn)高效降解水中有機(jī)污染物。具體優(yōu)點(diǎn)為1)負(fù)載光催化劑波輪盤可同時(shí)起到光催化劑載體和電催化極板的作用；2)負(fù)載光催化劑波輪盤在操作過程中隨水流運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)反應(yīng)液形成水膜，強(qiáng)化了傳質(zhì)效率、提高了光能利用率；3)實(shí)現(xiàn)了光催化和電催化的協(xié)同作用，以電輔助光催化，實(shí)現(xiàn)了污染物的高效凈化。因此，本發(fā)明能快速徹底去除水中有機(jī)污染物，且毋須添加化學(xué)試劑，環(huán)境友好，無二次污染，處理效率高，凈化深度大，是全面、協(xié)調(diào)、可連續(xù)進(jìn)行有機(jī)污染廢水處理的裝置或?qū)嶒?yàn)室評(píng)價(jià)裝置。


圖I為本發(fā)明反應(yīng)器主要配件的結(jié)構(gòu)示意圖圖中1- 一體式反應(yīng)槽；2_負(fù)載光催化劑波輪盤；3_固定電極板；圖2為本發(fā)明反應(yīng)器搭載一組波輪盤(單排7片)的裝配示意圖圖中1-一體式反應(yīng)槽；2-負(fù)載光催化劑波輪盤；3-固定電極板；4-氣燈光源；5-恒電位儀直流電源；6_進(jìn)水管；7-出水管。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。如圖所示，本發(fā)明的一個(gè)可行實(shí)施例，用于高效評(píng)價(jià)光電催化反應(yīng)效率的水力波輪盤反應(yīng)器，該裝置主體為一體式反應(yīng)槽1，槽兩側(cè)平行開孔(2X7個(gè)，Φ2_)，用于安裝不銹鋼轉(zhuǎn)軸(2X7個(gè)，Φ2πιπι，長(zhǎng)210mm)。負(fù)載光催化劑波輪盤2以冷縮法緊固于鈦管(Φ 3 X 1mm，長(zhǎng)200mm)外特定位置后，以不銹鋼轉(zhuǎn)軸穿過，固定于一體式反應(yīng)槽I內(nèi)。根據(jù)波輪盤位置調(diào)整并固定固定化電極板3位置，使二者平行間距在10-20mm之間。固定氙燈光源4于反應(yīng)槽正上方，距離波輪盤間距50mm。固定化電極板和不銹鋼轉(zhuǎn)軸分別連接恒電位儀直流電源5的正負(fù)兩極。進(jìn)水管6注入含污染物反應(yīng)液，反應(yīng)液液面不斷上升，當(dāng)出水管7溢流時(shí)，啟動(dòng)氙燈光源4和恒電位儀直流電源5，開始水處理操作。實(shí)施例I負(fù)載光催化劑波輪盤的光催化劑負(fù)載化方法。具體包括如下步驟先將固定光催化劑用波輪盤在60°C，質(zhì)量濃度為20%的氫氧化鈉溶液中清洗，以除去油污，然后在溫?zé)釢庀跛崛芤褐懈g直至表層TiO2去除，并暴露出金屬鈦表面，而后用脫氧水反復(fù)沖洗，作為電鍍陽極，置于氯化鉛和氫氧化鈉的電鍍液中，與等面積的空白鈦板形成電鍍的陰陽兩極，控制電流恒定為10mA，持續(xù)電鍍I小時(shí)后以脫氧水沖洗。所得波輪盤浸入含硝酸鉍質(zhì)量濃度14%，鈦酸四丁酯質(zhì)量濃度2. 7%的正丁醇溶液，浸潰5分鐘后緩慢提拉出液面，烘干后置于450°C的馬弗爐內(nèi)焙燒3小時(shí)，而后再次浸潰，焙燒，重復(fù)操作6次，即得具有可見光催化能力的負(fù)載光催化劑波輪盤。 實(shí)施例2以該裝置對(duì)含混合氯酚污染物的模擬工業(yè)有機(jī)廢水進(jìn)行凈化處理。進(jìn)水參數(shù)為混合氯酚濃度105毫克/升，進(jìn)水COD值270毫克/升，TOC值105毫克/升?？刂齐娏鲝?qiáng)度為10mA，進(jìn)水速率為50毫升/分鐘，在出水口定時(shí)采樣，并以紫外可見分光光度法分析氯酚濃度、以重鉻酸鉀消減法分析COD濃度、催化燃燒法分析TOC值。結(jié)果表明，經(jīng)過I小時(shí)穩(wěn)定期后，出水指標(biāo)穩(wěn)定在混合氯酚濃度4. 6毫克/升，COD值78. 4毫克/升，出水TOC濃度22. 6毫克/升，達(dá)到了較好的去除效果。
