光電化學(xué)電解設(shè)備及用于該光電化學(xué)電解設(shè)備的電極板的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種污水處理裝置，特別是設(shè)及一種將光化學(xué)氧化技術(shù)、光催化氧化 技術(shù)和電催化氧化技術(shù)于一體并形成協(xié)同效應(yīng)的光電化學(xué)電解設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 世界性的環(huán)境污染與生態(tài)破壞使人們對(duì)高效、節(jié)能、無(wú)二次污染的環(huán)境治理技術(shù) 給予極大的關(guān)注。近年來(lái)，光催化氧化技術(shù)和電催化氧化技術(shù)作為有毒或難生物降解的有 機(jī)污染物的處理方法引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者持續(xù)的關(guān)注，運(yùn)兩種技術(shù)都具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作條 件容易控制、氧化能力強(qiáng)、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前環(huán)境污染控制領(lǐng)域中最為活躍的兩 個(gè)研究熱點(diǎn)，并顯示出廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 光催化技術(shù)是在半導(dǎo)體光催化劑的作用下，利用光能將污染物分解為無(wú)毒或毒性 較低的物質(zhì)的過(guò)程。基本原理是：當(dāng)半導(dǎo)體光催化劑受到能量大于禁帶寬度的光照射時(shí)，其 價(jià)帶上的電極受到激發(fā)，越過(guò)禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶，在價(jià)帶上留下帶正電的空穴，此光生空穴具有 極強(qiáng)氧化性，可W奪取水中的電子，生產(chǎn)氧化性很強(qiáng)的徑基自由基，徑基自由基能夠?qū)﹄姌O 表面附近的有機(jī)污染物進(jìn)行無(wú)選擇性的氧化，而且能發(fā)生所謂的"電化學(xué)燃燒"過(guò)程將有機(jī) 物徹底氧化為C〇2和水；但在實(shí)際應(yīng)用中，光催化氧化過(guò)程需要通入電子捕獲劑，用于捕獲 光生電子，才能有效快速氧化降解有機(jī)物，常用的電子捕獲劑是氧氣。
[0004] 從工程角度出發(fā)，光催化處理有機(jī)廢水通常采用兩種反應(yīng)系統(tǒng)：
[0005] 一種是懸浮光催化劑水處理系統(tǒng)，即將粉體狀光催化劑材料分散于污水中，再施 加光福射，因光催化劑與有機(jī)污染物接觸面積大，表現(xiàn)出良好的光催化氧化效率，多數(shù)情 況下可W將有機(jī)物徹底礦化。然而，懸浮相粉體材料存在著難W回收、容易中毒等缺點(diǎn)；運(yùn) 些缺點(diǎn)使得該體系難W成為一項(xiàng)實(shí)用的技術(shù)。
[0006] 另一種是固定化系統(tǒng)，即將光催化劑固化到適當(dāng)載體上，再施加W光福射，該系統(tǒng) 還可借助于外加電場(chǎng)提高光催化反應(yīng)效率；其原理是：在光催化體系中外加電場(chǎng)可W在光 電極內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)電位梯度，使得光生電子在電場(chǎng)作用下遷移到對(duì)電極，載流子得W分離， 減少"電子-空穴"的重新復(fù)合，運(yùn)樣就能在半導(dǎo)體中維持較高的空穴濃度，有利于充分發(fā) 揮光生空穴的氧化作用，從而提高光催化反應(yīng)的效率。固定化技術(shù)克服了懸浮相體系中光 催化劑難回收的缺點(diǎn)，并借助外電場(chǎng)來(lái)抑制"電子-空穴"的簡(jiǎn)單復(fù)合，相對(duì)來(lái)說(shuō)實(shí)用性更 強(qiáng)。但負(fù)載后催化劑的比表面積減小而帶來(lái)的量子效應(yīng)和表面和界面效應(yīng)減弱等問(wèn)題仍懸 而未決。
[0007] 電催化技術(shù)是指在外電場(chǎng)的作用下使電極、電解質(zhì)界面上的電荷轉(zhuǎn)移加速反應(yīng)的 一種催化作用，所選用的電極材料在通電過(guò)程中具有催化劑的作用，從而改變電極反應(yīng)速 率或反應(yīng)方向，而其本身并不發(fā)生質(zhì)的變化；即電催化作用包含電極反應(yīng)和催化作用兩個(gè) 方面，因此電催化電極必需同時(shí)具有運(yùn)兩種功能：①能導(dǎo)電和比較自由地傳遞電子；②能 對(duì)反應(yīng)底物進(jìn)行有效的催化活化作用。
[0008] 在電催化過(guò)程必可避免陽(yáng)極有氧氣的析出，在單一的電催化氧化降解有機(jī)物中， 氧氣的析出被認(rèn)為是副反應(yīng)，浪費(fèi)電能；因?yàn)殛?yáng)極電解析出的氧氣的氧化能力遠(yuǎn)不如徑基 自由基、雙氧水和臭氧，因此，陽(yáng)極析出的氧氣大部分析出到空氣中，運(yùn)就是等于浪費(fèi)電能。 為了抑制析氧副反應(yīng)的發(fā)生，通常采用高析氧過(guò)電位的電極材料，如沒(méi)有電催化活性的二 氧化錫/鐵基陽(yáng)極，二氧化鉛陽(yáng)極，或者是滲雜棚的金剛石電極材料；運(yùn)類材料的析氧過(guò) 電位高，因此能有效減少析氧副反應(yīng)發(fā)生，提高了電解效率。但運(yùn)類材料的陽(yáng)極的使用導(dǎo)致 槽壓高，實(shí)際能耗還是很高，因此并沒(méi)有根本上解決能耗的問(wèn)題。另外，電催化主要是將有 機(jī)物降解成小分子的有機(jī)物，很難將有機(jī)物徹底降解成二氧化碳和水。
