CN107459101A - 一种新型光电催化三维电极体系及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型光电催化三维电极体系及其制备方法和应用，属于电化学反应器技术领域。包括负极板为钛网片、正极板为石墨板的反应器本体，并在二维电极的基础上，添加一种TiO₂/石英砂‑铁屑复合粒子作为第三电极，构成一种新型光电催化三维电极反应体系。本发明，提出一种比表面积大、空间利用率高、催化性能强、可应用于光电催化的三维电极反应体系及其制备方法，不仅提高了负载型催化剂的光催化活性，还解决了实际应用中TiO₂粉末较难回收的问题，同时制作成本低，原材料来源广泛，具有明显的经济效益。

Description

一种新型光电催化三维电极体系及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于电化学反应器领域，具体涉及一种新型光电催化三维电极体系及其制备方法及在高盐染料废水污染治理中的应用。

背景技术

三维电极是一种新型的电化学反应器，也叫粒子电极，是在传统的二维电解槽的平板电极间填充粒状或碎屑状，且具有导电性或处于流动状态的工作电极材料，在电场的作用下通过静电感应或电荷传导使填充的粒子表面带电，成为第三极，并在粒子电极表面发生电化学反应。与传统的二维电极相比，三维电极在电解槽内增加了无数的微电极，能够增大电解槽的面体比，缩短了反应物的迁移距离、增大物质传质速度，提高电流效率和处理效果。粒子电极是三维电极反应器系统的关键组成部分，也是提高反应器处理效率的关键。作为电极材料，填充粒子应具有良好的导电性、耐腐蚀性及电催化性能。

随着三维电极研究的日益深入，开始将三维电极电化学氧化技术与其他方法组合起来，形成联合氧化废水处理技术，以达到协同增强的效果。1976年，J.H.cary报道了TiO₂水体系在紫外光照射下可使水中难降解有机污染物降解，揭开了TiO₂光催化氧化技术在环境保护中应用的序幕。TiO₂光催化剂以其安全无毒、稳定性好、氧化能力强、适用范围广等优点，为氧化水中有机污染物提供了一种有效的方法，它作为一种新兴高级氧化技术，以其无二次污染，方法简便等众多优点引起了国内外学者的持续关注，然而TiO₂的光生载流子复合率较高，严重影响了光催化技术的广泛应用。

发明内容

针对TiO₂光催化剂在具体应用中的不足和缺点，本发明以石英砂作为载体，采用溶胶-凝胶法制备TiO₂/石英砂，使石英砂载体发挥吸附作用，与TiO₂协同对反应物进行富集，又使负载型催化剂具有更高的光催化活性，同时还解决了TiO₂粉末较难回收的问题。

本发明采用的技术方案是：一种新型光电催化三维电极体系，将石墨板与正极连接作为正极板、钛网片与负极连接作为负极板，将复合粒子电极不间断地置于石墨板和钛网片之间，构成新型光电催化三维电极体系；所述的复合粒子电极是TiO₂/石英砂-铁屑复合粒子电极。

上述的一种新型光电催化三维电极体系，钛网片与石墨板面积相同，钛网片与石墨板之间的间距为4cm。

上述的一种新型光电催化三维电极体系，所述的TiO₂/石英砂-铁屑复合粒子电极的制备方法包括如下步骤：

1)将钛酸丁酯缓慢滴入无水乙醇和乙酸的混合溶液中，磁力搅拌15-20min，得A液；

2)将乙酸缓慢滴入无水乙醇和蒸馏水的混合溶液中，磁力搅拌均匀，得B液；

3)在磁力搅拌下，将B液缓慢倒入A液中，搅拌至形成透明溶胶；

4)将石英砂放入培养皿中，将获得的溶胶倒入培养皿中，使石英砂完全浸泡，自然凝化12-15h，然后在120℃下干燥，取出；重复加入溶胶浸泡、自然凝化和干燥2次，将产物在450℃下煅烧2-3h，冷却，研磨，过16-20目的筛网，取筛下物，得TiO₂/石英砂；

5)将铁屑依次用冰醋酸、蒸馏水冲洗，烘干，与TiO₂/石英砂混合，得TiO₂/石英砂-铁屑复合粒子电极。

上述的一种新型光电催化三维电极体系，步骤3)中，搅拌速度为200-300r/min。

上述的一种新型光电催化三维电极体系，步骤5)中，按质量比，TiO₂/石英砂:铁屑＝2:3。

一种新型光电催化三维电极体系的制备方法，包括如下步骤：

1)钛网片的预处理：将钛网片浸泡到Na₂CO₃溶液中，超声清洗35min后，用蒸馏水清洗，再放入冰乙酸溶液中，超声清洗35min后，用蒸馏水冲洗，烘干，密封保存备用；

