CN102596823A - 结合光催化和电化学的废水处理方法和系统 - Google Patents
结合光催化和电化学的废水处理方法和系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102596823A CN102596823A CN201080033251XA CN201080033251A CN102596823A CN 102596823 A CN102596823 A CN 102596823A CN 201080033251X A CN201080033251X A CN 201080033251XA CN 201080033251 A CN201080033251 A CN 201080033251A CN 102596823 A CN102596823 A CN 102596823A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- photocatalyst
- eelctro
- catalyst
- electrode
- pollutent
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 title claims abstract description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 57
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 title abstract description 6
- 238000005067 remediation Methods 0.000 title abstract 3
- 239000011941 photocatalyst Substances 0.000 claims abstract description 127
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 63
- 230000001588 bifunctional effect Effects 0.000 claims abstract description 51
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 25
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 claims abstract description 14
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 claims abstract description 14
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 100
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 65
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 60
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 26
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 23
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 21
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 16
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 16
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 239000002699 waste material Substances 0.000 claims description 13
- 238000004065 wastewater treatment Methods 0.000 claims description 13
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical group [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 12
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 11
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 claims description 9
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 6
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 6
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 5
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 claims description 4
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 claims description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims description 4
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 2
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 claims 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims 3
- 229920002382 photo conductive polymer Polymers 0.000 claims 3
- 230000003351 photoxidation Effects 0.000 claims 2
- 238000012797 qualification Methods 0.000 claims 2
- 238000006056 electrooxidation reaction Methods 0.000 abstract description 24
- 238000000746 purification Methods 0.000 abstract description 5
- 239000010411 electrocatalyst Substances 0.000 abstract description 4
- 238000013033 photocatalytic degradation reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 238000005286 illumination Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005513 bias potential Methods 0.000 abstract 1
- 244000005700 microbiome Species 0.000 abstract 1
- 238000007539 photo-oxidation reaction Methods 0.000 abstract 1
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 24
- 238000009281 ultraviolet germicidal irradiation Methods 0.000 description 23
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 20
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 15
- 230000008569 process Effects 0.000 description 13
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 11
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 11
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 10
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 8
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 7
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 6
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 6
- -1 hydroxyl free radical Chemical class 0.000 description 6
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 6
- 238000011160 research Methods 0.000 description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 5
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 5
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 5
- 238000002371 ultraviolet--visible spectrum Methods 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 238000000724 energy-dispersive X-ray spectrum Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 239000002957 persistent organic pollutant Substances 0.000 description 3
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 2
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RBXVOQPAMPBADW-UHFFFAOYSA-N nitrous acid;phenol Chemical class ON=O.OC1=CC=CC=C1 RBXVOQPAMPBADW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007146 photocatalysis Methods 0.000 description 2
- 238000001782 photodegradation Methods 0.000 description 2
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 2
- 230000007096 poisonous effect Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 230000001954 sterilising effect Effects 0.000 description 2
- 238000004659 sterilization and disinfection Methods 0.000 description 2
- 238000001149 thermolysis Methods 0.000 description 2
