CN101486499B - 一种太阳能光电催化氧化水中有机物的装置 - Google Patents
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Abstract
一种太阳能光电催化氧化水中有机物的装置，属于环境化工光催化高级氧化水处理技术领域。具体来说是一种直接利用太阳光中的紫外和可见光的光电催化有机水处理装置。该反应装置主要由装置壳体1、太阳能光催化阳极2、碳材料阴极3、钛基掺锑二氧化锡阳极4、折流挡板10构成。装置内设置的多个平行折流挡板10使该反应装置具有板式塔水处理装置之功效，且挡板的多少可依据废水入口浓度及出水水质要求设计计算而定。该反应装置结构简单，直接利用了清洁可再生的太阳能以及清洁的电能，特别适合于水中反应速率控制型即难氧化有机物的处理，氧化效率高，绿色环保。
Description
技术领域
本发明一种太阳能光电催化氧化水中有机物的装置，属于环境化工光催化氧化水处理技术领域。具体来说是公开一种能利用太阳光中的紫外和可见光的光电催化有机水处理装置。
背景技术
20世纪中叶以来，随着工业的迅猛发展，产生了大量的自然界不曾存在的非生命有机物，其中多数为难降解持久性有毒有机物，对生态环境与人类生存构成极大威胁。光催化技术是处理水中持久性有毒有机污染物的有效方法之一，其中利用TiO2光催化降解有机污染物是国际上该领域研究最多的课题，如西班牙的PSA(Plataforma Solar de Almeria)欧洲最大的太阳能应用实验室(www.psa.es)，太阳能技术示范应用之一便是太阳能光催化降解水中有害有毒有机物如氯化物、杀虫剂、颜料等；美国国家再生能源实验室(National RenewableEnergy Laboratory)也建立了地下水三氯乙烯污染去除的光催化工程示范。但TiO2只能吸收波长小于387nm的紫外光，在可见光照射下没有光催化活性，这就限制了TiO2在实际中的广泛应用。因太阳光中紫外光只占4％左右，而人造紫外光源又耗电大，设备昂贵，稳定性差等，因此研制新的光催化剂使得它能够吸收太阳光中的可见光，利用空气中的氧作为氧化剂，有效地降解有毒有机污染物成为光催化领域关键的科学难题(Malato S，Blanco J，Vidal A，et al.，AppliedCatalysis B：Environmental，2002，37：1-15；Hincapie M，Maldonado M I，Oller I，etal.，Catalysis Today，2005，101：203-210；http://www.cas.ac.cn/html/Dir/2004/05/14/4646.htm；冯彩霞，金振声，赵进才等，感光科学与光化学，2004，22(4)：272-276)。中国专利CN1263686C中提供了一种光电催化氧化处理水中有机物的装置，具体来说是一种流化床光电催化有机水处理装置，所用光源为254nm紫外灯；CN1238264C提出了一种连续循环流式固定床三维电极光电催化反应器及其处理有机废水的方法，建立了一个连续循环流式三维电极-固定床光电催化反应器，所用光源为紫外灯，通过施加超过污染物氧化电位的较高的电压，充分发挥了光、电二者协同催化氧化的效率。CN1315737C公开了一种太阳能固定膜光催化氧化水处理装置，涉及一种太阳能TiO2光催化氧化水处理装置，主要是利用了太阳中的紫外光，用于饮用水的深度处理和高纯水的制备或有毒有害高浓度难降解有机废水的处理。上述专利主要缺点是未能利用太阳光中存在的大量可见光，太阳辐射能量的最大值在电磁波谱的可见光范围(400-800nm)，它们占总发射能量的45-50％，紫外光(200-400nm)仅占4-5％，红外辐射(0.8-4.0μm)占45-50％。在实际中，由于受光窗材料和简单分子化学键能的限制，光化学中通常适用的光的波长范围为200-700nm。
发明内容
本发明一种太阳能光电催化氧化水中有机物的装置的目的在于，为从根本上解决环境污染和能源短缺问题，从科学利用太阳能的角度出发，依据已有单一半导体氧化物的带隙结构与光催化性能，公开一种可全面利用太阳能的纳米复合半导体氧化物光催化材料电极——太阳能光催化阳极，通过不同带隙(2.0-3.5eV)多种半导体氧化物能带结构的合理搭配，不仅吸收太阳光中的紫外光和可见光，而且形成多光子激活机制，科学并优化太阳光的利用，充分利用复合半导体之间形成的表面态、氧空位促进电子和空穴的快速分离，实现体系电荷转移速率和电荷转移通量双提高，能直接利用太阳光中的紫外和可见光又具有耐候性的的太阳能光电催化氧化水中有机物装置的技术方案。
