CN104787839B - 一种以电磁场强化超声雾化光催化效果的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光催化技术领域，特别涉及一种以电磁场强化超声雾化光催化效果的方法。在超声雾化光催化水处理的过程中，施加高压静电场使含光催化剂纳米颗粒的雾化液滴带电，随后施加交变磁场使带电的雾化液滴在电磁力的作用下环绕线光源受控前进，并回流至光催化剂悬浊液体系。本发明可避免雾化液滴与线光源表面接触，克服光源外表面催化剂污染的问题，同时强化雾化液滴在空气中的扩散速率，改善扩散模式，提高光催化剂的利用效率，强化超声雾化对水中污染物的催化降解效果。
Description
技术领域
本发明属于光催化技术领域，具体涉及一种以电磁场强化超声雾化光催化效果的方法。
背景技术
随着我国工农业生产的大力发展，水环境中的有机污染问题日趋严重，水中的有机污染物种类多、数量大，严重危及人体健康，污染问题相当突出。自1972年Fujishma等人发现受辐射后的TiO2电极上能发生水的持续氧化还原反应以来，以TiO2为代表的半导体光催化材料引起了人们的广泛关注。光催化可产生活性氢氧自由基(·OH)和超氧阴离子自由基(·O2 -)，起到矿化降解环境污染物和抑菌杀菌的作用。光催化技术还具有二次污染少、反应条件温和、操作简便、能耗低等优点而倍受关注，是污染控制化学技术领域中一项重要的高级氧化技术。此外，光催化技术还可用于光解水制氢，因此可实现产能和污水净化并行处理。因此，光催化技术可望成为解决当今世界能源与环境两大问题的突破口，是一种方兴未艾的水环境绿色技术。
在光催化过程中，光催化剂吸收能量大于其禁带宽度的光子而被激发，产生光生电子-空穴对。电子和空穴被输运至催化剂表面，与吸附于催化剂表面的物质发生氧化还原反应，生成具有强氧化性的自由基将有机污染物氧化降解。由于光催化剂多为纳米颗粒物，在进行光催化水处理操作时一般是将其分散至水体系中形成悬浮液，在光照下进行催化反应。而此时光催化剂粉末和溶液体系对光催化效率的影响很大，只有溶液表层的污染物可被有效降解，而溶液中下部的光催化剂利用率很低。为了提高光催化反应效率，应改善光催化反应型式，尽量减低水膜厚度。郑先君等提出了一种以超声雾化光催化技术强化光催化制氢效率的方法。具体的，在反应器中引入超声波雾化装置，将悬浊液雾化后送到光辐射区，由于雾化颗粒的直径仅为3～5μm，其中携带了细小的催化剂固体颗粒。因此表面水膜极薄，光催化剂可充分利用光能实现化学能的转化。然而在超声雾化光催化过程中，雾化液滴容易附着在光源或反应器壁表面，并在光照下挥发形成牢固的污染层，随着反应时间的延迟，污染层逐渐增厚，会导致更为严重的光屏蔽现象，进而影响光催化效率。
发明内容
本发明是鉴于现有超声雾化技术中存在的上述问题而做出的，本发明的目的在于提供一种以电磁场强化超声雾化效率的方法。
针对超声雾化反应中存在的问题，本发明设计了一种以电磁场强化超声雾化光催化效果的方法。由于光源与含光催化剂的超声雾化液滴必然存在于同一反应体系中，唯有精确地对雾气的流动进行控制，才能有效避免雾化液滴对光源的附着和污染。因此，本发明在光催化反应器中光源的周围施加静电场和交变磁场，借助静电场使雾化液滴带电，当雾化液滴进入光源照射区后，交变磁场将引导雾化液滴环绕光源前进但并不与光源和反应器壁接触，因此避免了光源和反应器污染。同时由于雾化液滴的受控运动，可增加超声雾化光催化的控制因素和可调性，拓展了超声雾化技术的应用潜力。
为了实现上述目的，本发明第一技术方案，一种以电磁场强化超声雾化效率的方法，其特征在于，电磁场强化超声雾化光催化的装置由超声釜1、超声换能器2、光源3、雾化反应管4、电极板5、电磁铁6、交流电源7、高压直流电源8、回流管9组成。在实际运行中，具体步骤如下：
将含有污染物和纳米颗粒光催化剂的悬浊液置入超声釜1中，将超声换能器2置于超声釜底部，并保持悬浊液的液面刚好浸没超声换能器2，将中央固定有光源3的雾化反应管4横置于超声釜1顶部，上下连通，雾化反应管4中央，光源的上下分别固定电极板5以提供高压电场，圆环状电磁铁6分别套在雾化反应管4的中前部和中后部。超声雾化光催化反应运行前，首先开启超声换能器2，在超声釜1中形成含有光催化剂颗粒的雾化液滴，当雾气逐渐上升至超声釜1与雾化反应管4的连接处时，启动高压直流电源7，在雾气上下形成电场使雾化液滴带电，带电的雾化液滴在不断产生的雾气推动下缓慢向雾化反应管4两端漂移，此时开启交流电源7，形成交变磁场，控制交流电源7的电压和频率，引导雾化液滴刚好环绕光源3螺旋前进而与光源3和雾化反应管4的内壁接触。此时激发光源3发光，开始雾化光催化操作，当雾化液滴漂移到雾化反应管4两端时，液化，自然沉降并汇入回流管9中，回流至超声釜1，该过程持续进行，最终实现悬浊液中的污染物的降解。