- ABEXEQSGABRUHS-UHFFFAOYSA-N 16-methylheptadecyl 16-methylheptadecanoate Chemical compound CC(C)CCCCCCCCCCCCCCCOC(=O)CCCCCCCCCCCCCCC(C)C ABEXEQSGABRUHS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IQUPABOKLQSFBK-UHFFFAOYSA-N 2-nitrophenol Chemical class OC1=CC=CC=C1[N+]([O-])=O IQUPABOKLQSFBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BTJIUGUIPKRLHP-UHFFFAOYSA-N 4-nitrophenol Chemical class OC1=CC=C([N+]([O-])=O)C=C1 BTJIUGUIPKRLHP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108010022579 ATP dependent 26S protease Proteins 0.000 description 1
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 1
- 241000764238 Isis Species 0.000 description 1
- LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N N-Butanol Chemical class CCCCO LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002835 Pt–Ir Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000003760 hair shine Effects 0.000 description 1
- 239000002920 hazardous waste Substances 0.000 description 1
- 231100000086 high toxicity Toxicity 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000005417 image-selected in vivo spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 231100001240 inorganic pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 238000012739 integrated shape imaging system Methods 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011499 joint compound Substances 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 239000010808 liquid waste Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 1
- JFRJCQJVFMHZOO-QZHHGCDDSA-N n-(2-aminoethyl)-2-[4-[[2-[4-[[9-[(2r,3r,4s,5r)-3,4-dihydroxy-5-(hydroxymethyl)oxolan-2-yl]purin-6-yl]amino]phenyl]acetyl]amino]phenyl]acetamide Chemical compound C1=CC(CC(=O)NCCN)=CC=C1NC(=O)CC(C=C1)=CC=C1NC1=NC=NC2=C1N=CN2[C@H]1[C@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O1 JFRJCQJVFMHZOO-QZHHGCDDSA-N 0.000 description 1
- 125000005245 nitryl group Chemical group [N+](=O)([O-])* 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 230000002085 persistent effect Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 239000003642 reactive oxygen metabolite Substances 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 239000002910 solid waste Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 241000894007 species Species 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 239000003115 supporting electrolyte Substances 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 239000008399 tap water Substances 0.000 description 1
- 235000020679 tap water Nutrition 0.000 description 1
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 1
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 238000002211 ultraviolet spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 description 1
- 239000002912 waste gas Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/30—Treatment of water, waste water, or sewage by irradiation
- C02F1/32—Treatment of water, waste water, or sewage by irradiation with ultraviolet light
- C02F1/325—Irradiation devices or lamp constructions
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
- C02F1/467—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction
- C02F1/4676—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction by electroreduction
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
- C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
- C02F1/46109—Electrodes
- C02F2001/46133—Electrodes characterised by the material
- C02F2001/46138—Electrodes comprising a substrate and a coating
- C02F2001/46142—Catalytic coating
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
- C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
- C02F1/46109—Electrodes
- C02F2001/46152—Electrodes characterised by the shape or form
- C02F2001/46157—Perforated or foraminous electrodes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
- C02F2201/32—Details relating to UV-irradiation devices
- C02F2201/322—Lamp arrangement
- C02F2201/3221—Lamps suspended above a water surface or pipe
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2305/00—Use of specific compounds during water treatment
- C02F2305/10—Photocatalysts
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Catalysts (AREA)
- Treatment Of Water By Oxidation Or Reduction (AREA)
Abstract
本发明基于双功能电极，结合光催化降解和电化学氧化用于废水处理和水净化。用于结合光催化和电化学废水处理的双功能电极可用来处理有机化学污染物、无机化学污染物及微生物中的任一种或它们的组合。所述电极包含导电基底，所述导电基底表面的一部分施加有光催化剂，所述光催化剂具有一定的能级差(E9)，而电催化剂施加于表面的另一部分。照射光催化剂产生电子与空穴，沿光催化剂施加阳极电位偏压可使所述电子与空穴分离。这个电位偏压也被施加到电催化剂上。施加的阳极电位偏压不仅大大提高了光催化剂光氧化在光催化剂上的污染物的性能，而且有效地驱动了污染物在电催化剂表面上的电化学氧化。
Description
技术领域
本发明涉及废水处理和水净化的方法和系统，所述方法和系统采用用于结合光催化和电化学处理的双功能电极系统。
发明背景
有毒有害物质的排放和/或处理标准的建立和执行要求开发新的技术来有效地处理不同的废气、废液、固体废弃物和泥浆。由于光催化和电化学在水消毒和有毒废水处理方面的应用前景，这些方法得到人们的广泛关注[1-4]。
已经研究了不同的方法来去除废水中的污染物，包括电化学氧化[5-9]，化学吸附[10，11]和光催化降解[12-16]。在光催化降解中，由于二氧化钛的低成本，高光催化活性和化学稳定性[17-19]，它被认为是最有前景的光催化剂之一。在紫外光照射下，光促使电子从价带激发到光催化剂的导带，剩下具有高氧化性能的光生空穴[20-23]。一方面，光生空穴与被吸附的水分子及氢氧阴离子反应产生氢氧自由基，这个氢氧自由基能够降解不同的污染物。因为氧化过程发生在光催化剂的表面或表面附近，因此期望用大的表面积来提高光催化的效率。
增大二氧化钛催化剂表面积的一种方法是将其纳米颗粒分散到废水中作为悬浮体[24，25]。然而，要通过过滤来分离和回收二氧化钛。这会给光催化处理废水的实际应用带来不便。另一方面，光生带电载流子(空穴和电子)容易相互复合。光生电子和空穴的高复合率是控制光催化效率的主要限制因素。据报道施加一个外加阳极电位偏压的电化学方法可效地抑制光生带电载流子之间的复合[26，27]。
电化学也是一个有前景的消除环境污染的方法[7，28，29]。污染物可以直接被电化学阳极氧化产生的氢氧自由基和化学吸附的活性氧物质氧化。不同的阳极材料包括碳、Pt、PbO2、IrO2、SnO2、Pt-Ir和硼掺杂的金刚石电极已经得到广泛研究[2，30-32]。我们最近的研究表明，尺寸稳定的阳极(DSA)Ti/Ti2O5-IrO2在电化学处理含硫废水中具有良好的电化学活性和高稳定性[33.34]。
因此，提供把光降解和电化学氧化的优点结合起来的方法和系统对废水处理和水净化是非常有益的。
发明内容
本发明提供了废水处理和水净化的方法和系统，所述方法和系统基于采用结合光降解和电化学氧化的双功能电极系统。