本发明一种太阳能光电催化氧化水中有机物的装置，其特征在于是一种能直接利用太阳光中的紫外和可见光的光电催化有机水处理装置，其特征在于它是由装置壳体1、太阳能光催化阳极2、碳材料阴极3、钛基掺锑二氧化锡阳极4、折流挡板10、恒电位直流电源5、废水入口6、废水出口7、空气入口8、曝气管线9组成，装置内每隔30-80mm距离设置有一折流挡板10，每两挡板之间与壳体1共同构成一相对独立的电化学反应小室，折流挡板10根据水质的具体情况而定；在每个电化学反应小室中设置有一个太阳能光催化阳极2、碳材料阴极3和钛基掺锑二氧化锡阳极4，该三个电极平行排列，太阳能光催化阳极2位于反应小室最上面面对太阳，钛基掺锑二氧化锡阳极4位于反应小室最下面、碳材料阴极3位于两个阳极之间；每个电化学反应小室底部还设置有一开小孔的曝气管线9，从空气入口8进入的空气通过曝气管线9上的小孔向进入反应室中的废水曝气；阳电极和阴电极上分别设有电接头与恒电位直流电源5相连接。
上述一种太阳能光电催化氧化水中有机物的装置，其特征在于所述的阳太阳能光催化阳极2，它是由光催化层、中间层和导电基体构成，光催化层由具有不同带隙宽度的半导体氧化物组成，其半导体氧化物为Cu2O-Bi2O3-TiO2、Fe2O3-CoO-NiO；中间层由纳米掺锑二氧化锡薄膜组成；导电基体为钛板。
上述一种太阳能光电催化氧化水中有机物的装置，其特征在于所述的折流挡板10高度与反应装置的高度相同。
上述一种太阳能光电催化氧化水中有机物的装置，其特征在于所述的阴阳两电极之间的距离为10-50mm，钛基掺锑二氧化锡阳极4与反应装置底面之间的距离为20-50mm。
上述一种太阳能光电催化氧化水中有机物的装置，其特征在于所述的太阳能光催化阳极2上液层厚度为5-30mm。
上述一种太阳能光电催化氧化水中有机物的装置，其特征在于所述的开小孔的曝气管线9上的小孔设置为每隔3-5mm开有直径为1-2mm的小孔。
上述一种太阳能光电催化氧化水中有机物的装置，其特征在于所述的装置壳体1一端设置废水入口6、另一端设置废水出口7，连续处理有机废水。
本发明一种太阳能光电催化氧化水中有机物的装置，实现水中有机物处理的过程是：含有机物废水从废水入口6连续进入该光电化学反应装置的反应室中，与此同时启动空气压缩机从空气入口鼓入压缩空气，并调节空气流量，废水以U型流线通过各个电化学反应小室。其次接通直流电源，在太阳光及电场的联合作用下，有机污染物被氧化降解成无毒无害的CO2、H2O、无机离子等，处理合格的废水从废水出口7不间断排出。
本发明一种太阳能光电催化氧化水中有机物的装置的优点为：
I、可全面利用太阳能的纳米复合半导体氧化物光催化材料电极——太阳能光催化阳极，通过不同带隙(2.0-3.5eV)多种半导体氧化物能带结构的合理搭配，不仅吸收了太阳光中的紫外光和可见光，而且形成了多光子激活机制，科学并优化了太阳光的利用，充分利用复合半导体之间形成的表面态、氧空位促进电子和空穴的快速分离，实现了体系电荷转移速率和电荷转移通量双提高，并且能直接利用太阳光中的紫外和可见光又具有耐候性。
II、所建立的光电催化体系既能同时吸收太阳光中的紫外可见光又能实现有机物降解，且具有反应比表面大、吸附传质条件好、流动相接触反应时间长、外加电场可调，从而保证高的电荷转移通量和电荷转化率等一系列优点，根据难降解有机物的反应特点，装置设置的电极体系、折流挡板体系以及太阳能和电场的有机协同作用使得该反应装置达到了太阳光照射下快速氧化水中持久性有机污染物的目的，上述研究尚未见报导。
III、提供一种能直接利用太阳光中的紫外和可见光又具有耐候性的光电催化氧化处理水中有机物的装置，在太阳能、小电场的联合激发下，该水处理装置通过阳极和阴极的氧化还原反应，能在体系中产生氧化能力极强的·OH、H2O2、OH-等活性基团，使水中有机物发生快速氧化。体系内设置的多个平行折流挡板使该反应装置具有板式塔水处理装置之功效，且折流挡板的多少可依据废水入口浓度及出水水质要求设计计算而定。该反应装置结构简单，直接利用了清洁可再生的太阳光中的紫外和可见光以及清洁的电能，特别适合于水中反应速率控制型即难氧化有机物的处理，氧化效率高，绿色环保。
IV、根据水中难氧化有机物的反应特点，装置设置了双阳极单阴极的电极体系，能强化反应过程。
V、装置中设置的空气曝气体系一方面提供反应过程所需的氧气，另一方面消除了传质的影响。
丰富的太阳能资源，是人类赖以生存、永续繁衍的一笔最宝贵的财富。因此，本发明一种太阳能光电催化氧化水中有机物的装置能快速彻底去除水中有机物，且毋须添加化学试剂，无二次污染，无固液分离问题，处理效率高，是一全面、协调、可持续进行有机水处理的装置。
附图说明
