CN102826631B - 一种用于高效评价光电催化反应效率的水力波轮盘反应器 - Google Patents
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Abstract
一种高效评价光电催化反应效率的水力波轮盘反应器，具体来说是一种以水力波轮的方式实现电辅助光催化处理水中有机污染物的反应器，属于水污染控制技术领域。该反应装置主要由一体式反应槽、负载光催化剂波轮盘及其固定化金属管、固定化电极板、氙灯光源、恒电位仪直流电源等构成。此装置利用光催化作用氧化或还原水中有机污染物，并借助电场作用强化光催化效率，并利用电场所产生的活性基团与光催化发生协同作用。该反应器的特点在于可借助水力在水面以上部分的波轮表面形成水膜，以强化传质效率，从而实现高效降解水中有机污染物。该反应装置结构简单、处理效率高，适用于含难降解有机污染物废水的快速处理，环境友好，方便快捷，可用于实验室相关研究过程的评价和小型水处理工艺的实施。
Description
技术领域
本发明装置涉及一种用于高效光电催化联用技术评价研究的水力波轮盘反应器，主要用于光催化、电催化以及光电催化联用中光催化剂活性测试、动力学因素考察以及反应机理分析。
背景介绍
随着我国社会经济的快速发展，工业化和城市化程度的不断提高，我国水资源短缺与水污染问题日益突出，严重影响了人民的生活质量和身体健康，制约着我国社会、经济和环境可持续协调发展。目前常见的水污染控制手段包括有化学法、吸附法、生物法等。可见光催化技术因具有二次污染少、反应条件温和、操作简便、能耗低等优点而倍受关注，是水污染控制化学技术领域中一项重要的高级氧化技术。随着环境与能源问题的凸显，直接利用太阳能中可见光催化进行水处理被认为是价廉、高效、环境友好的技术之一。
近年来，可见光催化剂由于具有较强的太阳能吸收利用能力，逐渐成为新型光催化剂的研究热点。光催化剂作为半导体，具有特殊的外层电子结构，在紫外光照射下可以产生“空穴”效应。可见光催化剂在可见光波长范围内有明显的吸收，光催化活性较好，性质稳定。通过调节制备和改性方法，可以显著提高其可见光吸收能力，抑制光生电子和空穴复合，从而进一步提高其光催化性能。然而，现有可见光催化剂的光利用效率不高，光能转化率较差，而且现有的多种可见光催化剂为粉末材料，经过水处理应用之后，无法回收利用。因此，可见光催化剂在水污染控制领域的实际应用受到一定限制。
迄今为止，大量研究揭示出制约可见光催化过程中光能转化效率的主要问题之一是量子效率太低，反应速率不高。近年来有研究者从光源的合理利用、光催化剂的制备与掺杂、催化剂固定化等方面进行了大量研究。此外，还有采用电化学辅助的光催化方法，或称光电催化方法，以阻止光生电子和空穴发生简单复合以提高量子效率。外加电场的存在可延长TiO2的空穴电子复合时间，增强“空穴”效应，增加紫外光利用率，从而生成较多的氢氧自由基。但是在以往的研究中，人们多注重TiO2光阳极对光催化过程量子效率提高的促进作用，而很少关注其对光电催化传质过程的促进作用。目前，光电催化处理污水存在的问题有：1)光催化剂粒径一般为纳米级，在水处理过程中，若将光催化剂投入污水中应用，处理后很难将催化剂与水分离；2)曝气、紫外灯和电解电源的使用导致处理过程中存在一定能耗；3)由于传质动力学限制，在电极表面会产生浓差极化，降低光电效率；此外，其主要问题还在于，4)液固界面的传质和透光阻力依然较大，光能利用效率和产物扩散过程反应速率还有待提高。