本发明的一个实施方案提供用于结合光催化和电化学处理的电极，其用于去除至少第一污染物和第二污染物，所述第一污染物和第二污染物是有机化学污染物、无机化学污染物及微生物中的任一种或它们的组合，所述电极包括：
a)具有表面的导电基底，
b)光催化剂，其施加于所述表面的第一部分，并且具有能级差(bandgapenergy，Eg)，和
c)电催化剂，其施加于所述表面的第二部分，所述电催化剂的材料不同于所述光催化剂的材料；
其中将所述导电基底插入到含有多种污染物的液体中，用能量等于或高于Eg的光子照射所述光催化剂，并且向所述导电基底施加阳极电位偏压，得到施加于所述电催化剂的阳极电位偏压，其至少诱导位于所述电催化剂表面的第一污染物阳极氧化，并且沿着所述光催化剂的厚度产生电位降，在所述光催化剂的表面引起能带弯曲，从而导致在所述厚度中产生的电子与空穴分离，将空穴驱动至所述表面并且至少引起第二污染物的阳极氧化反应。
本发明还提供用于废水处理和水净化的系统，其用于去除至少第一污染物和第二污染物，所述至少第一污染物和第二污染物是有机化学污染物、无机化学污染物及微生物中的任一种或它们的组合，所述系统包括：
a)双功能电极，所述双功能电极包括：
i)具有表面的导电基底，
ii)光催化剂，其施加于所述表面的第一部分，并且具有能级差(Eg)，和
iii)电催化剂，其施加于所述表面的第二部分；
b)对电极，所述双功能电极和所述对电极与电源相连，设置所述电源从而向所述双功能电极提供阳极电位偏压，和
c)光源，其用于发射能量等于或高于Eg的光子，相对于所述双功能电极设置所述光源，从而所述光源照射涂布有所述光催化剂的所述表面部分；
其中将所述导电基底插入到含有多种污染物的液体中，用所述光源照射所述光催化剂，并且向所述导电基底施加阳极电位偏压，得到施加于所述电催化剂的阳极电位偏压，其至少诱导位于所述电催化剂表面的第一污染物阳极氧化，并且沿着所述光催化剂的厚度产生电位降，在所述光催化剂的表面引起能带弯曲，从而导致在所述厚度中产生的电子与空穴分离，将空穴驱动至所述表面并且至少引起第二污染物的阳极氧化反应。
另一方面，本发明还提供用于结合光催化和电化学处理的方法，其用于去除至少第一污染物和第二污染物，所述第一污染物和第二污染物是有机化学污染物、无机化学污染物及微生物中的任一种或它们的组合，所述方法包括以下步骤：
将电极插入废水或污染水中，所述电极具有表面，并且具有施加于所述表面的第一部分的光催化剂，所述光催化剂具有能级差(Eg)，并且所述电极具有施加于所述表面的第二部分的电催化剂；
用能量等于或高于Eg的光子照射所述光催化剂，从而在所述光催化剂中产生电子-空穴对；和
向所述电极施加阳极电位偏压，得到施加于所述电催化剂的阳极电位偏压，其至少诱导位于所述电催化剂表面的第一污染物阳极氧化，并且沿着所述光催化剂的厚度产生电位降，在所述光催化剂的表面引起能带弯曲，从而导致在所述厚度中产生的电子与空穴分离，将空穴驱动至所述表面并且至少引起位于所述光催化剂的表面的第二污染物的阳极氧化。。
在本发明的实施方案中，光催化剂是涂布在导体一侧的TiO2薄膜，而电催化剂是涂布在导体相对侧的Ta2O5-IrO2薄膜。在本发明中，研究结果清楚表明，施加的阳极电位偏压不仅大大提高了TiO2光催化剂的性能，而且有效地驱动了污染物在Ta2O5-IrO2电催化剂上的电化学氧化。
以下的详细说明和附图会有助于对本发明的性能和优点进一步的理解。
附图说明：
参考附图来说明本发明的实施方案，其中，
图1(A)是用于处理流动废水或污染水的电极的实施方案，该电极是外表面具有光催化剂，内表面涂有电催化剂的圆柱形管道，从而从外部照射所述管道。
图1(B)是用于处理流动废水或污染水的电极的实施方案，该电极是内表面具有光催化剂，外表面涂有电催化剂的圆柱形管道，从而采用沿着所述圆柱形的长轴延伸的纵向灯(longditudinal lamp)来照射所述管道。。
图1(C)显示了用于处理流动废水或污染水的电极的实施方案，该电极包含外表面具有光催化剂，内表面涂有电催化剂的圆柱形管道，从而从外部照射所述管道，与图1(A)相似，但是在圆柱形管壁包含多个孔，这些孔允许废水从圆柱形管道的内部流到外部。
图2(A)显示了本发明示例性TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2双功能电极的Ta2O5-IrO2电催化剂表面的SEM图像。
图2(B)显示了图2(A)的双功能电极的TiO2光催化剂表面的SEM图像。
图2(C)显示了所制备的双功能电极的TiO2表面和Ta2O5-IrO2涂层的EDS谱。
图3(A)显示了TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2双功能电极在0.15mM 4-NPh+0.5M NaOH中在扫描速度为20mV/s时的线性扫描伏安曲线，(a)有紫外光照射，(b)无紫外光照射，以及有紫外光照射和无紫外光照射时TiO2/Ti单功能电极的线性扫描伏安曲线(虚线)。
图3(B)显示了TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2双功能电极在0.15mM 4-NPh+0.5MNaOH中在600mV下测量的稳态电流，(c)有紫外光照射，(d)无紫外光照射。
图4(A)显示了0.15mM 4-NPh+0.5MNaOH中在TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2双功能电极上的光电化学氧化过程中的原位紫外可见光谱，其中仅在有紫外光照射时获得。
图4(B)显示了0.15mM 4-NPh+0.5M NaOH中在TiO2/Ti单功能电极上的光电化学氧化过程中的原位紫外光谱，其中在紫外光照射和施加600mV电极电位时获得。
图4(C)显示了0.15mM 4-NPh+0.5M NaOH中在TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2双功能电极上的电化学氧化过程中的原位紫外可见光谱，其中施加600mV电极电位时获得。
图4(D)显示了0.15mM 4-NPh+0.5M NaOH在在TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2双功能电极上的光电化学氧化过程中的原位紫外可见光谱，其中在施加600mV电位和紫外光照射时获得。
图5显示了4-NPh降解的In(C/C0)-时间曲线，其中实验条件与图4(A)至4(D)中描述的相同。
图6(A)显示了2-NPh降解的In(C/C0)-时间曲线，其中使用图4(A)至4(D)中描述的四种方法。
图6(B)显示了使用上述的四种方法在3小时之后2-NPh降解的总量百分比的比较。
具体实施方式
本发明中描述的系统通常针对采用结合光电化学和电化学处理的双功能电极的废水处理和水净化的方法和系统的实施方案。尽管这里公开了本发明的实施方案，公开的这些实施方案只是示例性的，并且应该理解本发明设计许多替代形式，包括不同的形状和尺寸。此外，附图没有按比例绘制，为了具体特征的细节，一些特征可能被扩大或缩小，而相关元件可能被省略以避免混淆具有新颖性的方面。
因此，这里给出的结构和功能的具体细节不能解释为对本发明的限制，而仅是权利要求的基础，并作为使本领域技术人员以各种方式实施本发明的代表性基础。为了说明而不是限制的目的，解释说明的实施方案都针对采用结合光电化学和电化学处理的双功能电极的废水处理和水净化的系统和方法的实施方案。
这里所使用的术语“大约”，当与颗粒的尺寸、混合物的组成、层的厚度、电压、或其他物理性质和特性结合使用时，是指包括尺寸范围的上限和下限中可能存在微小变化，从而不会排除那些平均来说大部分尺寸都满足本发明范围但从统计尺寸可能超出本发明范围的实施方案。这并不是想把例如这些实施方案从本发明中排除。
本发明提供了使用结合光催化和电化学处理的双功能电极的废水处理和水净化的方法和系统。本发明的方法是基于令人惊奇的结果，通过向在一个表面上含有半导体基光催化剂(在照射时吸收光子来产生电子-空穴对)并且在电极的另一个表面上含有电催化剂的双功能电极施加阳极电位偏压，不仅由于向光催化剂施加电位而改善了光催化剂的行为，而且施加的电位偏压有效地驱动污染物在电催化剂上的电化学氧化，并且可以由此产生能迁移到电催化剂的产物以清除光生电子(或空穴)，从而进一步降低光生带电载流子的复合，使更多的空穴(或电子)剩余。这个惊人的协同作用形成了本发明的基础。
通过电催化剂和光催化剂，在施加阳极电位偏压时电催化剂和光催化剂作为阳极，由此可用在化学物清除和水消毒中，而在阴极上产生氢气。当该方法被用于在大型废物处理厂时，这些氢气可被收集和储存起来以用于商业用途。优选的基底是钛金属、膜、片材或板材，这些材料已经显示出具有良好的导电性和低成本。钛对任何腐蚀液的抗腐蚀能力都非常强，这是非常重要的，因为电极会在具有潜在腐蚀性的恶劣环境中使用。可用的其他基底包括不锈钢、铌、钽和碳，但并不限于这些材料。柔性的导电性基体也可以使用，这些材料是也不是聚合物基基底。向其上施加光催化剂和电催化剂的支持电极的材料可以是任何金属或导体，只要这种材料能够承受所使用的环境。因而，基底可以是金属片、金属板、金属网、导电聚合物中的任一种或它们的任意组合。
本发明用一种光催化剂和一种电催化剂予以说明，但本发明并不限于其中的任一种。可以使用两种或多种不同种类的电催化剂和/或两种或多种不同种类的光催化剂，这取决于实际应用的需要及有待处理的污染物数目。除了可用改变基底上各电催化剂和光催化剂的相对表面积来调制电催化剂/光催化剂的配制，还可根据系统的动力学和能量要求，同时使用两种或多种不同种类的电催化剂和/或两种或多种不同种类的电催化剂。
许多不同的电催化剂可与光催化剂以不同的组合使用。在双功能电极上施加阳极偏压可电化学氧化污染物物质和产生氧气。Ta2O5-IrO2是优选的电催化剂，因为这种催化剂已经呈现出高的电化学活性和稳定性。其他可能的电催化剂包括但不限于SnO2、RuO2、IrO2、PbO2、Pt、Sb2O5-SnO2、掺杂的SnO2-Sb2O5和碳，这里仅给出几个例子。
除了硅外，也可使用不同种类的光催化剂，例如金属氧化物TiO2、Fe2O3、ZnO、SnO2。TiO2仅仅是可作于光催化剂的例子。此外，其他元素例如碳、氮、氟、硼、铂和/或金掺杂的TiO2，可用来进一步提高TiO2基光催化剂的活性和增强其对可见光的响应。因此，本发明不仅局限于纯TiO2。
这里给出的方法并不局限于降解任何特定的污染物，事实上也可降解有机污染物的任何组合。此外，无机污染物以及细菌和其他微生物也可用本发明的结合光化学降解及电化学氧化的方法进行降解。本方法也可用在水的净化(如地下水、自来水)，经过净化的水可饮用。
现在将讨论本发明的各种实施方案。本发明基于使用一侧是光催化剂而另一侧是电催化剂的双功能电极。光催化剂主要是光导体或半导体，在吸收高于能极差的能量时，产生电子-空穴对。当沉浸在电解液中没有光照时，在固相和液相之间建立了电子平衡。这种平衡是通过光催化剂和液体的界面的载流子流动而获得，直到多数光导载流子的电化学电位在整个半导体-电解质系统是相同的为止。这种电荷的流动会在表面产生能带弯曲，这个能带弯曲的区域称为空间电荷区。
由于所述空间电荷区没有足够高的驱动力来有效地分离电子-空穴对的事实，典型的光催化剂在没有施加电位偏压时具有高的复合率。在光导体的表面会存在一些电荷，这些电荷会与界面处的溶液中的化学物质发生光反应，但由于所述高复合率，这些反应的速率一般很低。在本发明中，给基底施加电位偏压会导致导带的能级弯曲，价带降低到光导体的深度，从而更有效地分离电子-空穴对。在阳极偏压下，施加于光导体的电位会产生更陡的能带弯曲，将价带中的空穴驱赶到表面，将电子驱赶到光催化剂的主体中。
对待沉积到基底上的光催化剂或半导体的选择会有几个方面的考虑。下面的实施例采用众所周知的半导体光催化剂TiO2，但本发明不限于TiO2作为光催化剂。如上所述，可采用金属氧化物(包括但不限于ZnO、SnO2等)、硅和其他光催化剂，这里给出的只是一些例子。然而，由于TiO2的低成本和高性能，它作为所述应用的优选的光催化剂。
此外，其他可使用的其上可沉积光催化剂和电催化剂的基底包括但不限于不锈钢、碳基电极、铌、铟锡氧化物(ITO)、以及锡氧化物(SnO2)，这里仅给出几个例子。
此外，虽然在上述例子中光催化剂涂布在基底的一个表面而电催化剂施加在基底的另一侧，但是应该知道，光催化剂和电催化剂也可施加在基底的同一侧，也就是说，它们不必需位于基底的相对侧。例如，光催化剂位于基底一侧的一个或多个部分中，而电催化剂可施加于其余部分。对于给定的基底面积，其中一半可用光催化剂涂布，而另外一半可用电催化剂涂布。光催化剂和电催化剂部分的表面可随着它们的反应动力学成比例改变，这取决于废水中有待去除的具体化学物质、光催化剂和电催化剂，以及取决于相关的光催化反应和电催化反应的反应动力学。
