CN100335161C - 光电催化薄层微型反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光电催化薄层微型反应器，由两块聚四氟乙烯板以及薄层聚四氟乙烯垫片构成平面夹层式结构的池体，其中一块聚四氟乙烯板的内表面安装铂网对电极，并开有电极卡槽及参比电极Ag/AgCl的插孔，一体化的钛阳极和钛基TiO2纳米管阵列薄膜安装在电极卡槽上，另一块聚四氟乙烯板上开设石英窗口并布设分析试液的入口和出口，薄层聚四氟乙烯垫片中央的空腔构成薄层反应器的有效容积，池体石英窗口的外侧设置紫外光源。本发明可用于在水质分析中测定水中化学需氧量，一体化的钛阳极和TiO2纳米管阵列薄膜结合牢固，有利于光电催化有机物的氧化，反应器稳定性高，再现性好，测量COD准确度高。

Description

光电催化薄层微型反应器
技术领域
本发明涉及一种光电催化薄层微型反应器，尤其涉及一种金属钛片阳极与TiO2纳米管阵列薄膜一体化的光电催化薄层微型反应器，可用于在水质分析中测定水中化学需氧量。属于微型反应器技术领域。
背景技术
微型反应器具有样品需要量少、反应时间短、过程易于监测等特点，适用于化学、化工反应过程机理的研究以及物质组分的分析等。目前微型反应器应用较多的是夹层式薄层微型反应器，并广泛应用于电化学分析和光谱分析中，如公开号为CN85108081B的中国专利公开了一种“薄层电池”，该薄层电池具有夹层式薄层微型结构，应用于电化学分析的微量分析中；公开号为CN1104645C的中国专利和公开号为CN1445540A的中国专利分案也公开了一种“电化学电池”，将具有夹层式薄层微型结构的电化学电池，用于某些有机物的电化学分析中。在光谱分析方面，文献也报道了大量的基于夹层式薄层微型反应器的光谱分析应用，如焦奎等人在《青岛化工学院学报》2001，22：201-208“紫外可见薄层光谱电化学”一文中较为详尽的介绍了薄层光谱电化学池的结构和应用。光电催化技术作为一种新技术近年来已应用于污染物的降解催化和化学分析之中，但是适合于光电催化应用的微型反应器极为少见，目前仅查阅到Zhao Hui jun等人发表在《Analytica Chemica Acta》2004，514：89-97“Photoelectrochemicaldetermination of chemical oxygen demand based on an exhaustivedegradation model in a thin-layer cell”和《Analytical Chemistry》2004，76：155-160“Development of a direct photoelectrochemical method fordetermination of chemical oxygen demand”的论文中使用了光电催化微型反应器氧化有机物，并将其应用于化学需氧量的测定。采用光电催化微型反应器氧化有机物，时间短、效率高，测定化学需氧量准确度高，但是该微型反应器由于采用了导电玻璃作为阳极，导电玻璃表面的纳米TiO2薄膜作为光催化剂，导电玻璃表面与纳米TiO2之间电子传递阻力大，薄膜易开裂、脱落，而影响了微型反应器的稳定性和光电催化效果。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种光电催化薄层微型反应器，具有稳定性高，再现性好的特点，可用于在水质分析中测定水中化学需氧量，测量准确度高。
为实现这一目的，本发明的光电催化薄层微型反应器采用平面夹层式结构，池体由两块聚四氟乙烯板以及薄层聚四氟乙烯垫片构成，其中一块聚四氟乙烯板的内表面安装铂网对电极，并开有电极卡槽及参比电极Ag/AgCl的插孔，一体化的钛阳极和TiO2纳米管阵列薄膜安装在电极卡槽上，另一块聚四氟乙烯板上开设石英窗口并布设分析试液的入口和出口。紫外光源通过石英窗口照射至TiO2纳米管阵列薄膜上，通过读取有机物完全光电催化氧化时所消耗的库仑电量值，即可从库仑电量值和COD的响应曲线直接得出水中COD值。
本发明的具体结构为：光电催化薄层微型反应器由聚四氟乙烯板、一体化的钛阳极及钛基TiO2纳米管阵列薄膜、薄层聚四氟乙烯垫片、聚四氟乙烯板和紫外光源等部分依次组装而成。两块聚四氟乙烯板以及薄层聚四氟乙烯垫片粘合密封构成平面夹层式结构的池体，其中一块聚四氟乙烯板的内表面安装铂网对电极，并开有电极卡槽及参比电极Ag/AgCl的插孔，一体化的钛阳极和钛基TiO2纳米管阵列薄膜安装在电极卡槽上。另一块聚四氟乙烯板上开设石英窗口，并在石英窗口的两侧布设分析试液入口和分析试液出口。薄层聚四氟乙烯垫片中央的空腔构成薄层反应器的有效容积，液层的厚度和试液的体积取决于薄层聚四氟乙烯垫片的厚度和空腔的大小。池体石英窗口的外侧设置紫外光源。
本发明中钛基TiO2纳米管阵列薄膜的管径为20～100nm。薄层聚四氟乙烯垫片的厚度为0.1～0.2mm，薄层聚四氟乙烯垫片空腔平面面积0.7～2cm2。
本发明所述钛基TiO2纳米管阵列薄膜是由金属钛片导电基体和基体上的TiO2纳米管阵列薄膜或者基体上修饰的TiO2纳米管阵列薄膜构成，钛基金属直接作为阳极，TiO2纳米管阵列薄膜作为光催化剂。
本发明所述的TiO2纳米管阵列薄膜可由金属钛片在含有氢氟酸的水溶液中阳极氧化、高温烧结制备得到，其特征是该薄膜与金属钛基导体一体化。
本发明所述修饰的TiO2纳米管阵列薄膜是指经由公有TiO2薄膜修饰技术修饰的TiO2纳米管阵列薄膜，这些公有TiO2膜修饰技术可以是TiO2膜薄表面贵金属沉积技术或者阴离子掺杂技术或者阳离子掺杂技术。
本发明所述的光电催化薄层微型反应器可用于在水质分析中测定COD含量，具体方法是：向薄层微型反应器中注入不同COD标准溶液，以惰性无机盐为电解质，在钛阳极上施加偏电压，同时打开紫外光源，紫外光由池体一侧预留的石英窗口照射至池内的TiO2纳米管阵列薄膜上。每隔一定时间读一次有机物完全光电催化氧化时所消耗的库仑电量值，平行进行若干次，得库仑电量值和COD的响应曲线，在相同的工作曲线下，测定水样的COD值时，只需根据库伦电量读数值即可直接得出水中COD值。
本发明提供的光电催化薄层微型反应器，其金属钛片基体与TiO2纳米管阵列薄膜一体化，结合牢固，有利于光电催化过程中电子与空穴的分离，有利于光电催化有机物的氧化，薄层微型反应器稳定性高，再现性好，COD测量准确度高。
附图说明
图1为本发明的光电催化薄层微型反应器的结构示意图。
图1中，1、聚四氟乙烯板2、钛阳极3、钛基TiO2纳米管阵列薄膜4、聚四氟乙烯垫片5、聚四氟乙烯板6、紫外光源7、电极卡槽8、铂网对电极9、参比电极插孔10、石英窗口11、分析试液入口12、分析试液出口。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
图1为本发明的光电催化薄层微型反应器的结构示意图。如图1所示，光电催化薄层微型反应器由聚四氟乙烯板1、一体化的钛阳极2及钛基TiO2纳米管阵列薄膜3、薄层聚四氟乙烯垫片4、聚四氟乙烯板5和紫外光源6等部分依次组装而成。两块聚四氟乙烯板1和5以及薄层聚四氟乙烯垫片4粘合密封构成平面夹层式结构的池体，其中一块聚四氟乙烯板1的内表面安装铂网对电极8，并开有电极卡槽7及参比电极Ag/AgCl的插孔9，一体化的钛阳极2和钛基TiO2纳米管阵列薄膜3安装在电极卡槽7上，钛基TiO2纳米管阵列薄膜3的管径为20～100nm。另一块聚四氟乙烯板5上开设石英窗口10，并在石英窗口10的两侧布设分析试液入口11和分析试液出口12。薄层聚四氟乙烯垫片4厚度为0.1～0.2mm，垫片4中央的空腔构成了薄层反应器的有效容积，空腔平面面积0.7～2cm2。池体石英窗口10的外侧设置紫外光源6。
反应器工作时，向薄层微型反应器中注入不同COD标准溶液，以惰性无机盐为电解质，在钛阳极2上施加偏电压，同时打开紫外光源6，紫外光源6的紫外光通过聚四氟乙烯板5上预留的石英窗口10，照射至钛基TiO2纳米管阵列薄膜3的表面上，每隔一定时间读一次有机物完全光电催化氧化时所消耗的库仑电量值，平行进行若干次，得库仑电量值和COD的响应曲线，在相同的工作曲线下，测定水样的COD值时，只需根据库伦电量读数值即可直接得出水中COD值。