水力波轮盘光电催化反应装置利用固定化光催化剂的波轮盘兼做光催化和电催化的反应介质，能解决光催化剂与水分离困难的问题；同时由于波轮盘面可滚动于水面的特点，在波轮盘面上构造一层极薄的水膜，使得光催化剂表面的传质膜厚度得到有效降低，从而提供光电极活化面积和传质速率以提高光催化量子效率。此外，波轮盘可以直接通电构成电催化阳极，一方面不断产生氢氧自由基使之用于降解污染物，另一方面与光催化体系协同，强化光催化处理污染物的效率。因此，该反应装置适用于含持久性有机污染物，特别是难降解痕量有机污染物工业污水的高效模拟处理，以此对光催化、电催化以及光电催化联用中光催化剂活性进行快速测试评价。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效评价光电催化反应效率的水力波轮盘反应器，即一种光电催化处理水中有机污染物的装置，它是利用光催化、电催化的联合作用实现对水中有机污染物的高效降解。这样的联合作用能提高降解过程所需的氢氧自由基浓度，进而提高有机污染物的降解效率。该光电化学反应装置可有效地将水中有机污染物降解为毒性较低的小分子有机物或无机物，处理迅速、净化效率高，且无二次污染问题。
本发明的技术方案是：一种处理难降解有机污染物的光电催化装置，包括一体式反应槽、负载光催化剂波轮盘及其固定化金属管、固定电极板、氙灯光源、恒电位仪直流电源、进水管、出水管以及金属导线等；所述的一体式反应槽为聚四氟乙烯材质；所述的负载光催化剂波轮盘及其固定化金属管和固定电极板材质为纯钛；所述的氙灯光源为市售型号，管状，功率500瓦，波长范围为340-1900nm；反应时，含有污染物的反应液由进水管流过一体式反应槽，带动波轮盘转动，在光电催化的共同作用下，实现水质净化，净化后的反应液由出水口流出。
本发明的优点是将负载光催化剂波轮盘反应器与电化学反应器合二为一，不仅使反应装置结构紧凑合理，更重要的是电化学反应和光催化反应能有机结合，以电催化强化光催化作用，且光催化波轮盘可带动反应液附着于盘面，形成水膜强化了传质效率，从而实现高效降解水中有机污染物。具体优点为：1)负载光催化剂波轮盘可同时起到光催化剂载体和电催化极板的作用；2)负载光催化剂波轮盘在操作过程中随水流运动，带动反应液形成水膜，强化了传质效率、提高了光能利用率；3)实现了光催化和电催化的协同作用，以电辅助光催化，实现了污染物的高效净化。因此，本发明能快速彻底去除水中有机污染物，且毋须添加化学试剂，环境友好，无二次污染，处理效率高，净化深度大，是全面、协调、可连续进行有机污染废水处理的装置或实验室评价装置。
附图说明
图1为本发明反应器主要配件的结构示意图：
图中：1-一体式反应槽；2-负载光催化剂波轮盘；3-固定电极板；
图2为本发明反应器搭载一组波轮盘(单排7片)的装配示意图：
图中：1-一体式反应槽；2-负载光催化剂波轮盘；3-固定电极板；4-氙灯光源；5-恒电位仪直流电源；6-进水管；7-出水管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图所示，本发明的一个可行实施例，用于高效评价光电催化反应效率的水力波轮盘反应器，该装置主体为一体式反应槽1，槽两侧平行开孔(2×7个，Φ2mm)，用于安装不锈钢转轴(2×7个，Φ2mm，长210mm)。负载光催化剂波轮盘2以冷缩法紧固于钛管(Φ3×1mm，长200mm)外特定位置后，以不锈钢转轴穿过，固定于一体式反应槽1内。根据波轮盘位置调整并固定固定化电极板3位置，使二者平行间距在10-20mm之间。固定氙灯光源4于反应槽正上方，距离波轮盘间距50mm。固定化电极板和不锈钢转轴分别连接恒电位仪直流电源5的正负两极。进水管6注入含污染物反应液，反应液液面不断上升，当出水管7溢流时，启动氙灯光源4和恒电位仪直流电源5，开始水处理操作。