另外一种方法是制备两种独立的光催化剂基底和电催化剂基底，然后将它们电连接在一起。可以使用任何组合的光催化剂和电催化剂，该技术的新颖之处是把光化学降解和电化学氧化结合起来。
可以选择在第一部分上的光催化剂的表面积与第二部分上的电催化剂的表面积的比例来涂布电极，从而给出第一污染物在电催化剂表面的阳极氧化与第二污染物在光催化剂表面的阳极氧化反应的预先选定的比例。
为了本发明在废水处理中的实际应用，可以构建双功能电极的几个实施方案。图1(A)显示了处理流动废水的电极30，通常是圆柱形管道32(也包括其他截面的管道，包括正方形、长方形等)，光催化剂层34位于管道32的外表面，并且电催化剂36位于管道32的内表面。采用在适当波长下发出等于或高于光催化剂能级差的灯从外面照射管道32，从而光催化剂吸收光并且产生电子-空穴对。管道32(或多个管道32)浸没在流动的废水中，从而管道的轴40平行于废水的流程。灯42可放在其中放置管道32的流动池44中，或者池44可由透明塑料制成并且灯42放置在流动池44的外部，选择透明塑料从而它不会大量吸收在光谱范围内高于光催化剂能级差的光。
图1(B)显示了处理流动废水的双功能电极50的另一个实施方案，电极50是圆柱形管道32，光催化剂34位于管32的内表面，电催化剂36位于管道32的外表面(与图1(A)的配置相反)。采用沿管道32的长轴40排列的并且在适当波长下发出等于或高于光催化剂层34能级差的灯从里面照射管道32，从而光催化剂吸收光并且产生电子-空穴对。管道32(或多个管道32)浸没在流动的废水中，从而管道的轴40平行于废水的流程。。
图1(C)显示了用于废水处理的电极，所述电极包含圆柱形管道50，光催化剂层34位于管道50的外表面而电催化剂层36位于内表面，从而从外面照射管道，与图1(A)相似。圆柱形管道50的管壁中包括许多孔52，从而允许废水从管道50的内部流到外部。管道50也可用来批量处理非流动的废水，从而这些孔允许反应产物从管道50的内部混合和流出。在大批量处理时，较大排列的多个管道50可以插入池44中。沿管道50存在的孔52允许电化学产生的氧气从电化学电极表面移动到光化学电极表面，这可以捕获光产生的电子。
在这些实施方案中，圆柱形的管道可以任选地是外表面和内表面都沉积有导电涂层的塑料管道，电催化剂涂布在其上而光催化剂沉积在其上。电源与所述导电涂层电连接从而给电催化剂和光催化剂同时施加阳极电位偏压。
本领域技术人员理解的是，图1(A)、1(B)和1(C)显示的构造并不意味着要以任何方式加以限制，而只是采用这里公开的双功能电极的处理系统的几个示例性实施方案。
现在用基于钛的双功能催化剂以下非限制性实施例对本发明予以说明，其中钛(Ti)板被用作制备双功能电极的基底，因为其具有高耐腐蚀性能和相对低的成本。将光催化剂(TiO2薄膜)涂布在Ti板的一侧而将电催化剂(Ta2O5-IrO2薄膜)涂布在相对侧，从而得到双功能电极。为了说明本发明的实用性并且不以任何方式限制本发明，在本研究中，将4-硝基苯酚(4-NPh)和2-硝基苯酚(2-NPh)选为模型污染物并且进行测试。在工业和农业废水中，硝基苯酚是最常见的毒性持久的污染物之一。他们被美国环境保护署(U.S.Environmental Protection Agency)[35]列为危险废物和高毒性污染物。一般来说，净化被4-NPh或2-NPh污染的废水是非常困难的，这是因为在芳环上存在硝基基团会增加硝基酚类化合物在化学和生物降解中的稳定性[36]。
实施例
实验部分材料：
使用购买的2-NPh、4-NPh(Aldrich)和氢氧化钠(Anachemia)。纯水(18MΩcm)从Nanopure Diamond
水净化系统得到。Ti(OBu)4、IrCl3·3H2O(Pressure Chemical Corp)和TaCl5(Aldrich)被用来制备用于合成光催化剂和电催化剂的前体溶液。
电极的制备和表征
用热分解技术制得TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2双功能电极。尺寸为10×12.5×0.8毫米的纯钛板先在丙酮中超声去脂10分钟，然后用纯水清洗，在85℃的18％的HCl中刻蚀15分钟，然后用纯水彻底清洗，最后在40℃的真空烘箱中干燥。将1.56毫升Ti(OBu)4加入到13.41毫升丁醇中来制备TiO2前体溶液。把铱的前体溶液(0.30克IrCl3·3H2O溶解在2.5ml乙醇中)和钽的前体溶液(0.13克TaCl5溶解在7.5毫升异丙醇中)混合，来制备Ta2O5-IrO2前体溶液。
将TiO2的前体溶液刷涂在刻蚀过的Ti基底一侧，而将Ta2O5-IrO2的前体溶液刷涂在预处理过的Ti基底的相对表面，来制备TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2双功能电极。在80℃的空气流中蒸发溶剂。在各个涂布之间，将电极样品在450℃焙烤10分钟。重复该过程，从而将TiO2前体的六个涂层置于Ti基底的一侧，而将Ta2O5-IrO2前体置于Ti基底的另一侧，最后在450℃焙烤1小时。为了比较，也采用热分解方法制备具有六个TiO2光催化剂涂层而没有Ta2O5-IrO2电催化剂的单功能TiO2/Ti电极。用装有能量色散X射线光谱仪(EDS)(Oxford Links ISIS)的扫描电子显微镜(SEM)(JEOL JSM 5900LV)来表征制备的电极。
活性研究
电化学和光电化学实验在三电极元件系统中进行，实验由Voltalab 40(PGZ 301，Radiometer Analytical)的恒电位仪控制。对电极是铂丝(coil)，在实验之前进行火焰退火。参比电极是饱和Ag/AgCl电极。带有汞灯的CureSpot 50(ADAC系统)作为紫外光源，波长范围从300纳米到450纳米；测量的光辐照大约为2.0mW/cm2。光从光源通过光纤导向投射到制备的TiO2光催化剂表面上。0.5M NaOH作为支持电解质。4-NPh和2-NPh的初始浓度是0.15mM。用原位紫外-可见光谱仪(Stellar-NetEPP2000)监测4-NPh和2-NPh光化学、电化学及光电化学降解的过程中的浓度。在降解过程中，硝基苯酚溶液被不断搅动。所有的活性测试在室温(20±2℃)下进行。
结果和讨论
制备的TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2电极的表征
用SEM来表征合成的氧化物涂层的表面形貌和结构。如图2A所示，用热分解方法制备的Ta2O5-IrO2涂层呈现典型的“泥裂(cracked-mud)”结构。图2B是TiO2涂层的SEM图像。除了“泥裂”结构，在TiO2表面也存在一些小“岛”。图2C是双功能电极的EDS光谱，这些光谱证实Ta2O5-IrO2涂层形成在Ti基底的一侧，而TiO2形成在Ti在相对侧。在Ta2O5-IrO2涂层的EDS光谱中，标记为Ti*的小峰来自于Ti基底。EDS光谱定量分析表明Ta2O5-IrO2涂层中的Ta2O5与IrO2的摩尔比是0.3∶0.7，这个结果和Ta2O5-IrO2前体溶液的组成是一致的。
光电流和电化学电流响应
为了比较双功能电极的诱导光电流和电化学电流，在TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2双功能电极和TiO2/Ti单功能电极上，线性伏安(LV)实验在0.15mM 4-NPh+0.5M NaOH中以20mV/s的电位扫描速度进行。图3A是LV曲线。
当电位从-200mV扫描到800mV时，如预期的一样，TiO2/Ti单功能电极呈现非常小而恒定的得自对双电层充电的电流(虚线)，这是因为TiO2是弱的电催化剂。在紫外光照下，产生大约2.2mA的光电流(虚线)。如曲线b所示，在TiO2涂层上没有紫外光照射时，对于TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2双功能电极，在TiO2涂层上释放出氧气的起始电位大约是500mV。由于对双电层充电，在电位低于500mV时电流几乎恒定。当电位进一步从500mV扫描到800mV时，电化学电流由于释放出氧气而呈现出快速的线性增加。曲线a是紫外光照射TiO2涂层时，TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2电极的LV曲线。曲线a和b的比较表明：(i)在紫外光照射下，电化学释放氧的起始电位从约500mV移至约450mV；(ii)在电位低于450mV时，紫外光照射产生大约2.5mA的光电流，这些电流是从总电流(曲线a)中减去双电层充电电流(曲线b)而得出的；和(iii)当施加的电位偏压高于450mV时，紫外光照射产生大得多的电流。例如在600mV时，TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2的总电流是20.22mA(曲线b)，这些总电流包括电化学电流和光电流。这个电流比Ta2O5-IrO2涂层的电化学电流(5.63mA，曲线a)高出了许多。
如图3B所示，计时安培法(CA)被用于测量稳态电流变化的进一步研究。在施加600mV的电位时，有紫外光照(曲线c)和没紫外光照(曲线d)的条件下进行CA实验。在没有紫外光照，而施加600mV电极电位偏压时，Ta2O5-IrO2/Ti/TiO2电极的电化学电流在大约为13mA保持接近稳定(曲线d)。相比而言，在紫外光照射下，稳态电流达到超过20mA的标准(曲线c)，显示出紫外辐照和施加的电极电位对双功能电极的诱导电流的显著的协同效应。因此，600mV电极电位被选择用于4-NPh的2-NPh污染物的降解。
4-NPh的降解
先用4-NPh作为模型污染物来测试制备的双功能电极的性能。用原位紫外-可见光谱来原位监控在降解过程中4-NPh的吸光度的变化。图4a到4d显示了4-NPh在TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2双功能电极上(图4a、4c和4d)及TiO2/Ti单功能电极上(图4b)降解的过程中，每间隔15分钟拍扫描动力学图。4-NPh在400纳米处有主要吸收峰，这反映了4-NPh在溶液中的浓度。该吸收峰的强度随时间的降低证实了4-NPh的降解。
如图4a所示，在有紫外光照射而没有施加任何外加阳极电位偏压时，4-NPh在TiO2/Ti/Ta2O5双功能电极上经3小时光化学降解，其主要吸收峰峰仅有很少的降低(低于7％)，表明很高的光生电子与空穴复合率。施加于光催化剂的电位偏压的益处可用图4b说明，在有紫外光照下，TiO2/Ti单功能电极的电位保持在600mV。经过3个小时的降解，4-NPh的主要吸收峰降低大约30％。图4a和图4b的比较表明施加的阳极电位偏压减缓了光生电子和空穴的复合率，并且大大地提高了光化学降解过程的效率。
图4c显示了双功能电极中Ta2O5-IrO2电催化剂的性能，这里在TiO2光催化剂上没有任何紫外光照，在TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2电极上施加的阳极电位偏压为600mV。经过3个小时电化学氧化，大约55％的4-NPh被降解了。如图4d所示，结合光化学降解和电化学氧化的新型技术可通过在TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2双功能电极上紫外光照和施加600mV的电位偏压予以测试。可以看出，经过3个小时的光-电化学氧化，多于85％的4-NPh被降解了。如图4a到4c所示，在降解实验过程中，4-NPh的紫外-可见光吸光度随着时间而减少。利用校准曲线，4-NPh的400nm峰的吸光度值可以再次转化为浓度。图5给出了与图4a到4c中记载的测试相应的In(C/C0)与时间的关系图。In(C/C0)与时间的线性关系表明4-NPh在双功能电极或单功能电极上的降解符合准一级反应动力学：
ln c/c0＝-kt(1)，
其中c/c0代表标准化的4-NPh浓度，t是反应时间，k是以min-1为单位的反应速率常数。在紫外光照而不施加外加电位偏压时，TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2具有最低的光化学降解速率常数，1.11×10-4min-1(图5a)，这是由高的光生电子与空穴的复合率引起的。如图5b所示，在紫外光照和施加600mV电位偏压时，4-NPh在TiO2/Ti电极上的光化学降解速率常数是2.03×10-3min-1。这个值比图5a的斜率大得多，说明施加的电位偏压有效地抑制了光生电子与空穴的复合。
