CN109928456B - 光催化反应器及光催化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光催化反应器，所述光催化反应器至少包括：进口，用于接收流体；反应池，与所述进口连通，用于进行光催化反应；所述反应池中设有阳极和阴极，所述阳极平铺于反应池底部，所述阴极设于所述反应池的侧壁且不与所述阳极直接接触；紫外灯，用于为所述反应池提供光源；出口，与所述反应池连通，用于排出反应后的流体。本发明所述的光催化反应器体积非常小，反应速率快，效果好。
Description
技术领域
本发明涉及流体处理领域，特别是涉及一种光催化反应器及光催化方法。
背景技术
当半导体氧化物TiO2纳米粒子受到大于禁带宽度能量的光子照射后，电子从价带跃迁到导带，产生了电子-空穴对，电子具有还原性，空穴具有氧化性,空穴与氧化物半导体纳米粒子表面的-OH反应生成氧化性很高的OH自由基，活泼的OH自由基可以把许多难降解的有机物氧化为CO2和H2O等无机物。但是电子和空穴对容易复合，导致光催化的效率不高。一般的光电催化示意图如图1所示，一般负极为碳棒，正极为泡沫镍负载钴掺杂二氧化钛，光电催化元件体积较大，每次处理的体积较大，反应速率慢，不适用于小型化的微流体器件。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光催化反应器及光催化方法。将半导体氧化物作为阳极，用钛作为阴极。在阳极和阴极之间施加一个电压，在0.5-1V之间，从而可以防止电子和空穴对的复合，从而源源不断的产生-OH自由基，增加光电催化的效率。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种光催化反应器，其特征在于，所述光催化反应器至少包括：
进口，用于接收流体；
反应池，与所述进口连通，用于进行光催化反应；所述反应池中设有阳极和阴极，所述阳极平铺于反应池底部，所述阴极设于所述反应池的侧壁且不与所述阳极直接接触；
紫外灯，用于为所述反应池提供光源；
出口，与所述反应池连通，用于排出反应后的流体。
本发明第二方面提供采用前述光催化反应器进行光催化的方法，所述方法包括以下步骤：
a.启动反应器：打开紫外灯，将阴极和阳极与分别与电源连接；
b.进液：向反应池中加入需要反应的流体；
c.反应：进行光催化反应；
d.排液：排出反应后的流体；
e.电极再生：反应结束后，加入冲洗液，施加反向电压，再将电极短路，使电极再生；
f.将冲洗液排出。
如上所述，本发明的光催化反应器及光催化方法，具有以下有益效果：
本发明的光催化反应器体积非常小，反应速率快，效果好。光催化反应方法简单高效，可再生电极，防止资源浪费，节约成本，且环保，不需要高温高压设备。
附图说明
图1显示为现有技术的光催化反应器结构示意图(其中a-紫外灯，b-负极；c-正极；d-石英试管；e，f-过水口)。
图2显示为本发明的光催化反应器的爆炸图。
图3显示为本发明的光催化反应器的不含阴极和阳极的反应池的示意图。
图4显示为本发明的光催化反应器的含阴极和阳极的反应池的示意图。
图5显示为本发明的光催化反应器装配完成图。
图6显示为加热对光催化反应的影响，其中，红色为加热的效果，蓝色不加热的效果。
元件标号说明
1 进口
2 反应池
2.1 阳极
2.2 阴极
2.3 阴极槽
2.4 电极孔
3 紫外灯
4 出口
5 紫外灯罩
6 透光玻璃
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图6。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图2所示，为本发明提供的光催化反应器，所述光催化反应器至少包括：
进口1，用于接收流体；
反应池2，与所述进口连通，用于进行光催化反应；所述反应池中设有阳极2.1和阴极2.2，所述阳极平铺于反应池底部，所述阴极2.2设于所述反应池的侧壁且不与所述阳极直接接触；
紫外灯3，用于为所述反应池2提供光源；
出口4，与所述反应池2连通，用于排出反应后的流体。
如图2所示，所述阳极为薄片状，平铺与所述反应池底部。可选的，为薄片长方体。
如图3所示，所述反应池的侧壁设有阴极槽2.3，用于固定阴极。
所述阴极槽与所述反应池底部设有一定距离，防止所述阴极与阳极直接接触。
优选的，所述阴极无间断环绕侧壁，进一步的，所述阴极至少环绕侧壁周长的二分之一。
在一种实施方式中，所述反应池内腔为直棱柱。
在一种实施方式中，如图3和图4所示，所述反应池侧壁设有电极孔2.4，用于将阴极与阳极分别引出到所述反应池外部，用于连接电源。在阳极和阴极之间施加一个电压从而可以防止电子和空穴对的复合，从而源源不断的产生-OH自由基，增加光电催化的效率。
在一种实施方式中，电源电压在0.5-1V。