实施例1
负载光催化剂波轮盘的光催化剂负载化方法。具体包括如下步骤：
先将固定光催化剂用波轮盘在60℃，质量浓度为20％的氢氧化钠溶液中清洗，以除去油污，然后在温热浓硝酸溶液中腐蚀直至表层TiO2去除，并暴露出金属钛表面，而后用脱氧水反复冲洗，作为电镀阳极，置于氯化铅和氢氧化钠的电镀液中，与等面积的空白钛板形成电镀的阴阳两极，控制电流恒定为10mA，持续电镀1小时后以脱氧水冲洗。所得波轮盘浸入含硝酸铋质量浓度14％，钛酸四丁酯质量浓度2.7％的正丁醇溶液，浸渍5分钟后缓慢提拉出液面，烘干后置于450℃的马弗炉内焙烧3小时，而后再次浸渍，焙烧，重复操作6次，即得具有可见光催化能力的负载光催化剂波轮盘。
实施例2
以该装置对含混合氯酚污染物的模拟工业有机废水进行净化处理。进水参数为混合氯酚浓度105毫克/升，进水COD值270毫克/升，TOC值105毫克/升。控制电流强度为10mA，进水速率为50毫升/分钟，在出水口定时采样，并以紫外可见分光光度法分析氯酚浓度、以重铬酸钾消减法分析COD浓度、催化燃烧法分析TOC值。结果表明，经过1小时稳定期后，出水指标稳定在：混合氯酚浓度4.6毫克/升，COD值78.4毫克/升，出水TOC浓度22.6毫克/升，达到了较好的去除效果。
Claims (4)
1.一种高效评价光电催化反应效率的水力波轮盘反应器，其包括一体式反应槽、负载光催化剂波轮盘及其固定化金属管、固定电极板、氙灯光源、恒电位仪直流电源、进水管、出水管以及金属导线；所述一体式反应槽的材质为聚四氟乙烯；负载光催化剂波轮盘及其固定化金属管和固定电极板的材质均为纯钛；一体式反应槽，槽两侧平行开孔，用于安装不锈钢转轴；负载光催化剂波轮盘以冷缩法紧固于钛管外特定位置后，以不锈钢转轴穿过，固定于一体式反应槽内；根据波轮盘位置调整并固定固定化电极板，使二者平行间距在10-20mm之间；固定氙灯光源于反应槽正上方，距离波轮盘间距50mm；固定化电极板和不锈钢转轴分别连接恒电位仪直流电源的正负两极；进行水处理操作时，进水管注入含污染物反应液，反应液液面不断上升，当出水管溢流时，启动氙灯光源和恒电位仪直流电源，开始水处理操作；
其中，所述负载光催化剂波轮盘通过包括如下步骤的方法进行光催化剂负载化：
先将固定光催化剂用波轮盘在60℃，质量浓度为20％的氢氧化钠溶液中清洗，以除去油污，然后在温热浓硝酸溶液中腐蚀直至表层TiO2去除，并暴露出金属钛表面，而后用脱氧水反复冲洗，作为电镀阳极，置于氯化铅和氢氧化钠的电镀液中，与等面积的空白钛板形成电镀的阴阳两极，控制电流恒定为10mA，持续电镀1小时后以脱氧水冲洗；所得波轮盘浸入含硝酸铋质量浓度14％，钛酸四丁酯质量浓度2.7％的正丁醇溶液，浸渍5分钟后缓慢提拉出液面，烘干后置于450℃的马弗炉内焙烧3小时，而后再次浸渍，焙烧，重复操作6次，即得负载光催化剂波轮盘。
2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于：利用具有光催化效力和电催化效力的负载光催化剂波轮盘在水力带动下实现光电催化协同处理有机废水。
3.如权利要求1所述的反应器，其特征在于：氙灯光源采用波长范围为340-1900nm的500瓦氙灯。
4.如权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述装置的电催化操作电流控制为恒定10mA。
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