如图5c所示，在施加电位偏压为600mV而没有紫外光照时，4-NPh在双功能电极上的电化学氧化速率常数为5.74×10-3min-1。在四条曲线中，图5d表示施加电位偏压600mV和有紫外光照射下的TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2双功能电极，图5d具有最大斜率，1.06×10-2min-1，比图5a中的速率常数大100倍。以上结果证实了结合光催化降解和电化学氧化在有机污染物的环境处理中的巨大益处。
2-NPh的降解
第二个模型污染物2-NPh被用来进一步测试所述新颖的方法的优势。使用0.15mM 2-NPh在0.5M NaOH中的初始浓度，采用上述用于4-NPh降解的四种降解方法，每间隔15分钟拍摄2-NPh的原位紫外-可见光谱，一共进行90分钟。2-NPh的主要吸收峰集中于412纳米，在本研究中被用于监控四种不同降解方法中2-NPh的浓度变化。
图6A是2-NPh降解的In(C/C0)与时间的关系图：(a)TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2双功能电极上有紫外光照射没有任何施加的阳极电位偏压；(b)TiO2/Ti单功能电极上有紫外光照射和施加的电极电位600mV；(c)TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2双功能电极施加电机电位600mV，没有紫外光照射；(d)TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2双功能电极有紫外光照射和施加的电极电位600mV。In(C/C0)与时间曲线的线性关系表明2-NPh的降解符合准一级反应动力学。
结合光化学和电化学氧化(曲线d)产生了最高的降解速率值1.93×10-2min-1，这个值比仅光化学氧化(曲线a)产生的降解速率(1.86×10-3min-1)大10倍，是在TiO2/Ti单功能电极上的光电化学降解速率(5.27×10-3min-1)的3倍多。如曲线c所示，2-NPh在双功能电极上的电化学氧化的速率常数是9.88×10-3min-1。表1比较了4-NPh和2-NPh在TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2双功能电极上的降解速率，显示出(i)2-NPh比4-NPh容易去除；(ii)光化学与电化学氧化的结合呈现最高的降解速率。图6B说明了在3个小时的降解后去除的2-NPh的总量。对于TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2双功能电极，在只有紫外光照时，16％的2-NPh降解(a)；在施加600mV的电位时，去除了61％的2-NPh(c)；结合光化学和电化学氧化去除超过90％的2-NPh(d)。相反地，在与(d)相同的实验条件下，对于TiO2/Ti单功能电极，约40％的2-NPh降解。
表14-NPh和2-NPh在TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2双功能电极上的降解速率常数比较(得自图4和图5A)
上述实施例证实了制备的TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2双功能电极的非限制性例子对4-NPh和2-NPh的降解呈现出极高的活性。
综上所述，本发明给出了在电催化剂存在下基于使用双功能电极的废水处理和水净化的新颖简易的方法。该创新性的方法至少有四个主要优点：(i)由于光催化剂涂布在Ti基底上，从而避免了在废液中分离和回收TiO2悬浮体的复杂工序；(ii)很容易向双功能电极施加阳极电位偏压，从而有效地抑制光生电子和空穴在光催化剂的表面上的复合；(iii)可以充分利用外加的能量，因为外加的能量也驱动电催化剂上的电化学氧化；(iv)向双功能电极施加的阳极电位偏压促使形成氢氧自由基和在电催化剂表面释放出氧气。形成的氧气移动到TiO2催化剂表面，并且清除导带中的电子以形成超氧离子(O2 *)(1)，进一步降低光生带电载流子的复合。产生的超氧离子也可用作氧化剂来矿化有机污染物。制备的TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2双功能电极呈现了对4-NPh和2-NPh降解的极高的活性，本发明所描述的方法为水净化和废液处理提供了非常有前途的环保技术。
在上述的实施例中，TiO2/Ti/Ta2O5-IrO2双功能电极由钛片制得，钛片一侧沉积光催化剂而相对的表面上沉积电催化剂Ta2O5-IrO2。本领域技术人员应该明白，也可不用钛基底，双功能电极也可由钽制备，在钽一侧有Ta2O5-IrO2而另一侧沉积TiO2。
这里的所用的术语“包括”和“包括的”应被诠释为相容性和开放的，而不是排他性的。具体地，用在本说明书(包括权利要求)中时，术语“包括”和“包括的”及其不同的变化形式指的是包括具体说明的特征、步骤或成分。这些术语不应解释为排除存在其他的特征、步骤或成分。
前文中描述的本发明的优选实施方案是用来阐述本发明的原理而不是将本发明限于说明的具体实施方案。本发明的范围应该由下述权利要求及其等同物中的包含的所有实施方案限定。
参考文献
(1)Augugliaro，V.；Litter，M.；Palmisano，L.；Soria，J.The combination ofheterogenous photocatalysis with chemical and physical operations.J.Photochem.Photobiol.C：Photochem Rev.2006，7，127-144.
(2)Martinez-Huitle，C.A.；Ferro，S.Electrochemical oxidation of organicpollutants for wastewater treatment：direct and indirect process.Chem.Soc.Rev.2006，35，1324-1340.
(3)Xu，C；Killmeyer，R.；Gray，M.L.；Khan，S.U.M.Enhanced carbondoping of TiO2 thin films for photoelectrochemical water splitting.Electrochem.Commun.2006，8，1650-1654.
(4)Bunce，N.J.；Merica，S.G.；Lipkowski，J.Prospects for the use ofelectrochemical methods for the destruction of aromatic organochlorine wastes.Chemosphere 1997，35，2719-2726.
(5)Ezerskis，Z.；Jusys，Z.Electropolymerization of chlorinated phenols ona Pt electrode in alkaline solution.J.App.Electrochem.2002，32，543-550.
(6)Zhu，X.；Shi，S.；Wei，J.；Lu，F.；Zhao，H.；Kong，J.；He，Q.；Ni，J.Electrochemical oxidation characteristics of p-substituted phenols using aBoron-doped diamond electrode.Environ.ScL Technol.2007，41，6541-6546.
(7)Tian，M.；Bakovic，L.；Chen，A.Kinetics of the electrochemicaloxidation of 2-nitrophenol and 4-nitrophenol studied by in situ UV spectroscopyand chemometrics，Electrochim.Acta，2007，52，6517-6524.
(8)Raju，T.；Chung，SJ.；Pillai，K.C.；Moon，I.S.Simultaneous removal ofNOx and SO2：A promising Ag(ll)/Ag(ll)based mediated electrochemicaloxidation system.Clean-Soil.Air Wat.2008，36，476-481.
(9)Martinez-Huitle，C.A.；De Battisti，A.；Ferro，S.；Reyna，S.；Cerro-Lopez，M.；Quiro，M.A.Removal of the pesticide methamidophos fromaqueous solutions by electrooxidation using Pb/PbO2，Ti/SnO2，Si/BDDelectrodes.Environ.Sell Technol.2008，42，6929-6935.
(10)Chai，X.L.；Zhao，Y.C.Adsorption of phenolic compounds byaged-refuse.J.Hazard.Mat.2006，137，410-417.
(11)Pena，M.；Meng，X.；Korfiatis，G.P.；Jing，C.Adsorption mechanismof arsenic on nanocrystalline titanium dioxide.Environ.Sci.Technol.2006，40，1257-1262.
(12)Christensen，P.A.；Egerton，T.A.；Kosa，S.A.M.；Tinlin，J.R.；Scott，K.Photochemical oxidation of aqueous nitrophenols using a novel reactor.J.App.Electrochem.2006，35，683-692.
(13)Malpass，G.R.P.；Miwa，D.W.；Miwa，A.C.P.；Machado，A.S.；Motheo，AJ.Photo-assisted electrochemical oxidation of atrazine on a commericialTi/Ru0.3Ti0.7O2 DSA electrode.Environ.Sci.Techno！.2007，41，7120-7125.
(14)Peng，X.；Chen，A.Large-scale synthesis and characterization ofTiO2-based nanostructures on titanium substrate.Adv.Fund.Mater.2006，16，1355-1362.
(15)Ye，X.J.；Chen，D.；Li，K.Y.；Shah，V.Photocatalytic oxidation ofaldehydes/PCE using porous anatase titania and visible-light-responsivebrookite titania.Chem.Eng.Commun.2007，194，368-381.
(16)Liu，Z.Y.；Zhang，XT.；Nishimoto，S.；Mruakami，T.；Fujishima，A.Efficient photocatalytic degradation of gaseous acetaldehyde by highly orderedTiO2 nanotube arrays.Environ.Sci.Technol.2008，42，8547-8551.
(17)Fujishima，A.；Rao，T.N.；Tryk，D.Titanium dioxide photocatalysis.J.Photochem.Photobio.C：Photochem.Rev.2000，1，1-21.
(18)Amano F.；Yamaguchi T.；Tanaka T.Photocatalytic oxidation ofpropylene with molecular oxygen over highly dispersed titanium，vanadium andchromium oxides on silica.J.Phys.Chem.B 2006，110，281-288.
(19)Xu，T.；Cai，Y.；O′Shea，K.E.Adsorption and photocatalyzed oxidationof methylated arsenic species in TiO2 suspensions.Environ.Sci.Technol.2007，41，5471-5477.
