CN103359805B - 一种处理难降解有机废水的电助光催化反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电助光催化反应器，包含反应器外体（1）、一只石英套管（2）、一只或多只紫外汞灯（3）、多片光电极（4）、一个恒电位仪（7）、一个由进水口（5）、出水口（6）和进水泵和/或循环泵（8）组成的循环系统；是用本发明提供的反应器，其工艺简单、反应条件温和、降解速率高且无二次污染，可用于处理成分复杂，COD、色度、盐分和有毒难降解物质含量高的工业废水，如化工、农药、印染、涂料、造纸、皮革等废水。
Description
技术领域
本发明涉及一种处理难降解有机废水的电助光催化反应器，属于电助光催化反应器领域。
背景技术
随着我国工业的飞速发展，有毒有害工业废水的排放量剧增，高浓度、难降解有机废水带来的水质污染已成为我国环境污染的一个主要问题。
难降解工业有机废水主要包括焦化、染料、农药等工业废水，其特点是成分复杂，COD、色度、盐分和有毒难降解物质含量高。其中，染料工业废水浓度高、色度深、含盐量高、pH低、难以治理；有机农药废水剧毒、难生物降解；焦化废水和小造纸厂废水水量大、面源广。治理这类工业废水的方法主要有物理法、化学法、物理化学法（简称物化法）、生物法及其相互之间的组合技术等。但是，一般的物理化学方法难于处理且处理费用高，易带来二次污染。
电助光催化是在开发利用太阳能的光电化学电池的过程中迅速发展起来的。1972年，A.Fujishina和K.Honda在TiO2半导体电极上发现了水的光电催化分解作用，从此开始了多相催化研究的新纪元。20世纪80年代以来，TiO2多相催化在环境保护领域内对水和气相有机、无机污染物的去除方面均取得了较大进展。光电催化技术具有高效性、普适性和氧化降解的彻底性等优点，是一项具有广泛应用前景的新型高效水处理技术。光电协同催化同单一光催化相比可有效提高催化活性，是一种很有发展前途的污水处理方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种处理难降解工业有机废水的电助光催化反应器，工艺简单、反应条件温和、降解速率高且无二次污染，可用于处理成分复杂，COD、色度、盐分和有毒难降解物质含量高的工业废水。
具体的说，该系统主要包含一个电助光催化反应器外体（1）、一只石英套管（2）、一只或多只紫外汞灯（3）、多片光电极（4）、一个恒电位仪（7）、一个循环系统（由进水口（5）、出水口（6）和进水泵和/或循环泵（8）组成。石英套管（2）固定在反应器中央，紫外汞灯（3）置于石英套管（2）内，光电极（4）围绕着石英套管（2）呈放射状布置，间隔着与恒电位仪（7）的两极相接，废水从进水口（5）和外设的进水泵和/或循环泵相连，出水口（6）也与外设的进水泵和/或循环泵（8）相连，废水由进水泵和/或循环泵（8）从进水口（5）泵入反应器，出水口（6）的部分出水通过进水泵和/或循环泵（8），循环回进水口（5）。
电助光催化反应器由一个圆形硬质外体组成，外径尺寸为10cm-500cm范围内，有效容积为0.5L-5m3，材质可选用有机玻璃、石英玻璃或不锈钢等。一个垂直插有紫外汞灯的石英管垂直插入上述硬质外体中，其外径可由外体尺寸及容积确定。针对本反应器电极的射状布置，中心光源的垂直设置可使反应器和电极各处光照强度均匀，各处光电催化反应充分且均匀，反应器容积利用充分，提高整体反应器的反应效率。
本发明中所用的紫外灯可由一只至多只圆柱型灯管并列组成，辐射的光源成面源，使得光源能量更加集中，反应器的水层和光催化剂可以同时接受四周光照，大大增加了受光照面积。
反应器外体与石英玻璃管中间安放光电极（如附图2所示），极板间距为2-10cm，光电极与恒电位仪相连，其中优选4cm。电极材质可选用钛板、不锈钢板及铜板等。恒电位仪施加的电压为2-50伏。
光催化半导体材料可采用TiO2、RuO2及WO3等，投加方式可采用固定化（电极镀膜、外体内壁镀膜等）或直接投加。
反应器可采用间歇式或连续式进水，废水经反应器底部的进水口进水，由上部出水，利用恒流泵循环用于增加传质，也使得本系统更接近于工业实际。
本发明的有益效果：电助光催化反应器是一种光催化与电化学氧化联用的新型深度氧化技术，包含着固、液、气三相及光源、电源多种反应驱动力，且属于环境、化工、材料等多学科交叉应用的新技术，有不可小觑的发展前景。采用本发明电助光催化反应器能很好的降解难处理污水。
附图说明
图1电助光催化反应器结构图。
1.反应器外体，2.石英玻璃管，3.紫外汞灯，4.光电极，5.进水口，6.出水口，7.恒电位仪，8.进水泵和/或循环泵。
图2电助光催化反应器俯视图（以6片电极为例）。
1.反应器外体，2.石英玻璃管，4.光电极。
图3电助光催化反应器对酸性紫红染料的脱色率曲线。
图4电助光催化反应器对酸性紫红染料的脱色率曲线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明给予进一步详细的说明。
实施例1