Claims (4)

1、一种光电催化薄层微型反应器，其特征在于由两块聚四氟乙烯板(1、5)以及位于两块聚四氟乙烯板之间的薄层聚四氟乙烯垫片(4)粘合密封，构成平面夹层式结构的池体，其中一块聚四氟乙烯板(1)的内表面安装铂网对电极(8)，并开有电极卡槽(7)及参比电极Ag/AgCl的插孔(9)，一体化的钛阳极(2)和钛基TiO2纳米管阵列薄膜(3)安装在电极卡槽(7)上，另一块聚四氟乙烯板(5)上开设石英窗口(10)，石英窗口(10)的两侧布设分析试液入口(11)和分析试液出口(12)，薄层聚四氟乙烯垫片(4)中央的空腔构成薄层反应器的有效容积，池体石英窗口(10)的外侧设置紫外光源(6)。
2、根据权利要求1的光电催化薄层微型反应器，其特征在于所述薄层聚四氟乙烯垫片(4)的厚度为0.1～0.2mm，薄层聚四氟乙烯垫片(4)中央的空腔平面面积为0.7～2cm2。
3、根据权利要求1的光电催化薄层微型反应器，其特征在于所述钛基TiO2纳米管阵列薄膜(3)的管径为20～100nm。
4、一种权利要求1的光电催化薄层微型反应器的应用，其特征在于用于在水质分析中测定水中化学需氧量。
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