權(quán)利要求
1.一種高效評(píng)價(jià)光電催化反應(yīng)效率的水力波輪盤反應(yīng)器，包括一體式反應(yīng)槽、負(fù)載光催化劑波輪盤及其固定化金屬管、固定電極板、氙燈光源、恒電位儀直流電源、進(jìn)水管、出水管以及金屬導(dǎo)線等；該裝置主體為一體式反應(yīng)槽，槽兩側(cè)平行開孔，用于安裝不銹鋼轉(zhuǎn)軸；負(fù)載光催化劑波輪盤以冷縮法緊固于鈦管外特定位置后，以不銹鋼轉(zhuǎn)軸穿過，固定于一體式反應(yīng)槽內(nèi)；根據(jù)波輪盤位置調(diào)整并固定固定化電極板，使二者平行間距在10-20mm之間；固定氙燈光源于反應(yīng)槽正上方，距離波輪盤間距50mm ;固定化電極板和不銹鋼轉(zhuǎn)軸分別連接恒電位儀直流電源的正負(fù)兩極；進(jìn)行水處理操作時(shí)，進(jìn)水管注入含污染物反應(yīng)液，反應(yīng)液液面不斷上升，當(dāng)出水管溢流時(shí)，啟動(dòng)氙燈光源和恒電位儀直流電源，開始水處理操作。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于所述一體式反應(yīng)槽的材質(zhì)為聚四氟乙烯；負(fù)載光催化劑波輪盤及其固定化金屬管和固定電極板的材質(zhì)均為純鈦。
3.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于利用具有光催化效力和電催化效力的負(fù)載光催化劑波輪盤在水力帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)光電催化協(xié)同處理有機(jī)廢水。
4.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于氙燈光源采用波長(zhǎng)范圍為340-1900nm的500瓦氣燈。
5.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于所述裝置的電催化操作電流控制為恒定IOmA0
全文摘要
一種高效評(píng)價(jià)光電催化反應(yīng)效率的水力波輪盤反應(yīng)器，具體來說是一種以水力波輪的方式實(shí)現(xiàn)電輔助光催化處理水中有機(jī)污染物的反應(yīng)器，屬于水污染控制技術(shù)領(lǐng)域。該反應(yīng)裝置主要由一體式反應(yīng)槽、負(fù)載光催化劑波輪盤及其固定化金屬管、固定化電極板、氙燈光源、恒電位儀直流電源等構(gòu)成。此裝置利用光催化作用氧化或還原水中有機(jī)污染物，并借助電場(chǎng)作用強(qiáng)化光催化效率，并利用電場(chǎng)所產(chǎn)生的活性基團(tuán)與光催化發(fā)生協(xié)同作用。該反應(yīng)器的特點(diǎn)在于可借助水力在水面以上部分的波輪表面形成水膜，以強(qiáng)化傳質(zhì)效率，從而實(shí)現(xiàn)高效降解水中有機(jī)污染物。該反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、處理效率高，適用于含難降解有機(jī)污染物廢水的快速處理，環(huán)境友好，方便快捷，可用于實(shí)驗(yàn)室相關(guān)研究過程的評(píng)價(jià)和小型水處理工藝的實(shí)施。
文檔編號(hào)C02F1/32GK102826631SQ20121033242
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月11日
發(fā)明者牛軍峰, 代云容, 殷立峰, 丁士元, 包月平, 沈珍瑤 申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)