CN108383214A - 一种光伏电催化有机废水处理反应器及其阳极制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光伏电催化有机废水处理反应器及其阳极制备方法，所述反应器由多个反应单元串联而成，其中，每个反应单元均包括外壳、阴极、反应区、阳极、直流电源，所述外壳、阴极和阳极均为中空的管状结构，阳极设置在外壳内壁，阴极设置在阳极内部的中间，阴极和阳极之间、以及阳极和外壳间均形成反应区，反应区内设置搅拌器，阴极和阳极分别通过导线与外部的直流电源连接。所述阳极为PdAg‑掺C的TiO2纳米管/Ti阳极，采用此种阳极可以提高有机废水的处理效率。TiO2纳米管掺C和PdAg合金的协同作用，电催化性能提高，不用紫外灯照射，简化了废水处理装置。
Description
技术领域
本发明涉及有机废水处理装置技术领域，具体涉及一种光伏电催化有机废水处理反应器及其阳极制备方法。
背景技术
众所周知，工业废水是指工业生产过程中产生的废水、污水和废液，其中含有随水流失的工业生产用料、中间产物和产品以及生产过程中产生的污染物。工业废水分类通常有三种，a.根据污染物的化学性质来分，b.根据企业的产品和对象分类，c.根据污染物的主要成分分类，不同的工业废水处理其方法和装置不同。
废水处理手段常用的包括物化处理、化学处理及生物处理技术。化学处理技术是应用化学原理和化学作用通过焚烧法、氧化法、臭氧氧化法、电化学氧化法将废水中的污染物成分转化为无害，使废水得到净化，化学处理技术主要分为两大类，一类是在常温常压下利用氧化剂将废水中的有机物氧化成二氧化碳和水，另一类是在高温高压下分解高浓度废水中有机物，包括超临界水氧化和湿式氧化工艺，所用的氧化剂通常为氧气或过氧化氢，一般采用催化剂降低反应，加快反应速率。化学氧化法反应速度快，但成本高，难以将难降解的有机物一步氧化到无机物质，而且对中间产物的控制较少。纵观所有水处理技术的方方面面，要适应新形势下严峻的环境现状必须对原有的生产工艺和水处技术进行改造和创新。
电化学水处理技术具有其他水处理技术无法比拟的优越性，如：不需要外加药剂，不要求特别的光源，反应条件温和，操作简单，占地面积小，时间短，效率高。随着工业技术的发展各行各业都有高浓度难降解废水的产生，此类废水已影响到企业的可持续发展。现有的反应器一般存在反应速度慢的问题。
半导体光催化、光电催化处理有机废水是近年来研究较多的一种新技术。TiO2由于价格低廉、来源丰富、性质稳定、催化活性高而备受关注。但是需紫外光照射才具有催化作用，半导体复合、掺杂金属、非金属、离子等能提高催化活性和应用范围，但实际应用中大多需固定在高比表面的载体上，以吸附为主，且电催化时仍需紫外光照射，影响其使用效率，结构比较复杂，有机废水处理成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光伏电催化有机废水处理反应器，用以解决现有现有反应器反应速度慢、效率低的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种光伏电催化有机废水处理反应器，所述反应器由多个反应单元串联而成，其中，每个反应单元均包括外壳、阴极、反应区、阳极、直流电源，所述外壳、阴极和阳极均为中空的管状结构，阳极设置在外壳内壁，阴极设置在外壳内部的中间，阴极和阳极之间、以及阳极与外壳之间均形成反应区，阴极和阳极分别通过导线与外部的直流电源连接。
进一步地，所述反应器还包括设置在反应区内的搅拌器，搅拌器与设置在外壳外部的搅拌调速器连接，调节转速。
其中，优选地，所述外壳为可使阳光或可见光透过的透明的聚乙烯管或者玻璃管。
所述阴极材质为不锈钢、铁、镍、铜等金属材料或石墨等非金属导电材料。
所述直流电源可以选择普通的外接电源，优选地，选择太阳能电池板。在有阳光照射时以太阳能电池为电源，在无阳光的条件也可以外接电源，使用方便。
优选地，所述阳极具有双层阳极催化层结构，也就是阳极的内表面和外表面均能反应，加大反应面积。
更优选地，所述阳极为PdAg-掺C的TiO2纳米管/Ti阳极，是由多孔钛管阳极氧化形成TiO2纳米管，然后掺C，最后电镀沉积纳米PdAg合金而成。