(20)Chen，A.；Peng，X.；Holt-Hindle，P.TiO2 Nanostructured Materials：Design，Characterization and Applications.In Frontal Nanotechnology Research；M.V.Berg，M.V.，Ed.；Nova Science Publishers，Inc.，2007；pp 131-159.
(21)Ryu，J.；Choi，W.Photocatalytic oxidation of arsenite on TiO2：understanding the controversial oxidation mechanism involving superoxides andthe effect of alternative electron acceptors.Environ.Sci.Technol.2006，40，7034-7039.
(22)Amano F.；Suzuki S.；Yamamoto T.；Tanaka T.One electronreducibility of isolated copper oxide on alumina for selective NO-CO reaction.Appl.Catal.B.Environ.2006，64，282-289.
(23)Yoon，S.H.；Lee，J.H.Oxidation mechanism of As(III)in the UV/TiO2system：evidence for a direct hole oxidation mechanism.Environ.Sci.Technol.2005，39，9695-9701.
(24)Nosaka Y.；Koenuma K.；Ushida K.；Kira A.Reaction mechanism ofthe decomposition of acetic acid on illuminated TiO2 powder studied by in-situelectron spin resonance measurements.Langmuir 1996，12，736-738.
(25)Lair，A.；Ferronato，C；Chovelon，J.M.；Herrmann，J.M.Naphthalenedegradation in water by heterogeneous photocatalysis：An investigation of theinfluence of inorganic anions.J.Photochem.Photobio.A.：Chem.2008，193，193-203.
(26)Agrios，A.；Pichat，P.State of the art and perspectives on materials andapplications of photocatalysts over TiO2.J.Appl.Electrochem.2005，35，655-663.
(27)Wu，G.；Nishikawa，T.；Ohtani，B.；Chen，A.Synthesis andcharacterization of carbon doped TiO2 nanostructures with enhanced visibleresponse.Chem.Mater.2007，19，4530-4537.
(28)Canizares，P.；Martinez，F.；Jimenez，C；Lobato，J.；Rodrigo，M.A.Coagulation and electrocoagulation of wastes polluted with dyes.Environ.ScLTechnol.2006，40，6418-6424.
(29)Wang，J.W.；Bejan，D.；Bunce，NJ.Electrochemical methods forremediation of arsenic contaminated nickel electrorefining baths.Ind.Eng.Chem Res.2005，44，3384-3388.
(30)Rodgers，J.D.；Bunce，NJ.Electrochemical treatment of2，4，6-trinitrotpluene and related compounds.Environ.Sci.Technol.2001，35，406-410.
(31)Adams，B.；Tian，M.；Chen，A.Design and electrochemical study ofSnO2-based mixed oxide electrodes.Electrochem.Acta 2009，54，1491-1498.
(32)Comninellis，C.Electrocatalysis in the electrochemicalconversion/combustion of organic pollutants for waste water treatment.Electrochim.Acta 1994，39，1857-1862.
(33)Chen，A.；Miller，B.Potential oscillations during the electrocatalyticoxidation of sulfide on a microstructured Ti/Ta2O5-lrO2 electrode.J.Phys.Chem.B 2004，108，2245-2251.
(34)Miller B.；Chen，A.Effect of concentration and temperature onelectrochemical oscillations during sulfide oxidation on Ti/Ta2O5-lrO2electrodes.Electrochim.Acta 2005，50，2203-2212.
(35)4-Nitrophenol Health and Environmental Effects Profiles No.135，U.S.Environmental Protection Agency(EPA)，U.S.Government Printing Office，District of Columbia，1980.
(36)Quiroz，M.A.；Reyna，S.；Martinez-Huitle，C.A.；Ferro，S.；De Battisti，A.Electrocatalytic oxidation of p-nitrophenol from aqueous solutions atPb/PbO2 anodes.App.Catal.B：Environ.2005，59，259-266.
Claims (44)
1.用于结合光催化和电化学处理的电极，其用于去除至少第一污染物和第二污染物，所述第一污染物和第二污染物是有机化学污染物、无机化学污染物及微生物中的任一种或它们的组合，所述电极包括：
a)具有表面的导电基底，
b)光催化剂，其施加于所述表面的第一部分，并且具有能级差(Eg)，和
c)电催化剂，其施加于所述表面的第二部分，所述电催化剂的材料不同于所述光催化剂的材料，所述表面的第一部分与第二部分彼此不同；
其中将所述导电基底插入到含有多种污染物的液体中，用能量等于或高于Eg的光子照射所述光催化剂，并且向所述导电基底施加阳极电位偏压，得到施加于所述电催化剂的阳极电位偏压，其至少诱导位于所述电催化剂表面的第一污染物阳极氧化，并且沿着所述光催化剂的厚度产生电位降，在所述光催化剂的表面引起能带弯曲，从而导致在所述厚度中产生的电子与空穴分离，将空穴驱动至所述表面并且至少引起第二污染物的阳极氧化。
2.权利要求1的电极，其中所述电催化剂以第一预选图案施加于所述表面，并且所述光催化剂以第二预选图案施加于所述表面，所述第二预选图案与所述第一预选图案隔开。
3.权利要求1的电极，其中所述导电基底具有两个相对的表面，并且其中所述电催化剂施加于所述相对表面之一，并且所述光催化剂施加于另一相对表面。
4.权利要求1的电极，其中所述导电基底是具有第一表面的第一导电基底，限定向其施加所述光催化剂的第一部分，所述电极包含具有第二表面的第二导电基底，限定向其施加所述电催化剂的第二部分，并且其中所述第一导电基底和第二导电基底电连接在一起，从而所述阳极电位偏压同时施加于所述第一导电基底和第二个导电基底。
5.权利要求1-4中任一项的电极，其中所述光催化剂选自金属氧化物、光导聚合物、硅和它们的任意组合。
6.权利要求5的电极，其中所述金属氧化物选自TiO2、掺杂的TiO2、Fe2O3、SnO2、ZnO和它们的任意组合。
7.权利要求6的电极，其中所述掺杂的TiO2是用选自碳、氮、氟、硼、铂、金和它们的任意组合的掺杂剂掺杂的。
8.权利要求1-7中任一项的电极，其中所述基底选自金属片、金属板、导电聚合物和它们的任意组合。
9.权利要求1-8中任一项的电极，其中所述基底是柔性的。
10.权利要求1-9中任一项的电极，其中所述电催化剂选自Ta2O5-IrO2、SnO2、Pt、RuO2、IrO2、碳、PbO2、SnO2-Sb2O5、掺杂的SnO2-Sb2O5和它们的任意组合。
11.权利要求1-10中任一项的电极，其中所述光催化剂是TiO2并且其中所述电催化剂是Ta2O5-IrO2。
12.权利要求11的电极，其中所述基底选自钛、钽和它们的任意组合。
13.权利要求3的电极，其中所述导电基底是多孔板，具有多个贯通其中的孔。
14.用于废水处理和水净化的系统，其用于去除至少第一污染物和第二污染物，所述至少第一污染物和第二污染物是有机化学污染物、无机化学污染物及微生物中的任一种或它们的组合，所述系统包括：
a)双功能电极，所述双功能电极包括：
i)具有表面的导电基底，
ii)光催化剂，其施加于所述表面的第一部分，并且具有能级差(Eg)，和
iii)电催化剂，其施加于所述表面的第二部分，所述电催化剂的材料不同于所述光催化剂的材料，所述表面的第一部分与第二部分彼此不同；
b)对电极，所述双功能电极和所述对电极与电源相连，设置所述电源从而向所述双功能电极提供阳极电位偏压，和
c)光源，其用于发射能量等于或高于Eg的光子，相对于所述双功能电极设置所述光源，从而所述光源照射涂布有所述光催化剂的所述表面部分；
其中将所述导电基底插入到含有多种污染物的液体中，用所述光源照射所述光催化剂，并且向所述导电基底施加阳极电位偏压，得到施加于所述电催化剂的阳极电位偏压，其至少诱导位于所述电催化剂表面的第一污染物阳极氧化，并且沿着所述光催化剂的厚度产生电位降，在所述光催化剂的表面引起能带弯曲，从而导致在所述厚度中产生的电子与空穴分离，将空穴驱动至所述表面并且至少引起第二污染物的阳极氧化反应。
15.权利要求14的系统，其中所述电催化剂以第一预选图案施加于所述表面，并且所述光催化剂以第二预选图案施加于所述表面，所述第二预选图案与所述第一预选图案隔开。
16.权利要求14的系统，其中所述导电基底具有两个相对的表面，并且其中所述电催化剂施加于所述相对表面之一，并且所述光催化剂施加于另一相对表面。
17.权利要求14的系统，其中所述导电基底是具有第一表面的第一导电基底，限定向其施加所述光催化剂的第一部分，所述电极包含具有第二表面的第二导电基底，限定向其施加所述电催化剂的第二部分，并且其中所述第一导电基底和第二导电基底电连接在一起，从而所述阳极电位偏压同时施加于所述第一导电基底和第二个导电基底。
18.权利要求14的系统，其中所述导电基底通常是柱形管道，所述光催化剂涂布于所述管道的外表面，而所述电催化剂涂布于所述管道的内表面，所述系统包含废液流动室，所述管道位于所述废液流动室中，所述光源与所述外表面隔开从而照射所述外表面，并且其中所述管道的长轴与所述废液的流动方向平行，从而沿所述管道的内表面流经所述管道内部的废液中的污染物发生阳极氧化，而流经所述管道的外表面的废液中的污染物发生光氧化。
19.权利要求18的系统，其中所述通常是柱形的管道在管壁上包含多个孔。
20.权利要求14的系统，其中所述导电基底通常是柱形管道，所述电催化剂涂布于所述管道的外表面，而所述光催化剂涂布于所述管道的内表面，所述系统包含废液流动室，所述管道位于所述废液流动室中，并且其中所述管道的长轴与所述废液的流动方向平行，所述光源是沿所述长轴排列的柱状光源以便照射所述内表面，从而沿所述管道的内表面流经所述管道内部的废液中的污染物发生光氧化，而流经所述管道的外表面的废液中的污染物发生阳极氧化。
21.权利要求20的系统，其中所述通常是柱形的管道在管壁上包含多个孔。
22.权利要求18-21中任一项的系统，其中所述通常是柱形的管道是塑料管道，具有施加于其外表面上的第一导电涂层和施加于其内表面上的第二导电涂层，并且其中将所述电催化剂施加于所述第一和第二导电涂层之一，并且将所述光催化剂施加于另一导电涂层，所述电源与所述第一导电涂层和第二导电涂层电连接，从而阳极电位偏压同时施加于所述电催化剂和所述光催化剂。