附图说明
为更清楚地说明本发明的具体实施方式，下面对具体实施方式部分的描述中使用到的附图作简单说明。
图1为电磁场强化超声雾化光催化的装置示意图
其中，1-超声釜；2-超声换能器；3-光源；4-雾化反应管；5-电极板；6-电磁铁；7-交流电源；8-高压直流电源；9-回流管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体的实施方式进行详细描述。
第一实施例
进行电磁场强化超声雾化光催化的方法。具体步骤为：将含有壬基酚(10mg/L)和纳米氧化钛光催化剂的悬浊液置入超声釜1中，将超声换能器2置于超声釜底部，并保持悬浊液的液面刚好浸没超声换能器2，将中央固定有光源3的雾化反应管4横置于超声釜1顶部，上下连通，雾化反应管4中央，光源的上下分别固定电极板5以提供高压电场，圆环状电磁铁6分别套在雾化反应管4的中前部和中后部。超声雾化光催化反应运行前，首先开启超声换能器2，在超声釜1中形成含有纳米氧化钛颗粒的雾化液滴，当雾气逐渐上升至超声釜1与雾化反应管4的连接处时，启动高压直流电源7，在雾气上下形成电场使雾化液滴带电，带电的雾化液滴在不断产生的雾气推动下缓慢向雾化反应管4两端漂移，此时开启交流电源7，形成交变磁场，控制交流电源7的电压和频率，引导雾化液滴刚好环绕光源3螺旋前进而与光源3和雾化反应管4的内壁接触。此时激发光源3发光，开始雾化光催化操作，当雾化液滴漂移到雾化反应管4两端时，液化，自然沉降并汇入回流管9中，回流至超声釜1，该过程持续进行2小时，壬基酚最终去除率99.5％，对比无电磁场强化的超声雾化过程，降解率为67.2％。
第二实施例
以第一实施例中所述的装置和方法对丙烯腈(116.2mg/L)废水进行超声雾化光催化处理，处理时间2小时，丙烯腈去除率95.7％，对比无电磁场强化的超声雾化过程，降解率为65.2％。
第三实施例
以第一实施例中所述的装置和方法对十溴联苯醚(3.25mg/L)废水进行超声雾化光催化处理，处理时间1.5小时，十溴联苯醚去除率77.1％，无电磁场强化的超声雾化降解率为23.3％。
第四实施例
以第一实施例中所述的装置和方法对硝基苯(5.17mg/L)废水进行超声雾化光催化处理，处理时间2小时，硝基苯去除率72.5％，对比无电磁场强化的超声雾化过程，降解率为45.1％。
以上所述的具体实施方式仅用于具体说明本发明的精神，本发明的保护范围并不局限于此，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术内容，通过变更、置换或变型的方式轻易做出其它的实施方式，这些其它的实施方式都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种以电磁场强化超声雾化光催化效果的方法，具体步骤如下：将含有污染物和纳米氧化钛光催化剂的悬浊液置入超声釜(1)中，将超声换能器(2)置于超声釜底部，并保持悬浊液的液面刚好浸没超声换能器(2)，将中央固定有光源(3)的雾化反应管(4)横置于超声釜(1)顶部，上下连通，雾化反应管(4)中央，光源的上下分别固定电极板(5)以提供高压电场，圆环状电磁铁(6)分别套在雾化反应管(4)的中前部和中后部，超声雾化光催化反应运行前，首先开启超声换能器(2)，在超声釜(1)中形成含有光催化剂颗粒的雾化液滴，当雾气逐渐上升至超声釜(1)与雾化反应管(4)的连接处时，启动高压直流电源(8)，在雾气上下形成电场使雾化液滴带电，带电的雾化液滴在不断产生的雾气推动下缓慢向雾化反应管(4)两端漂移，此时开启交流电源(7)，形成交变磁场，控制交流电源(7)的电压和频率，引导雾化液滴刚好环绕光源(3)螺旋前进而与光源(3)和雾化反应管(4)的内壁接触，此时激发光源(3)发光，开始雾化光催化操作，当雾化液滴漂移到雾化反应管(4)两端时，液化，自然沉降并汇入回流管(9)中，回流至超声釜(1)，该过程持续进行，最终实现悬浊液中的污染物的降解。
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