CN109626523A - 基于离子交换膜的新型光电催化反应器及其在废水处理中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光电催化反应器及其在废水处理中的应用，所述光电催化反应器具有双室型结构，包括纵向平行设置、由离子交换膜分隔开的阳极室和阴极室，阳极室和阴极室的开口朝上，离子交换膜的上方设置有阳极网，离子交换膜的下方设置有阴极网。本发明提供的光电催化反应器阳极室和阴极室共用一片离子交换膜，不需要在废水中加入支持电解质，解决现有PEC工艺中要求在废水中加入盐或碱作支持电解质造成二次污染的问题，另外，由于离子交换膜能有效阻止气体通过，从而避免现有一室槽反应器中阴极产生气体进入阳极区而导致效率降低的问题。

Description

基于离子交换膜的新型光电催化反应器及其在废水处理中的 应用
技术领域
本发明涉及一种基于零极距离子交换膜的新型光电催化反应器，以及利用该光电催化反应器的废水处理方法。
背景技术
近年来，光电催化工艺(PEC工艺)引起了环保工作者的注意。其可以克服目前光催化工艺中的一个致命弱点：光能利用率低，甚至低于10％。光催化反应降解污染物主要靠光催化剂受光激发后产生电子和空穴，而具有相反电荷的空穴和电子很容易发生复合，最后光能转化为热能，并未参与降解污染物的过程。而光电催化工艺在光催化体系中引入外电路和外电位，使空穴和电子向不同方向迁移，这样就大幅降低复合发生的机率。并且几乎所有的研究都证实了在光电催化过程中光和电有明显的协同效应，在光催化实验中只需加不大的电压，就可使去污效果大幅提高，甚至在农药降解过程中，单独光催化几乎无效，而与电解同用后就效果明显(Seperation and purification tech.167(2016)127-135)。而与单纯的电化学处理相比，光电催化除污不但效率高，而且用电量还可大幅降低。
光电催化工艺虽然使人抱有希望，但正如许多综述文章所说，该工艺要走向工业化，其反应器的设计必须作根本的改进。目前所报导的外光源反应器都是竖电极单室型的，机理图如图3所示，阳极和光源之间隔着槽壁和液层。此反应器用于废水处理时，阳极面上的废水液层会吸收太多的光能，使到达催化剂的光能量变小，效率降低，这是阻碍PEC工艺处理废水走向工业化的主要障碍之一。在单室型反应器中，必须阻止阴极和阳极所产生的气体进入对电极区域，如阴极产生的氢气进入阳极区会导致羟基自由基、空穴等降解有效物质消失，导致低效率，所以，在单室型槽中，阳极和阴极要保持一定的距离，也不能将阳极和阴极横置。
现有光电催化反应系统(示意图如图3所示)反应器的阳极表面和光源之间存在槽壁和液层，这个液层不可能保持很薄，因此光在到达催化剂之前被液层吸收很大部分，特别是对较浓废水或深色废水(染料等)，光吸收更为严重。为解决这一问题，虽然出现了薄层槽(电极和槽壁距离小于1毫米)的设计，但这种槽的维护和清洗将非常困难。另一种解决方法为斜置电极，将图3所示结构中的阳极从液体中抽出来，并斜置于液层上方，让废水从斜置电极上流至槽内，以使液层很薄，但该设计存在电阻过大和占面积太多等问题。
早年也有双室槽的研究，如：J.Phys.Chem.C 111(2007)6832、J.Environ.Sci.22(2002)5。但前者使用了U型管盐桥，后者由于H+传导不好，使阳极室pH值降低，不利于羟基自由基的产生，因而效率不高。
本发明将阳极横置设计，阳极直接面向光源，无槽壁相隔，这样液层可以控制很薄，从根本上解决了单室型槽存在的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种新型光电催化反应器：用阴极室和阳极室纵向设置、阳极室和阴极室共用离子交换膜构成的双室结构代替常规的单室槽结构，可以不用加入支持电解质，并且电极横置便于接收自然日光光照，降低液层对光的吸收，极大提高了废水降解效率。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