23.权利要求14-22中任一项的系统，其中所述光催化剂选自金属氧化物、光导聚合物、硅和它们的任意组合。
24.权利要求23的系统，其中所述金属氧化物选自TiO2、掺杂的TiO2、Fe2O3、SnO2、ZnO和它们的任意组合。
25.权利要求24的系统，其中所述掺杂的TiO2是用选自碳、氮、氟、硼、铂、金和它们的任意组合的掺杂剂掺杂的。
26.权利要求14-25中任一项的系统，其中所述基底选自金属片、金属板、导电聚合物和它们的任意组合。
27.权利要求14-26中任一项的系统，其中所述基底是柔性的。
28.权利要求14-27中任一项的系统，其中所述电催化剂选自Ta2O5-IrO2、SnO2、Pt、RuO2、IrO2、碳、PbO2、SnO2-Sb2O5、掺杂的SnO2-Sb2O5和它们的任意组合。
29.用于结合光催化和电化学处理的方法，其用于去除至少第一污染物和第二污染物，所述第一污染物和第二污染物是有机化学污染物、无机化学污染物及微生物中的任一种或它们的组合，所述方法包括以下步骤：
将电极插入废水中，所述电极具有表面，并且具有施加于所述表面的第一部分的光催化剂，所述光催化剂具有能级差(Eg)，并且所述电极具有施加于所述表面的第二部分的电催化剂，所述表面的第一部分与第二部分彼此不同；
用能量等于或高于Eg的光子照射所述光催化剂，从而在所述光催化剂中产生电子-空穴对；和
向所述电极施加阳极电位偏压，得到施加于所述电催化剂的阳极电位偏压，其至少诱导位于所述电催化剂表面的第一污染物阳极氧化，并且沿着所述光催化剂的厚度产生电位降，在所述光催化剂的表面引起能带弯曲，从而导致在所述厚度中产生的电子与空穴分离，将空穴驱动至所述表面并且至少引起位于所述光催化剂的表面的第二污染物的阳极氧化。
30.权利要求29的方法，其中所述光催化剂选自金属氧化物、光导聚合物、硅和它们的任意组合。
31.权利要求30的方法，其中所述金属氧化物选自TiO2、掺杂的TiO2、Fe2O3、SnO2、ZnO和它们的任意组合。
32.权利要求31的方法，其中所述掺杂的TiO2是用选自碳、氮、氟、硼、铂、金和它们的任意组合的掺杂剂掺杂的。
33.权利要求29-32中任一项的方法，其中所述基底选自金属片、金属板、金属筛、导电聚合物和它们的任意组合。
34.权利要求29-33中任一项的方法，其中所述基底是柔性的。
35.权利要求29-34中任一项的方法，其中所述电催化剂选自Ta2O5-IrO2、SnO2、Pt、RuO2、IrO2、碳、PbO2、SnO2-Sb2O5、掺杂的SnO2-Sb2O5和它们的任意组合。
36.权利要求39-35中任一项的方法，其中所述光催化剂是TiO2并且其中所述电催化剂是Ta2O5-IrO2。
37.权利要求36的方法，其中所述基底选自钛、钽和它们的任意组合。
38.权利要求29的方法，其中所述电极具有两个相对的表面，并且其中所述电催化剂施加于所述相对表面之一，并且所述光催化剂施加于另一相对表面。
39.权利要求38的方法，其中所述电极是多孔板，其具有多个贯通其中的孔。
40.权利要求1-12中任一项的电极，其中选择所述第一部分上的光催化剂的表面积与所述第二部分上的电催化剂的表面积的比值，从而给出所述电催化剂表面的至少第一污染物的阳极氧化反应与所述光催化剂表面的至少第二污染物的阳极氧化反应的预先选定的反应比。
41.权利要求1-12和40中任一项的电极，其中所述电催化剂是第一电催化剂，所述电极还包括位于所述表面的至少第三部分的至少第二电催化剂，所述至少第二电催化剂的材料不同于所述第一电催化剂和所述光催化剂，所述表面的第三部分不同于所述第一部分和第二部分。
42.权利要求41的电极，其中所述光催化剂是第一光催化剂，所述电极还包括位于所述表面的至少第四部分的至少第二光催化剂，所述至少第二光催化剂的材料不同于所述第一电催化剂、第二电催化剂和第一光催化剂，所述表面的第四部分不同于所述第一部分、第二部分和第三部分。
43.权利要求14-28中任一项的电极，其中选择所述第一部分上的光催化剂的表面积与所述第二部分上的电催化剂的表面积的比值，从而给出所述电催化剂表面的至少第一污染物的阳极氧化反应与所述光催化剂表面的至少第二污染物的阳极氧化反应的预先选定的反应比。
44.权利要求29-39中任一项的电极，其中选择所述第一部分上的光催化剂的表面积与所述第二部分上的电催化剂的表面积的比值，从而给出所述电催化剂表面的至少第一污染物的阳极氧化反应与所述光催化剂表面的至少第二污染物的阳极氧化反应的预先选定的反应比。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US21324109P | 2009-05-20 | 2009-05-20 | |
| US61/213,241 | 2009-05-20 | ||
| PCT/CA2010/000763 WO2010132993A1 (en) | 2009-05-20 | 2010-05-19 | Method and system for combined photocatalytic and electrochemical wastewater remediation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102596823A true CN102596823A (zh) | 2012-07-18 |
Family
ID=43125696
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201080033251XA Pending CN102596823A (zh) | 2009-05-20 | 2010-05-19 | 结合光催化和电化学的废水处理方法和系统 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20120279872A1 (zh) |
| CN (1) | CN102596823A (zh) |
| CA (1) | CA2762209A1 (zh) |
| WO (1) | WO2010132993A1 (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103088362A (zh) * | 2012-12-13 | 2013-05-08 | 苏州新区化工节能设备厂 | 一种管状钛阳极 |
Families Citing this family (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5456785B2 (ja) * | 2009-09-09 | 2014-04-02 | 三井化学株式会社 | ガス生成装置およびガス生成方法 |
| CA2900722A1 (en) * | 2013-02-11 | 2014-08-14 | AquaMost, Inc. | Apparatus and method for treating aqueous solutions and contaminants therein |
| WO2015066493A1 (en) * | 2013-10-31 | 2015-05-07 | AquaMost, Inc. | Apparatus and method for treating aqueous solutions and contaminants therein |
| US10059607B2 (en) * | 2014-07-10 | 2018-08-28 | The California Institute Of Technology | Electrolysis electrode |
| CN106277216A (zh) * | 2016-08-05 | 2017-01-04 | 浙江工业大学 | 铟掺杂钛基二氧化铅电极及其制备方法和应用 |
| US11779898B2 (en) | 2017-06-27 | 2023-10-10 | Syzygy Plasmonics Inc. | Photocatalytic reactor system |
| CN111032212A (zh) * | 2017-06-27 | 2020-04-17 | 融合等离子公司 | 光催化反应器单元 |
| CN107915293A (zh) * | 2017-12-13 | 2018-04-17 | 江西省子轩科技有限公司 | 一种新型污水处理复合絮凝剂及其制备方法 |
| CN108341467A (zh) * | 2018-03-09 | 2018-07-31 | 陕西科技大学 | 一种Ag/GO/Ti电极与制备方法及其在去除水中硝酸盐中的应用 |
| CN109553162B (zh) * | 2018-11-27 | 2021-08-20 | 昆明理工大学 | 一种以有序多孔ZnO为模板的不锈钢基纳米阵列β-PbO2电极的制备方法 |
| US11760662B2 (en) | 2019-06-25 | 2023-09-19 | California Institute Of Technology | Reactive electrochemical membrane for wastewater treatment |
| CN111115930A (zh) * | 2019-12-25 | 2020-05-08 | 辽宁大学 | 一种反渗透联合光电催化氧化处理印染废水的方法 |
| CN111137943A (zh) * | 2020-01-08 | 2020-05-12 | 上海金铎禹辰水环境工程有限公司 | 基于协同超净化水土共治的大流域污染水体生态修复方法 |
| CN111233078B (zh) * | 2020-02-27 | 2022-04-12 | 陕西师范大学 | 一种磁助光电耦合有机废水处理系统及方法 |
| CN112058276A (zh) * | 2020-08-25 | 2020-12-11 | 常州烯奇新材料有限公司 | 一种铁离子改性的光触媒复合材料及其制备方法 |
| EP4083275A1 (en) * | 2021-04-30 | 2022-11-02 | Fundació Institut Catala de Recerca de l'Aigua (ICRA) | Method to prepare an electrode with a manganese oxide coated titanium oxide nanotube array interlayer, electrode obtained thereof, and uses of the electrode |
| CN113600161B (zh) * | 2021-08-09 | 2024-02-23 | 大连海事大学 | 二氧化钛纳米管网络催化板的制备方法及在污泥抗生素抗性基因处理中的应用 |
| CA3234271A1 (en) | 2021-10-13 | 2023-04-20 | John B. HAYDEN | Bias enhanced electrolytic photocatalysis (beep) cleaning system |
| CN115093009B (zh) * | 2022-01-24 | 2023-07-18 | 成都理工大学 | 一种用于地下水循环井的光催化微生物燃料电池处理组件 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5137607A (en) * | 1990-04-27 | 1992-08-11 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Reactor vessel using metal oxide ceramic membranes |
| CN1562776A (zh) * | 2004-03-19 | 2005-01-12 | 太原理工大学 | 光电催化有机水处理氧电极的制备方法 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0246957B1 (en) * | 1986-05-19 | 1992-09-30 | Delphi Research Inc. | A method for treating organic waste material and a catalyst/cocatalyst composition useful therefor |
| US5395522A (en) * | 1993-02-23 | 1995-03-07 | Anatel Corporation | Apparatus for removal of organic material from water |
| CN1329576A (zh) * | 1998-12-07 | 2002-01-02 | 萨比水纯化系统公司 | 用于纯化水溶液及合成化学品的电解装置、方法 |