其中，所述PdAg-掺C的TiO2纳米管/Ti阳极的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)多孔钛管的前处理：首先在丙酮中超声除油15分钟，然后采用甲醇或乙醇清洗；再用400g/L的CrO3和350g/L的H2SO4处理3分钟，然后再用二次蒸馏水超声清洗3次，每次5分钟，随后用1mol/L的HF处理10分钟，再次用二次蒸馏水超声清洗3次，每次5分钟，烘干；
(2)TiO2纳米管/Ti的制备：将处理好的多孔钛管在电解液中进行阳极氧化；电解液的组成：0.5％-1％的HF，1mol/L的H2SO4；电解电位20V，电解时间30-120分钟；电解完毕，用去离子水洗涤，烘干，再在500℃马弗炉中焙烧3小时得TiO2纳米管/Ti；
(3)掺C的-TiO2纳米管/Ti阳极的制备：将TiO2纳米管/Ti加入到葡萄糖溶于去离子水形成的溶液中，其中水的体积为高压反应釜内胆体积的60％，TiO2纳米管/Ti与葡萄糖的质量比为1：0.9～1：1.8，超声分散30分钟后移入高压反应釜，加热到160℃，反应12h，冷却至室温，去离子水洗涤，80℃真空干燥后，管式炉N2保护下500℃焙烧3h制得掺C的TiO2纳米管/Ti；
(4)电镀：将掺C的-TiO2纳米管/Ti作为阴极进行电镀，在掺C的-TiO2纳米管/Ti表面电镀沉积纳米PdAg合金，电镀完毕，用去离子水洗涤，烘干，即得PdAg-掺C的TiO2纳米管/Ti阳极；电镀的条件为：
具体使用时，将要处理的废水通入反应器的反应区中，开动搅拌器，通过搅拌调速器调节搅拌器的转速为80-100转/分钟，即可进行光伏电催化有机废水处理。
本发明具有如下优点：
本发明的反应器由多个反应单元串联而成，反应快，效率高；并且外壳、阴极和阳极均为中空的管状结构，占用反应体积小，阴极和阳极之间、以及阳极和外壳之间均形成反应区，阳极具有双阳极催化层结构，反应面积大，催化活性和催化效率高。
阳极催化层在无紫外光照射时具有较高的催化性能，阳光照射或者可见光条件下活性更高，可以利用太阳光或可见光，提高催化性能和催化效率，降低废水处理成本。
本发明中废水在流动中被降解，能够加大有机物降解速度，提高反应效率。
本发明还通过在反应区内设置搅拌器，能够加大反应速度，提高反应效率。
本反应器不用紫外灯照射，简化了废水处理装置，同时，以太阳能电池板为电源，因此可以大大降低有机废水的处理成本。
本发明以多孔钛管阳极氧化先在表面形成TiO2纳米管，然后高压水热反应掺C，最后电镀沉积纳米PdAg合金。多孔钛管阳极氧化焙烧后在多孔钛管内外两个表面形成一薄层高比表面的TiO2纳米管，TiO2纳米管掺C和电镀PdAg合金能提高TiO2纳米管的导电性、掺C以及PdAg沉积对TiO2的协同作用提高TiO2对有机废水的催化氧化性能，与电催化结合，产生大量的·OH，无选择性地将有机物氧化为CO2和H2O。处理有机废水时，有机物先吸附在阳极表面被氧化，通过搅拌器搅拌，有利于氧化产生的CO2气体的扩散，可以提高有机废水的处理效率。TiO2纳米管掺C和沉积PdAg合金的协同作用，催化性能提高，不用紫外灯照射，简化了废水处理装置。可在阳光照射或者可见光条件下使用，提高催化性能和催化效率，降低废水处理成本。
附图说明
图1是一个反应单元的结构示意图；
图2是一个反应单元的剖面图；
图3是本发明一个实施例的流程图。
图中，1-外壳、2-搅拌器、3-阴极、4-阳极、5-反应区、6-搅拌调速器、7-直流电源。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
一种光伏电催化有机废水处理反应器，参照图1和2，所述反应器由多个反应单元串联而成，其中，每个反应单元均包括外壳1、阴极3、反应区5、阳极4、直流电源7，所述外壳1、阴极3和阳极4均为中空的管状结构，阳极4设置在外壳1内壁，阴极3设置在阳极4内部的中间，阴极3和阳极4之间、以及阳极和外壳之间均形成反应区5，阴极3和阳极4分别通过导线与外部的直流电源7连接。其中，所述外壳1为可使阳光或可见光透过的透明的聚乙烯管或玻璃管。所述阴极2材质不锈钢。所述直流电源7选择太阳能电池板。