提供一种光电催化反应器，所述光电催化反应器具有双室型结构，包括纵向平行设置、由离子交换膜分隔开的阳极室和阴极室，阳极室和阴极室的开口朝上，离子交换膜的上方设置有阳极网，离子交换膜的下方设置有阴极网。
按上述方案，所述的离子交换膜水平布设或与水平线夹角＜90°设置，优选为≤10°设置。倾斜角根据工艺要求的流速而定。
按上述方案，所述的阳极室和阴极室为方形或长方形扁平槽结构。
按上述方案，所述的阳极网表面覆有光电催化反应用催化剂。如紫外光型或可见光型光催化剂。
按上述方案，所述的阳极网表面还可覆载氧还原反应催化剂。
按上述方案，所述的阳极网和阴极网上的孔为菱形多孔。菱形多孔可使液体在其表面形成涡流。
按上述方案，所述的阳极室由阳极网和围设在阳极网上的阳极室框架组成，所述的阴极室由阴极网和围设在阴极网上的阴极室框架组成，离子交换膜被阳极室框架和阴极室框架紧压在中间。
按上述方案，所述光电催化反应器还设置有循环系统，光电催化反应器中的液体在阳极室和循环系统中形成循环通路。所述的循环系统包括高位槽、贮槽和设在贮槽和高位槽之间的循环管道以及循环泵。
按上述方案，所述光电催化反应器还包括通气装置，用于向阳极室的废水中通入含氧气体。具体地，可通入空气或氧气。
按上述方案，所述阳极室框架(1)和阴极室框架(5)材质为聚合物、塑料包裹的金属或塑料包裹的合金，聚合物选自聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、有机玻璃、聚四氟乙烯(PTFE)。
按上述方案，所述的阳极网(2)为钌钛阳极，钌钛阳极的构成为TiO2-Ti金属，具有极强耐水流冲击及耐摩能力。所述阴极网(4)选自铁，不锈钢，镍，镍合金，钛，钛合金，钌，钌合金，铝，铝合金。
按上述方案，所述的阴极网上载有析氢反应和/或氧还原反应的催化剂。其中较为节能的是氧还原反应催化剂。也可利用阴极将Cr6+还原成Cr3+，或进行其它还原反应。
按上述方案，所述离子交换膜为均相或非均相型离子交换膜。膜的高分子材料可以是F-C型或H-C型，活性基团可以是磷酸、磺酸类型(阳离子交换膜)，或季胺型、叔胺型等(阴离子交换膜)，或螯合型，阴阳离子混合型。
优选的是，所述离子交换膜为阳离子交换膜。由此阳极区产生的H+很容易通过其进入阴极区，因此不会出现阳极液和阴极液发生pH值变化的问题。
优选的是，所述离子交换膜中间嵌有增强网。具体可为尼龙增强网。
基于上述光电催化反应器进行光电催化的方法，将待反应体系置于阳极室中，阳极和阴极与外电路相连接，通电，进行光电催化反应。
基于上述光电催化反应器光电催化降解污染物的方法，将待处理的含污染物的污水置于阳极室中，阳极和阴极与外电路相连接，在光照及通电条件下进行光电催化反应降解废水中的有机污染物。
按上述方案，所述通电条件要求电流密度区间为0.05-2000mA/dm2，优选0.5-100mA/dm2。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供的光电催化反应器阳极室和阴极室通过离子交换膜(3)分开形成双室型反应器，阳极室和阴极室共用一片离子交换膜，阳极和阴极的距离极小，几乎为零极距，阳极和阴极之间的离子导电，完全依靠离子交换膜，因此不需要在废水中加入支持电解质，解决现有PEC工艺中要求在废水中加入盐或碱作支持电解质造成二次污染的问题(现今的PEC工艺中，都是使用单室型的反应器，阳极和阴极必需保持距离)，另外，由于离子交换膜能有效阻止气体通过，从而避免现有一室槽反应器中阴极产生气体进入阳极区而导致效率降低的问题。
(2)本发明中阳极水平设置或与水平面呈一定角度倾斜设置，阳极直接面向光源无槽壁相隔，液层薄，从根本上解决了单室型槽存在的问题，具体地，
a.阳极和光源之间只有液层，而无槽壁，进一步地，电极呈一定角度倾斜设置时，催化剂上的废水液层还可以控制得很薄，防止光能被吸收，极大提高了废水处理效率；
b.电极电阻很小，结构紧凑，并且阴极室可以设计得很薄，使得整个槽很轻，甚至在楼顶上都可以运行该电解槽，加上本工艺操作简单，能耗很小，很适合城市污水处理；