| US6936143B1 (en) * | 1999-07-05 | 2005-08-30 | Ecole Polytechnique Federale De Lausanne | Tandem cell for water cleavage by visible light |
| DE10213540A1 (de) * | 2002-03-06 | 2004-02-19 | Celanese Ventures Gmbh | Lösung aus Vinylphosphonsäure, Verfahren zur Herstellung einer Polymerelektrolytmembran aus Polyvinylphosphaonsäure und deren Anwendung in Brennstoffzellen |
| JP3841012B2 (ja) * | 2002-04-15 | 2006-11-01 | 日本電気株式会社 | 燃料電池、電気機器、および電気機器の駆動方法 |
| US20090250353A1 (en) * | 2006-05-26 | 2009-10-08 | Aicheng Chen | Nanoporous Material |
-
2010
- 2010-05-19 CN CN201080033251XA patent/CN102596823A/zh active Pending
- 2010-05-19 WO PCT/CA2010/000763 patent/WO2010132993A1/en active Application Filing
- 2010-05-19 CA CA2762209A patent/CA2762209A1/en not_active Abandoned
- 2010-05-19 US US13/321,425 patent/US20120279872A1/en not_active Abandoned
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5137607A (en) * | 1990-04-27 | 1992-08-11 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Reactor vessel using metal oxide ceramic membranes |
| CN1562776A (zh) * | 2004-03-19 | 2005-01-12 | 太原理工大学 | 光电催化有机水处理氧电极的制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| PEIQIANG LI ET AL.: "Constructing Stake Structured TiO2-NTs/Sb-Doped SnO2 Electrode Simultaneously with High Electrocatalytic and Photocatalytic Performance for Complete Mineralization of Refractory Aromatic Acid", 《AMERICAN CHEMICAL SOCIETY》, vol. 113, no. 6, 20 January 2009 (2009-01-20), pages 2375 - 2383 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103088362A (zh) * | 2012-12-13 | 2013-05-08 | 苏州新区化工节能设备厂 | 一种管状钛阳极 |
| CN103088362B (zh) * | 2012-12-13 | 2015-12-23 | 苏州赛斯德工程设备有限公司 | 一种管状钛阳极 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2010132993A1 (en) | 2010-11-25 |
| US20120279872A1 (en) | 2012-11-08 |
| CA2762209A1 (en) | 2010-11-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102596823A (zh) | 结合光催化和电化学的废水处理方法和系统 | |
| Ochiai et al. | Photoelectrochemical properties of TiO2 photocatalyst and its applications for environmental purification | |
| Zarei et al. | Fundamentals and some applications of photoelectrocatalysis and effective factors on its efficiency: a review | |
| Abbasi-Asl et al. | Efficient degradation of metronidazole antibiotic by TiO2/Ag3PO4/g–C3N4 ternary composite photocatalyst in a continuous flow-loop photoreactor | |
| Barbari et al. | Photocatalytically-assisted electrooxidation of herbicide fenuron using a new bifunctional electrode PbO2/SnO2-Sb2O3/Ti//Ti/TiO2 | |
| Pourzamani et al. | Electrochemical degradation of diclofenac using three-dimensional electrode reactor with multi-walled carbon nanotubes | |
| Kabra et al. | Treatment of hazardous organic and inorganic compounds through aqueous-phase photocatalysis: a review | |
| Chai et al. | Selective photoelectrocatalytic degradation of recalcitrant contaminant driven by an nP heterojunction nanoelectrode with molecular recognition ability | |
| Mousset et al. | A new 3D-printed photoelectrocatalytic reactor combining the benefits of a transparent electrode and the Fenton reaction for advanced wastewater treatment | |
| Suhadolnik et al. | Structured titanium oxynitride (TiOxNy) nanotube arrays for a continuous electrocatalytic phenol-degradation process: Synthesis, characterization, mechanisms and the chemical reaction micro-kinetics | |
| Qu et al. | Design of BDD-TiO2 hybrid electrode with P− N function for photoelectrocatalytic degradation of organic contaminants | |
| Wu et al. | Recovering hydrogen energy from photocatalytic treatment of pharmaceutical-contaminated water using Co3O4 modified {001}/{101}-TiO2 nanosheets | |
| Deng et al. | Enhanced photocatalytic activity of Bi2WO6/TiO2 nanotube array composite under visible light irradiation | |
| Kaur et al. | Synthesis of a novel SnO2/graphene-like carbon/TiO2 electrodes for the degradation of recalcitrant emergent pharmaceutical pollutants in a photo-electrocatalytic system | |
| Masekela et al. | Thin films (FTO/BaTiO3/AgNPs) for enhanced piezo-photocatalytic degradation of methylene blue and ciprofloxacin in wastewater | |
| Yu et al. | The exploration of Ti/SnO2-Sb anode/air diffusion cathode/UV dual photoelectric catalytic coupling system for the biological harmless treatment of real antibiotic industrial wastewater | |
| Norouzi et al. | Electrochemical removal of fluoxetine via three mixed metal oxide anodes and carbonaceous cathodes from contaminated water | |
| Deng et al. | A dynamic anode boosting sulfamerazine mineralization via electrochemical oxidation | |
| Xue et al. | Ti3C2 MXene assembled with TiO2 for efficient photocatalytic mineralization of gaseous o-xylene | |
| Ma et al. | Photocatalytic degradation of octadecylamine and 4-dodecylmorpholine over titanium based photocatalyst: Activity and mechanism insights | |
| Chen et al. | Model Unraveling the Ultra-Efficient Multi-Stage Flow-Through Anodes for Water Purification Application: Development of Design and Evaluation | |
| Rengaraj et al. | Photocatalytic degradation of bisphenol A as an endocrine disruptor in aqueous suspension using Ag-TiO2 catalysts | |
| Sun et al. | Kinetic modeling of the anodic degradation of Ni-EDTA complexes: Insights into the reaction mechanism and products | |
| Motoc et al. | Electrochemical degradation of pharmaceutical effluents on carbon-based electrodes. | |
| Kaur et al. | Photoelectrocatalytic treatment of municipal wastewater with emerging concern pollutants using modified multi-layer catalytic anode |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120718 |