实施例2
一种光伏电催化有机废水处理反应器，参照图1和2，所述反应器由多个反应单元串联而成，其中，每个反应单元均包括外壳1、阴极3、反应区5、阳极4、直流电源7，所述外壳1、阴极3和阳极4均为中空的管状结构，阳极4设置在外壳1内壁，阴极3设置在阳极4内部的中间，阴极3和阳极4之间、以及阳极和外壳之间均形成反应区5，阴极3和阳极4分别通过导线与外部的直流电源7连接。所述反应器还包括设置在反应区5内的搅拌器2，搅拌器与设置在外壳1外部的搅拌调速器6连接。所述外壳1为可使阳光或可见光透过的透明的聚乙烯管或玻璃管。所述阴极2材质为石墨。所述直流电源7选择太阳能电池板。
实施例3
一种光伏电催化有机废水处理反应器，参照图1和2，所述反应器由多个反应单元串联而成，其中，每个反应单元均包括外壳1、阴极2、反应区4、阳极5、直流电源7，所述外壳1、阴极2和阳极5均为中空的管状结构，阴极2设置在外壳1内壁，阳极5设置在外壳1内部的中间，阴极2和阳极5之间、以及阳极内部均形成反应区4，阴极2和阳极5分别通过导线与外部的直流电源7连接。所述反应器还包括设置在反应区4内的搅拌器3，搅拌器与设置在外壳1外部的搅拌调速器6连接。所述外壳1为聚乙烯管。所述阴极2材质为石墨。所述直流电源7选择太阳能电池板。所述阳极5具有双层阳极催化层结构，也就是阳极的内表面和外表面均能反应，加大反应面积。
实施例4
一种光伏电催化有机废水处理反应器，参照图1和2，所述反应器由多个反应单元串联而成，其中，每个反应单元均包括外壳1、阴极3、反应区5、阳极4、直流电源7，所述外壳1、阴极3和阳极4均为中空的管状结构，阳极4设置在外壳1内壁，阴极3设置在阳极4内部的中间，阴极3和阳极4之间、以及阳极和外壳之间均形成反应区4，阴极3和阳极4分别通过导线与外部的直流电源7连接。所述反应器还包括设置在反应区5内的搅拌器2，搅拌器与设置在外壳1外部的搅拌调速器6连接。所述外壳1为聚乙烯管。所述阴极2为材质为石墨。所述直流电源7选择太阳能电池板。所述阳极5具有双层阳极催化层结构。
并且所述阳极为PdAg-掺C的TiO2纳米管/Ti阳极，是由多孔钛管阳极氧化形成TiO2纳米管，然后掺C，最后电镀沉积纳米PdAg合金而成。
其中，所述PdAg-掺C的TiO2纳米管/Ti阳极的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)多孔钛管的前处理：首先在丙酮中超声除油15分钟，然后采用甲醇或乙醇清洗；再用400g/L的CrO3和350g/L的H2SO4处理3分钟，然后再用二次蒸馏水超声清洗3次，每次5分钟，随后用1mol/L的HF处理10分钟，再次用二次蒸馏水超声清洗3次，每次5分钟，烘干；
(2)TiO2纳米管/Ti的制备：将处理好的多孔钛管在电解液中进行阳极氧化；电解液的组成：0.5％-1％的HF，1mol/L的H2SO4；电解电位20V，电解时间30-120分钟；电解完毕，用去离子水洗涤，烘干，再在500℃马弗炉中焙烧3小时得TiO2纳米管/Ti；
(3)掺C的-TiO2纳米管/Ti阳极的制备：将TiO2纳米管/Ti加入到葡萄糖溶于去离子水形成的溶液中，其中水的体积为高压反应釜内胆体积的60％，TiO2纳米管/Ti与葡萄糖的质量比为1：0.9(也就是按1g TiO2纳米管/Ti与0.9g葡萄糖的比例)，超声分散30分钟后移入高压反应釜，加热到160℃，反应12h，冷却至室温，去离子水洗涤，80℃真空干燥后，管式炉N2保护下500℃焙烧3h制得掺C的TiO2纳米管/Ti；
(4)电镀：将掺C的-TiO2纳米管/Ti作为阴极进行电镀，在掺C的-TiO2纳米管/Ti表面电镀沉积纳米PdAg合金，电镀的条件为：
电镀完毕，用去离子水洗涤，烘干，即得PdAg-掺C的TiO2纳米管/Ti阳极。
(5)具体使用时，将要处理废水通入反应器的反应区中，开动搅拌器，通过搅拌调速器调节搅拌器的转速为100转/分钟，即可进行光伏电催化有机废水处理。
实施例5
除了PdAg-掺C的TiO2纳米管/Ti阳极的制备方法中的步骤(3)中按1gTiO2纳米管/Ti与1.2g葡萄糖的比例，步骤(4)中t为60分钟，步骤(5)中搅拌器为90转/分钟。其它同实施例4。