本发明的提供的电助光催化反应器由一个电助光催化反应器外体（1）、一只石英套管（2）、一只或多只紫外汞灯（3）、多片光电极（4）、一个恒电位仪（7）、一个循环系统（由进水口（5）、出水口（6）和进水泵和/或循环泵（8）组成。石英套管（2）固定在反应器中央，紫外汞灯（3）置于石英套管（2）内，光电极（4）围绕着石英套管（2）呈放射状布置，间隔着与恒电位仪（7）的两极相接，废水从进水口（5）和外设的进水泵和/或循环泵相连，出水口（6）也与外设的进水泵和/或循环泵（8）相连，废水由进水泵和/或循环泵（8）从进水口（5）泵入反应器，出水口（6）的部分出水通过进水泵和/或循环泵（8），循环回进水口（5）。
电助光催化反应器的硬质外体组成，外径尺寸为10cm-500cm范围内，有效容积为0.5L-5m3，材质可选用有机玻璃、石英玻璃或不锈钢等。一个垂直插有紫外汞灯的石英管垂直插入上述硬质外体中，其外径可由外体尺寸及容积确定。
紫外灯可由一只至多只圆柱型灯管并列组成，辐射的光源成面源，使得光源能量更加集中，反应器的水层和光催化剂可以同时接受四周光照，大大增加了受光照面积。
反应器外体与石英玻璃管中间安放光电极（如附图2所示），极板间距为2-10cm，光电极与恒电位仪相连。经过反复试验确定极板间距为4cm时，效率最高。
电极材质可选用钛板、不锈钢板及铜板等。恒电位仪施加的电压为2-50伏。
光催化半导体材料可采用TiO2、RuO2及WO3等，投加方式可采用固定化（电极镀膜、外体内壁镀膜等）或直接投加。
实施例2：电助光催化反应器对酸性紫红染料的脱色效果
在适宜的条件下电助光催化反应器对酸性紫红染料有很好的脱色效果。采用初始酸性紫红溶液浓度为0.02g/L，极板间距为4cm，仅在紫外光照射条件下进行光催化；无光照、仅外加电压10V条件下进行电解；紫外光照射、外加电压10V条件下进行光电催化反应，得到结果如图3。由图3可知，在实验结束时，单一紫外光催化、单一电催化和光电协同催化的脱色率分别为44.27%、13.12%和77.18%。电化学辅助的光催化降解条件下，酸性紫红的脱色率远远大于单一光催化和单一电解的脱色率之和，反应效率有较大的提高。这表明，光化学催化和电化学氧化结合的光电催化具有协同效应，电助光催化反应器较好的利用了这种光电协同作用。
实施例3：电助光催化反应器对酸性紫红染料的脱色效果
采用初始酸性紫红溶液浓度为0.02g/L，极板间距为10cm，仅在紫外光照射条件下进行光催化；无光照、仅外加电压10V条件下进行电解；紫外光照射、外加电压10V条件下进行光电催化反应，得到结果如图4。由图4可知，在实验结束时，单一紫外光催化、单一电催化和光电协同催化的脱色率分别为44.27%、3.44%和48.65%。电化学辅助的光催化降解条件下，酸性紫红的脱色率大于单一光催化和单一电解的脱色率之和，但是协同效应不明显。这表明，电助光催化反应器中适宜的极板间距才能充分发挥出光电催化协同效应。
实施例4：电助光催化反应器对酸性紫红染料的脱色效果
采用初始酸性紫红溶液浓度为0.02g/L，极板间距为1cm，仅在紫外光照射条件下进行光催化；无光照、仅外加电压10V条件下进行电解；紫外光照射、外加电压10V条件下进行光电催化反应，在实验结束时，单一紫外光催化、单一电催化和光电协同催化的脱色率分别为12.27%、3.44%和18.65%。电化学辅助的光催化降解条件下，酸性紫红的脱色率大于单一光催化和单一电解的脱色率之和，但是协同效应不明显。这表明，电助光催化反应器中适宜的极板间距才能充分发挥出光电催化协同效应。
实施例5：电助光催化反应器对酸性紫红染料的脱色效果
采用初始酸性紫红溶液浓度为0.02g/L，极板间距为2cm，仅在紫外光照射条件下进行光催化；无光照、仅外加电压10V条件下进行电解；紫外光照射、外加电压10V条件下进行光电催化反应，在实验结束时，单一紫外光催化、单一电催化和光电协同催化的脱色率分别为41.27%、4.44%和53.65%。电化学辅助的光催化降解条件下，酸性紫红的脱色率大于单一光催化和单一电解的脱色率之和，但是协同效应不明显。这表明，电助光催化反应器中适宜的极板间距才能充分发挥出光电催化协同效应。
Claims (6)
1.一种处理难降解有机废水的电助光催化反应器，其特征在于反应器包含一个电助光催化反应器外体(1)、一只石英套管(2)、一只或多只紫外汞灯(3)、多片光电极(4)、一个恒电位仪(7)、一个由进水口(5)、出水口(6)和进水泵和/或循环泵(8)组成的循环系统；石英套管(2)固定在反应器中央，紫外汞灯(3)置于石英套管(2)内，光电极(4)围绕着石英套管(2)呈放射状布置、间隔着与恒电位仪(7)的两极相接，废水从进水口(5)和外设的进水泵和/或循环泵(8)相连，出水口(6)也与外设的进水泵和/或循环泵(8)相连，废水由进水泵和/或循环泵(8)从进水口(5)泵入反应器，出水口(6)的部分出水通过进水泵和/或循环泵(8)，循环回进水口(5)；所述光电极(4)极板间距为2-10cm。
2.根据权利要求1所述的电助光催化反应器，其特征在于所述反应器外径尺寸为10cm-500cm，有效容积为0.5L-5m3。
3.根据权利要求1所述的电助光催化反应器，其特征在于所述光电极(4)极板间距为4cm。
4.根据权利要求1或2所述的电助光催化反应器，其特征在于恒电位仪(7)施加的电压为2-50伏。
5.根据权利要求1或2所述的电助光催化反应器，其特征在于反应器可采用间歇式或连续式进水。
6.根据权利要求1所述的电助光催化反应器，其特征在于所述石英套管(2)垂直插入电助光催化反应器外体(1)中。
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