2)取钛酸丁酯和氯化锡，加入异丙醇和正丁醇，混合后不断搅拌，再加入十六烷基三甲基溴化铵和硝酸，搅拌，制成涂液，将涂液涂覆到预处理的钛网片上，100℃下干燥，重复涂覆3次后，500℃煅烧2h；

3)将石墨板与恒电位仪的正极连接作为正极板、钛网片与恒电位仪的负极连接作为负极板，钛网片与石墨板之间的间距为4cm，将TiO₂/石英砂-铁屑复合粒子电极不间断地置于石墨板和钛网片之间，构成新型光电催化三维电极体系。

上述的一种新型光电催化三维电极体系的制备方法，所述的Na₂CO₃溶液的质量百分浓度为6％；所述的冰乙酸溶液的质量百分浓度为15％。

上述的一种新型光电催化三维电极体系在降解废水中有机污染物中的应用。方法如下：将含有有机污染物的废水置于设有光电催化三维电极体系的容器中，接通电源，在20W紫外灯下，进行光电催化70-90min。

本发明的有益效果是：本发明制备的新型光电催化三维电极反应体系，比表面积大、空间利用率高、催化性能强、不仅提高了负载型催化剂的光催化活性，还解决了实际应用中TiO₂粉末较难回收的问题，同时制作成本低，原材料来源广泛，具有明显的经济效益。

附图说明

图1是新型光电催化三维电极体系的结构示意图。

图中：1是石墨板；2是钛网片；3是TiO₂/石英砂；4是铁屑。

图2是不同电极间距对模拟染料废水的降解效果。

图3是不同粒子配比对模拟染料废水的降解效果。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于此。由于实验过程中采用0.8mg/L的亚甲基蓝溶液作为模拟染料废水、100mL的烧杯作为反应容器，实际应用中各地废水处理反应池不同，反应体系的相关参数也会产生相应变化，因此在不违背本发明的实质和所附权利要求范围的前提下，可对本发明中关键参数做适当调整。

实施例1 一种新型光电催化三维电极体系

(一)制备方法如下：

1、铁屑预处理：

将铁屑用冰乙酸洗2-3次，再用蒸馏水洗净，烘干。

2、石英砂预处理：

筛选粒径大小为16-20目的石英砂，用蒸馏水洗2-3次，抽滤，于100℃下干燥1h，密封，备用。

3、制备TiO₂/石英砂-铁屑复合粒子电极：

3.1)将5mL钛酸丁酯缓慢滴入10mL无水乙醇和0.6mL乙酸的混合溶液中，磁力搅拌15-20min，得A液。

3.2)将0.6mL乙酸缓慢滴入10mL无水乙醇和0.8mL蒸馏水的混合溶液中，磁力搅拌均匀，得B液。

3.3)在磁力搅拌器，200-300r/min高速搅拌下，将B液缓慢倒入A液中，均匀搅拌1h，至形成透明溶胶。

3.4)取0.4g预处理的石英砂放入培养皿中，将步骤3.3)制备好的溶胶倒入培养皿中，使石英砂完全浸泡，自然凝化12-15h，然后在120℃下干燥2h，取出，重复加入溶胶浸泡、自然凝化和干燥2次，负载3层后，将产物在450℃下煅烧2h，冷却，研磨，再用20目的筛网筛分，取筛下物，得TiO₂/石英砂。

3.5)按质量比，TiO₂/石英砂:铁屑＝2:3，将预处理的铁屑与TiO₂/石英砂混合，得TiO₂/石英砂-铁屑复合粒子电极。

4、制备钛网片：

4.1)预处理：将钛网切割成面积(30mm×60mm)的钛网片，浸泡到质量百分浓度为6％的Na₂CO₃溶液中，超声清洗35min后，取出，用蒸馏水清洗，再放入15％的冰乙酸溶液中，超声清洗35min后，用蒸馏水冲洗干净，烘干，密封保存备用。

4.2)取5mL钛酸丁酯和0.6g氯化锡，加入30mL异丙醇和20mL正丁醇，混合后不断搅拌，再加入0.02g十六烷基三甲基溴化铵，1mL浓度65％的浓硝酸，搅拌90min，制备成涂液，将涂液涂覆到经过预处理的钛网片上，100℃下干燥20min，重复该过程，涂覆3次，500℃煅烧2h，得到钛网片。

5、制备光电催化三维电极体系

如图1所示，于烧杯中，将石墨板1(30mm×60mm)与恒电位仪的正极连接作为正极板、钛网片2与恒电位仪的负极连接作为负极板，调节钛网片与石墨板之间的间距为4cm，将TiO₂/石英砂3和铁屑4复合制备的TiO₂/石英砂-铁屑复合粒子电极不间断地置于石墨板和钛网片之间，构成新型光电催化三维电极体系。