实施例6
除了PdAg-掺C的TiO2纳米管/Ti阳极的制备方法中的步骤(3)中按1gTiO2纳米管/Ti与1.8g葡萄糖的比例，步骤(4)中t为120分钟，步骤(5)中搅拌器为80转/分钟。其它同实施例4。
处理有机废水时，如图3所示，有机废水首先进入第一反应单元，有机物在反应区先吸附在阳极表面被催化氧化，搅拌器的搅拌使有机物氧化产生的CO2气体扩散，提高有机废水的处理效率。TiO2纳米管掺C和PdAg合金的协同作用使阳极电解产生·OH从而使有机物降解。如出水不达标，出口水进入下一反应单元处理，直到达标排放。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种光伏电催化有机废水处理反应器，其特征在于，所述反应器由多个反应单元串联而成，其中，每个反应单元均包括外壳(1)、阴极(3)、阳极(4)、直流电源(7)，所述外壳(1)、阴极(3)和阳极(4)均为中空的管状结构，阳极(4)设置在外壳(1)内壁，阴极(3)设置在阳极(4)内部的中间，阴极(3)和阳极(4)之间、以及阳极和外壳间均形成反应区(5)，阴极(3)和阳极(4)分别通过导线与外部的直流电源(7)连接。
2.根据权利要求1所述的光伏电催化有机废水处理反应器，其特征在于，所述反应器还包括设置在反应区(5)内的搅拌器(2)，搅拌器与设置在外壳(1)外部的搅拌调速器(6)连接。
3.根据权利要求1所述的光伏电催化有机废水处理反应器，其特征在于，所述外壳(1)为可使阳光或可见光透过的透明的聚乙烯管或玻璃管。
4.根据权利要求1所述的光伏电催化有机废水处理反应器，其特征在于，所述阴极(2)材质为不锈钢、铁、镍、铜或石墨等导电材料。
5.根据权利要求1所述的光伏电催化有机废水处理反应器，其特征在于，所述直流电源(7)为太阳能电池板。
6.根据权利要求1所述的光伏电催化有机废水处理反应器，其特征在于，所述阳极具有双层催化层结构。
7.根据权利要求1所述的光伏电催化有机废水处理反应器，其特征在于，所述阳极为PdAg-掺C的TiO2纳米管/Ti阳极，是由多孔钛管阳极氧化形成TiO2纳米管，然后掺C，最后电镀沉积纳米PdAg合金而成。
8.一种或权利要求7所述PdAg-掺C的TiO2纳米管/Ti阳极的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)多孔钛管的前处理：首先在丙酮中超声除油15分钟，然后采用甲醇或乙醇清洗；再用400g/L的CrO3和350g/L的H2SO4处理3分钟，然后再用二次蒸馏水超声清洗3次，每次5分钟，随后用1mol/L的HF处理10分钟，再次用二次蒸馏水超声清洗3次，每次5分钟，烘干；
(2)TiO2纳米管/Ti的制备：将处理好的多孔钛管在电解液中进行阳极氧化；电解电位20V，电解时间30-120分钟；电解完毕，用去离子水洗涤，烘干，再在500℃马弗炉中焙烧3小时得TiO2纳米管/Ti；
(3)掺C的TiO2纳米管/Ti阳极的制备：将TiO2纳米管/Ti加入到葡萄糖溶于去离子水形成的溶液中，其中水的体积为高压反应釜内胆体积的60％，TiO2纳米管/Ti与葡萄糖的质量比为1：0.9～1：1.8，超声分散30分钟后移入高压反应釜，加热到160℃，反应12h，冷却至室温，去离子水洗涤，80℃真空干燥后，管式炉N2保护下500℃焙烧3h制得掺C的TiO2纳米管/Ti；
(4)电镀：将掺C的-TiO2纳米管/Ti作为阴极进行电镀，在掺C的-TiO2纳米管/Ti表面电镀沉积纳米PdAg合金，电镀完毕，用去离子水洗涤，烘干，即得PdAg-掺C的TiO2纳米管/Ti阳极。
9.根据权利要求8所述PdAg-掺C的TiO2纳米管/Ti阳极的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述电解液的组成：0.5％-1％的HF，1mol/L的H2SO4。
10.根据权利要求8所述PdAg-掺C的TiO2纳米管/Ti阳极的制备方法，其特征在于，步骤(4)电镀的条件为：
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