c.在本发明中，电极横置或与水平面呈一定角度倾斜设置有利于接受太阳光，阳极和大气之间除了极薄液层之外没有间隔，因而光催化剂表面溶解氧浓度远高于单室电槽，溶解氧气能清除光生电子，防止复合，提高PEC降解效率；
(3)斜置的阳极室槽可以让污水在阳极表面快速流过，阳极网可设计成各种形状，使表面液层形成涡流，阳极室通入的空气或氧气气泡也可搅动溶液，使反应物快速以对流方式走向反应点，加速污染物从液体向电极的传质速度，可加快污染物的降解速度。
附图说明
图1为本发明实施例1光电催化反应器的结构示意图；
图2为实施例1中的长形光电催化反应系统示意图；
图3为柱状单室型PEC反应器的机理图；
图4为实施例2有无支持电解质的伏安扫描曲线；
图5为实施例1阳极室中pH值随时间变化曲线；
图6为实施例3在自然阳光下硝基苯和活性艳红的降解曲线；
图7为实施例4中重复降解亚甲基蓝所得循环降解曲线；
图8为实施例4中可见光条件下降解亚甲基蓝的浓度变化图；
图9为实施例4中可见光条件下降解活性艳红的浓度变化图；
图10为实施例4中可见光条件下罗丹明6G的浓度变化图；
图11为实施例4中可见光条件下降解甲基橙的浓度变化图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例所用离子交换膜为无锡市恒瑞水处理设备有限公司提供的聚乙烯非均相磺酸型离子交换膜0581型阳离子膜。
实施例1
一种光电催化反应器，其结构示意图如图1，光电催化反应器具有双室型结构，其包括水平设置的离子交换膜(3)(离子交换膜为10cm×10cm的正方形)以及通过离子交换膜(3)分隔开的阳极室和阴极室，阳极室由阳极室框架(1)、阳极网(2)及离子交换膜(3)组成，阴极室由离子交换膜(3)、阴极网(4)及阴极室框架(5)组成，阳极室框架(1)和阴极室框架(5)通过螺钉固定，将离子交换膜紧压在两者之间，阳极室开口向上。阳极网(2)为镂空网状结构，表面覆有光催化剂(纳米二氧化钛P25)，阳极网(2)基体材料为钌钛阳极，阴极网(4)为镂空网状结构，阴极网(4)基体材料为铁。
本实施例光电催化反应器还设置有循环管路及通气装置，如图2所示，所述的循环系统包括高位槽、贮槽和设在贮槽和高位槽之间的循环管道，以及循环泵，光电催化反应器中的液体在阳极室和循环系统中形成循环通路。通气装置用于向阳极室的废水中通入含氧气体，通入空气或氧气。
进行废水处理中将废水置于阳极室，在光照(光源为13w的白LED灯)及通电条件下降解废水中的有机物。
在上述光电催化反应器的阳极室中放入100mg/L的活性艳红水溶液，涂有可见光催化剂的阳极和阴极之间电压为3.9V，电流密度为0.2mA/cm2，光源为13w白LED灯，距电极15cm。电解2小时后，阳极室中pH值随时间变化曲线如图5所示，可见阳极室pH值稳定，说明离子交换膜在阳极室和阴极室之间有效进行了H+离子传导，阳极上产生的H+离子并未在阳极室内积累起来，可以有效避免文献所报道的双室槽的弊端(J.Environ.Sci.22(2002)5)。如果换用阴离子交换膜，则阳极室pH值会降低，对于罗丹明B染料降解，则会发生沉淀(罗丹明B在酸性液中沉淀)。
实施例2
测试实施例1所述光电催化反应系统的电化学性能，将阳极和阴极与外电路相连接，用辰华电化学工作站进行伏安扫描电化学测试，测试的电压区间为0-2V，扫描速度为5mV/S，所得的伏安扫描曲线如图4所示(阳极：TiO2-Ti电极，阴极：Pd-C电极)。当阳极室中注入蒸馏水，得曲线A，当阳极室中注入0.5M Na2SO4溶液，得曲线B。从图4可见曲线A和曲线B很接近，说明本实施例的光电催化反应器用于PEC反应时，完全可以免用支持电解质。
实施例3
光电催化反应器，结构与实施例1装置相似，不同之处在于阳极表面涂层含有可见光催化剂和氧还原反应催化剂(用于利用溶解氧消除光生电子)。测试本实施例光电催化反应器的阳极室废水中硝基苯和活性艳红的降解速度(以2月份室外太阳光为光源，至液面光强为45mW/dm2)。处理废水体积为500mL，废水中硝基苯的初始浓度为50mg/L，活性艳红初始浓度为100mg/L，由泵驱动使废水在光电催化反应器中流动，用管子通入空气泡来辅助加快降解。阳极电位，相对甘汞电极为1200mV，电流密度为0.05-0.1mA/cm2，用紫外-可见分光光度计检测硝基苯和活性艳红的浓度变化，测得硝基苯和活性艳红的降解曲线如图6所示，可见，在天然阳光条件下，本光电催化反应器中硝基苯和活性艳红的浓度逐渐降低，140min后降解率接近90％。