[0009] 光化學(xué)氧化也是常用的一種有機(jī)廢水處理方法。光化學(xué)氧化是在光的作用下發(fā)生 的化學(xué)反應(yīng)。光化學(xué)反應(yīng)需要有機(jī)分子吸收特定波長(zhǎng)的電磁福射，受激發(fā)、產(chǎn)生分子激發(fā) 態(tài)，之后才會(huì)發(fā)生化學(xué)變化到另外一個(gè)穩(wěn)態(tài)，或者變成引發(fā)熱反應(yīng)的中間化學(xué)產(chǎn)物。光化學(xué) 氧化技術(shù)存在W下不足：（1)在紫外光照射下，某些有機(jī)物能直接分解成小分子有機(jī)物或 者是二氧化碳和水，但只能針對(duì)少部分有機(jī)物才有效，且光降解有機(jī)物的效率較低；（2)通 常，光化學(xué)氧化技術(shù)需要加入臭氧、過(guò)氧化氨等作為氧化劑，過(guò)氧化氨在紫外光照射下能轉(zhuǎn) 變成氧化性能更強(qiáng)的徑基自由基，使污染物在紫外光照射下氧化分解。
[0010] 綜上所述，各種方法單一使用時(shí)均存在一定的局限性。因此，如何將各氧化技術(shù)聯(lián) 合應(yīng)用并形成協(xié)同效應(yīng)，保證水質(zhì)處理效果，是當(dāng)今難降解有機(jī)物廢水處理的研究方向。
[0011] 現(xiàn)市出上出現(xiàn)了采用光化學(xué)氧化和電催化氧化協(xié)同處理的裝置，如中國(guó)發(fā)明專 利，2004年2月25日公開(kāi)的公開(kāi)號(hào)為CN1477061A的光電協(xié)同高效凈化飲用水的技術(shù)及裝 置，其包括有集成的光解電解的一體化反應(yīng)器、紫外燈、作為電解陽(yáng)板的網(wǎng)孔材料的內(nèi)筒筒 體和作為電解陰極的反應(yīng)器的外筒筒體，利用紫外燈發(fā)出的紫外光的光解和電極電解的聯(lián) 合作用，通過(guò)產(chǎn)生具有協(xié)同增效作用的凈水效應(yīng)，可迅速有效降解水中的有機(jī)污染物。然 而，經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該裝置對(duì)污水的處理效果還是不太理想；從實(shí)施例二可W看出，該裝置對(duì) 有機(jī)碳的去除率W及對(duì)五氯酪的處理效果都較低；并受該裝置的整體結(jié)構(gòu)限制，存在W下 幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題：（1)采用圓筒套圓筒的結(jié)構(gòu)，單個(gè)電解槽中能夠受到光照的陽(yáng)極面積受限， 僅為圓柱形陽(yáng)極的內(nèi)表面；（2)所選用的陽(yáng)極材料為單一功能的材料，如二氧化釘/鐵基電 極、二氧化鉛/鐵基電極為電催化陽(yáng)極，不具有光催化活性；二氧化鐵/鐵基電極為惰性電 極，具有光催化性能，而不具備電催化活性；(3)陰極采用不誘鋼或石墨材料，沒(méi)有光催化 性能；因此公開(kāi)號(hào)為CN1477061A的專利所公開(kāi)的該設(shè)備的處理效果略差。
[0012] 有鑒于此，本發(fā)明人對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行深入研究，遂于本案產(chǎn)生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的在于提供一種光電化學(xué)電解設(shè)備，其可將光化學(xué)氧化技術(shù)、光催化 氧化技術(shù)和電催化氧化技術(shù)于一體，并使之形成協(xié)同效應(yīng)，具有降解速度快，效率高，結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)易的優(yōu)點(diǎn)。
[0014] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于該光電化學(xué)電解設(shè)備的電極板，其與紫外燈 配合使用時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)將光化學(xué)氧化技術(shù)、光催化氧化技術(shù)和電催化氧化技術(shù)于一體，并使 之形成協(xié)同效應(yīng)，對(duì)污水的降解速度快，且效率高。
[0015] 為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案是：
[0016] 光電化學(xué)電解設(shè)備，包括電解槽及設(shè)于電解槽內(nèi)的石英管、紫外燈和電極板，該紫 外燈豎立于該石英管內(nèi)，該電解槽上設(shè)置有污水進(jìn)口和處理水出口；上述電極板設(shè)置有若 干片，各電極板平放設(shè)置，并呈由上而下間隔排列，每一電極板具有對(duì)半設(shè)置的陽(yáng)極部和陰 極部，上述電極板的第一半部位表面上涂覆有具有電催化活性的金屬氧化物涂層，此電極 板的第一半部位為上述陽(yáng)極部，上述電極板的第二半部位的表面涂覆有具有光催化活性 的半導(dǎo)體光催化劑涂層，上述電極板的第二半部位為上述陰極部；上下設(shè)置的兩電極板中 處于上方的電極板的陽(yáng)極部