(二)电极间距的确定

按质量比，TiO₂/石英砂:铁屑＝2:3。将0.8mg/L的亚甲基蓝溶液倒入100mL烧杯中，在波长为664nm下测量吸光度A₀。在20W紫外灯下，以HDV-7C晶体管恒电位保持1.5V电压，改变石墨板和钛网片之间的距离：1cm、2cm、3cm、4cm、5cm，进行光电催化80min后，测溶液中吸光度A。降解率用η表示。计算公式如下：

η＝(A₀-A)/A₀*100％

其中：A₀表示降解前亚甲基蓝的吸光度，A表示降解后亚甲基蓝的吸光度。吸光度用721E型分光光度计测定。

结果如图2所示，随着电极间距的增加，降解率先增加再降低，在石墨板和钛网片之间的间距为4cm时降解率达到最大，为75.6％。

(三)确定TiO₂/石英砂与铁屑配比：

分别称取预处理的铁屑0.2g、0.4g、0.5g、0.6g、0.8g，再分别加入0.8g、0.6g、0.5g、0.4g、0.2g的TiO₂/石英砂，制得TiO₂/石英砂与铁屑质量比分别为4:1，3:2，1:1，2:3，1:4。

将100mL的0.8mg/L亚甲基蓝溶液倒入烧杯中，在波长为664nm下测量吸光度A₀，确定石墨板和钛网片间距4cm，在20W紫外灯下，以HDV-7C晶体管恒电位仪支持1.5V稳定的电压，进行光电催化80min后测其吸光度A。计算降解率η。

结果如图3所示，随着TiO₂/石英砂与铁屑质量比的增加，降解率先升高再下降，当TiO₂/石英砂与铁屑的质量比为2:3是，降解率最大，为75.6％。

Claims (9)

1.一种新型光电催化三维电极体系，其特征在于：将石墨板与正极连接作为正极板、钛网片与负极连接作为负极板，将复合粒子电极不间断地置于钛网片与石墨板之间，构成新型光电催化三维电极体系；所述的复合粒子电极是TiO₂/石英砂-铁屑复合粒子电极。

2.根据权利要求1所述的一种新型光电催化三维电极体系，其特征在于：钛网片与石墨板面积相同，钛网片与石墨板之间的间距为4cm。

3.根据权利要求1所述的一种新型光电催化三维电极体系，其特征在于：所述的TiO₂/石英砂-铁屑复合粒子电极的制备方法包括如下步骤：

1)将钛酸丁酯缓慢滴入无水乙醇和乙酸的混合溶液中，磁力搅拌15-20min，得A液；

2)将乙酸缓慢滴入无水乙醇和蒸馏水的混合溶液中，磁力搅拌均匀，得B液；

3)在磁力搅拌下，将B液缓慢倒入A液中，搅拌至形成透明溶胶；

4)将石英砂放入培养皿中，将获得的溶胶倒入培养皿中，使石英砂完全浸泡，自然凝化12-15h，然后在120℃下干燥，取出；重复加入溶胶浸泡、自然凝化和干燥2次，将产物在450℃下煅烧2-3h，冷却，研磨，过16-20目的筛网，取筛下物，得TiO₂/石英砂；

5)将铁屑依次用冰醋酸、蒸馏水冲洗，烘干，与TiO₂/石英砂混合，得TiO₂/石英砂-铁屑复合粒子电极。

4.根据权利要求3所述的一种新型光电催化三维电极体系，其特征在于：步骤3)中，搅拌速度为200-300r/min。

5.根据权利要求3所述的一种新型光电催化三维电极体系，其特征在于：步骤5)中，按质量比，TiO₂/石英砂:铁屑＝2:3。

6.一种新型光电催化三维电极体系的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)钛网片的预处理：将钛网片浸泡到Na₂CO₃溶液中，超声清洗35min后，用蒸馏水清洗，再放入冰乙酸溶液中，超声清洗35min后，用蒸馏水冲洗，烘干，密封保存备用；

2)取钛酸丁酯和氯化锡，加入异丙醇和正丁醇，混合后不断搅拌，再加入十六烷基三甲基溴化铵和硝酸，搅拌，制成涂液，将涂液涂覆到预处理的钛网片上，100℃下干燥，重复涂覆3次后，500℃煅烧2h；

3)将石墨板与恒电位仪的正极连接作为正极板、钛网片与恒电位仪的负极连接作为负极板，钛网片与石墨板之间的间距为4cm，将TiO₂/石英砂-铁屑复合粒子电极不间断地置于石墨板和钛网片之间，构成新型光电催化三维电极体系。

7.根据权利要求6所述的一种新型光电催化三维电极体系的制备方法，其特征在于：所述的Na₂CO₃溶液的质量百分浓度为6％；所述的冰乙酸溶液的质量百分浓度为15％。

8.权利要求1所述的一种新型光电催化三维电极体系在降解废水中有机污染物中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，方法如下：将含有有机污染物的废水置于设有光电催化三维电极体系的容器中，接通电源，在20W紫外灯下，进行光电催化70-90min。