实施例4
染料污水是主要的水污染源之一。利用本实施例1的光电催化反应器进行染料降解实验，光源为13w LED灯，灯距为15厘米，所用槽电压为6V，极间电流密度为0.3-0.5mA/cm2。对亚甲基蓝、活性艳红、罗丹明6G和甲基橙4种染料进行降解实验(亚甲基蓝起始浓度为30mg/L、50mg/L，活性艳红起始浓度为50mg/L、100mg/L，罗丹明6G起始浓度为30mg/L、50mg/L，甲基橙起始浓度为30mg/L、50mg/L)，用分光光度计对染料浓度变化进行检测，可见光条件下降解亚甲基蓝、活性艳红、罗丹明6G和甲基橙的浓度变化见图8-11。从图中可见，除颜色较深的亚甲基蓝外，甲基橙、活性艳红和罗丹明6G起始浓度为50mg/L时，3小时脱色均可达到85-90％。
2016-2018年间发表的染料催化降解的论文中，大部分用的是粉末光催化剂方法，少量用的是光电催化剂的方法。粉末光催化剂处理染料的浓度约为8-30mg/L，光电催化剂处理浓度约为2-6mg/L。光电催化用于染料废水处理实例少，且染料浓度低，再次说明了液层光吸收是光电催化的致命弱点。而本发明的光电催化反应器极大程度上克服了光电催化的这一弱点。
利用本实施例1的光电催化反应器进行重复降解亚甲基蓝实验，亚甲基蓝起始浓度为50mg/L，连续循环降解9次，所得循环降解曲线如图7所示，经过九次循环后，光电催化反应器降解性能保持不变，说明该装置耐用性良好。

Claims (10)

1.一种光电催化反应器，其特征在于，所述光电催化反应器具有双室型结构，包括纵向平行设置、由离子交换膜分隔开的阳极室和阴极室，阳极室和阴极室的开口朝上，离子交换膜的上方设置有阳极网，离子交换膜的下方设置有阴极网。
2.根据权利要求1所述的光电催化反应器，其特征在于，所述的离子交换膜水平布设或与水平线夹角＜90°设置。
3.根据权利要求1所述的光电催化反应器，其特征在于，所述的阳极网表面覆有光电催化反应用催化剂；所述的阳极网和阴极网上的孔为菱形多孔。
4.根据权利要求1所述的光电催化反应器，其特征在于，所述的阳极室由阳极网和围设在阳极网上的阳极室框架组成，所述的阴极室由阴极网和围设在阴极网上的阴极室框架组成，离子交换膜被阳极室框架和阴极室框架紧压在中间。
5.根据权利要求4所述的光电催化反应器，其特征在于，所述阳极室框架和阴极室框架材质为聚合物、塑料包裹的金属或塑料包裹的合金，聚合物选自聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、有机玻璃、聚四氟乙烯；所述阳极网为钌钛阳极，所述阴极网选自铁，不锈钢，镍，镍合金，钛，钛合金，钌，钌合金，铝，铝合金。
6.根据权利要求1所述的光电催化反应器，其特征在于，所述光电催化反应器还设置有循环系统，光电催化反应器中的液体在阳极室和循环系统中形成循环通路；所述光电催化反应器还包括通气装置，用于向阳极室的废水中通入含氧气体。
7.根据权利要求1所述的光电催化反应器，其特征在于，所述离子交换膜为均相或非均相型离子交换膜。
8.一种基于权利要求1-7任一所述的光电催化反应器进行光电催化的方法，其特征在于，步骤如下：将待反应体系置于阳极室中，阳极和阴极与外电路相连接，通电，进行光电催化反应。
9.一种基于权利要求1-7任一所述的光电催化反应器光电催化降解污染物的方法，其特征在于，步骤如下：将待处理的含污染物的污水置于阳极室中，阳极和阴极与外电路相连接，在光照及通电条件下进行光电催化反应降解废水中的有机污染物。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述通电条件要求电流密度区间为0.05-2000mA/dm2。
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