图1为本发明一种太阳能光电催化氧化水中有机物的装置的一种具体实施方式的结构示意图。
图2为图1的俯视示意图。
图中的标号为：1装置壳体，2太阳能光催化阳极，3碳材料阴极，4钛基掺锑二氧化锡阳极，5恒电位直流电源，6废水入口，7废水出口，8空气入口，9曝气管线，10、折流挡板。
具体实施方式
实施方式1
参照图1和图2，本发明太阳能光电催化氧化水中有机物的装置结构为：装置壳体1为一扁平的矩形立方体，装置内每隔一定距离设置有一挡板10，挡板与装置壳体之间留有间隙，供水流过，两个挡板与壳体构成一相对独立的电化学反应小室，废水以U型流线通过各个电化学反应小室，可增加反应停留时间；在每个电化学反应小室中设置有一个阴电极和两个阳电极，即碳材料阴极3、太阳能光催化阳极2、钛基掺锑二氧化锡阳极4，三个电极平行排列，太阳能光催化阳极2位于反应小室最上面面对太阳，钛基掺锑二氧化锡阳极4位于反应小室最下面、碳材料阴极3位于两个阳极之间，阴、阳两极上分别有可连接直流电源5的电接头；每个电化学反应小室底部还设置有一曝气管线9，从空气入口8进入的空气通过曝气管线上的小孔向反应液曝气，提供反应过程所需的氧气。待处理有机废水从反应装置的废水入口6进入，废水出口7而出。
对苯酚水溶液进行处理。设置条件为：阴阳电极之间距离30mm，空气流量为1.5m3/h，电压2V，太阳能光催化阳极上液层厚度20mm。每间隔一定时间取样分析，用分光光度法测量苯酚的转化率，并测定其各时间段反应液COD浓度的变化。结果表明：100mg/L的苯酚水溶液苯酚转化率接近100％，COD的去除率大于90％。
实施方式2
按实施方式1的装置结构和处理过程，对水溶性腐殖酸溶液进行处理。设置条件为：阴阳电极之间距离20mm，空气流量为1.3m3/h，电压5V，太阳能光催化阳极上液层厚度10mm。每间隔一定时间取样分析，测定其各时间段反应液COD浓度的变化及脱色率。结果表明：20mg/L的水溶性腐殖酸溶液COD的去除率为89.2％，脱色率100％。
实施方式3
按实施方式1的装置结构和处理过程，对甲基橙水溶液进行处理。设置条件为：阴阳电极之间距离20mm，空气流量为1.5m3/h，电压2V，太阳能光催化阳极上液层厚度30mm。每间隔一定时间取样分析，测定其各时间段反应液COD浓度的变化及脱色率。结果表明：20mg/L甲基橙水溶液COD的去除率大于90％，脱色率100％。
Claims (5)
1.一种太阳能光电催化氧化水中有机物的装置，其特征在于是一种能直接利用太阳光中的紫外和可见光的光电催化有机水处理装置，它是由壳体(1)、太阳能光催化阳极(2)、碳材料阴极(3)、钛基掺锑二氧化锡阳极(4)、折流挡板(10)、恒电位直流电源(5)、废水入口(6)、废水出口(7)、空气入口(8)、曝气管线(9)组成，装置内每隔30-80mm距离设置有一折流挡板(10)，每两折流挡板之间与壳体(1)共同构成一相对独立的电化学反应小室，折流挡板(10)的多少根据水质的具体情况而定；在每个电化学反应小室中设置有一个太阳能光催化阳极(2)、碳材料阴极(3)和钛基掺锑二氧化锡阳极(4)，该三个电极平行排列，太阳能光催化阳极(2)位于电化学反应小室最上面面对太阳，钛基掺锑二氧化锡阳极(4)位于电化学反应小室最下面、碳材料阴极(3)位于两个阳极之间；每个电化学反应小室底部还设置有一开小孔的曝气管线(9)，从空气入口(8)进入的空气通过曝气管线(9)上的小孔向进入电化学反应小室中的废水曝气；阳电极和阴电极上分别设有电接头与恒电位直流电源(5)相连接，所述的太阳能光催化阳极(2)，它是由光催化层、中间层和导电基体构成，光催化层由具有不同带隙宽度的半导体氧化物组成，其半导体氧化物为Cu2O-Bi2O3-TiO2、Fe2O3-CoO-NiO；中间层由纳米掺锑二氧化锡薄膜组成；导电基体为钛板。
2.按照权利要求1所述的一种太阳能光电催化氧化水中有机物的装置，其特征在于所述的折流挡板(10)高度与反应装置的高度相同。
3.按照权利要求1所述的一种太阳能光电催化氧化水中有机物的装置，其特征在于所述的阴阳两电极之间的距离为10-50mm，钛基掺锑二氧化锡阳极(4)与反应装置底面之间的距离为20-50mm。
4.按照权利要求1所述的一种太阳能光电催化氧化水中有机物的装置，其特征在于所述的太阳能光催化阳极(2)上液层厚度为5-30mm。
5.按照权利要求1所述的一种太阳能光电催化氧化水中有机物的装置，其特征在于所述的开小孔的曝气管线(9)上的小孔设置为每隔3-5mm开有直径为1-2mm的小孔。
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