进一步的，所述反应池的容积为25-1500微升。
所述反应池2为具有一定长度的反应池。
在一种实施方式中，所述反应池内腔的最大长度为10mm-50mm。
在一种实施方式中，所述反应池内腔的最大宽度为5mm-10mm。
在一种实施方式中，所述反应池内腔的最大高度为0.5mm-3mm。
在一种实施方式中，所述阳极2.1为二氧化钛电极。
在一种实施方式中，所述阴极2.2为钛电极。可塑性强，适于小体积反应器。
在一种实施方式中，如图6所示，所述紫外灯3上方设有紫外灯罩5。
在一种实施方式中，所述光催化反应器还包括加热组件，用于对所述反应池进行加热。
进一步的，所述加热组件包括加热板，设于所述反应池内。
在一种实施方式中，所述加热组件将反应池温度控制在60±15℃的区间内。以提高反应效率。
在一种实施方式中，所述反应池一侧设有透光口，所述紫外灯设于所述透光口的上方，所述透光口处设有透光玻璃6。保证紫外光可以摄入，同时防止反应池内的液体对紫外灯造成污染。
优选的，所述透光玻璃为透光石英玻璃。
进一步的，所述紫外灯3的长度大于所述透光口长度的二分之一。保证紫外灯具有一定长度，保证阳极的整个面都受到照射。优选的，所述紫外灯3的长度与所述透光口长度相等。
在一种实施方式中，所述紫外灯3的宽度不超过所述反应池的宽度。减小整个装置的体积，并减少资源的浪费。
在一种实施方式中，所述紫外灯3贴合所述透光玻璃6设置。使紫外光直接照射到反应器内部，减小光程。
所述进口1和出口4均设于所述反应池的底部。不需要外力就可以排出水体。
本发明还提供采用前述光催化反应器进行光催化的方法，所述方法包括以下步骤：
a.启动反应器：打开紫外灯，将阴极和阳极与分别与电源连接；
b.进液：向反应池中加入需要反应的流体；
c.反应：进行光催化反应；
d.排液：排出反应后的流体；
e.电极再生：反应结束后，加入冲洗液，施加反向电压，再将电极短路，使电极再生；
f.将冲洗液排出。
在一种实施方式中，所述紫外灯的光照辐射强度为300-500微瓦/平方厘米。
在一种实施方式中，电源电压为0.5-1V。可以有效防止生成的电子与空穴复合，提高光催化效率，同时防止额外的电化学反应的发生。
在一种实施方式中，电源电流强度为0.01-0.02A。两极之间的电流强度主要由施加的电源电压所决定。
在一种实施方式中，所述进液为间歇进液。保证流体充分反应。
在一种实施方式中，所述光催化反应的水力停留时间为10-40min。保证流体充分反应。
在一种实施方式中，步骤e中，所述施加反向电压的时间为10-30s，电极短路时间为10-60s。
在一种实施方式中，步骤e中，所述冲洗液选自去离子水、氢氧化钠水溶液或乙醇水溶液。
在一种实施方式中，所述氢氧化钠水溶液的质量浓度为1％-5％，所述乙醇水溶液的质量浓度为10％-50％。
在一种实施方式中，步骤b中，还包括向所述需要反应的流体中加入浓硫酸和/或硫酸钠水溶液。加强导电性和氧化性。
所述浓硫酸是指质量分数大于或等于70％的硫酸水溶液。
在一种实施方式中，所述浓硫酸占进液体积的2％-10％，和/或，所述硫酸钠水溶液占进液体积的5％-10％，所述硫酸钠浓度为10-200mg/mL。
本发明可用于有机盐的消解，将有机盐转化为无机盐。以有机磷转化为正磷酸盐为例，在进行电极再生时，施加反向电压，造成阴极和阳极表面的双电层解构，阴极双电层中残留的磷酸根离子和阳极双电层中残留的阳离子会快速从双电层中解吸附，进入冲洗液中，然后通过电路控制使阴阳极短路，使磷酸根继续解吸附，并达到稳定。这时电极表面残留的磷酸根离子绝大多数都进入了冲洗液中，再将冲洗液排空，达到再生的目的。
反向电压是指与步骤a中的电源电压方向相反的电压。
在一种实施方式中，反应时对反应池进行加热。加热温度控制在60±15℃的区间内。提高反应效率。例如，对于含磷有机物在20分钟内的消解效率的实验中，通过加热可以将消解效率提高大约10个百分点，结果如图5所示。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种光催化反应器，其特征在于，所述光催化反应器至少包括：
进口（1），用于接收流体；
反应池（2），与所述进口连通，用于进行光催化反应；所述反应池的容积为25-1500 微升；所述反应池内腔的最大长度为10mm-50mm，最大宽度为5mm-10mm，最大高度为0.5mm-3mm；所述反应池中设有阳极（2.1）和阴极（2.2），所述阳极平铺于反应池底部，所述阴极（2.2）设于所述反应池的侧壁且不与所述阳极直接接触；所述阳极为薄片状；所述阴极无间断环绕侧壁，所述阴极至少环绕侧壁周长的二分之一；所述阳极（2.1）为二氧化钛电极；所述阴极（2.2）为钛电极；
紫外灯（3），用于为所述反应池（2）提供光源；所述紫外灯（3）上方设有紫外灯罩（5）；
出口（4），与所述反应池（2）连通，用于排出反应后的流体；
所述光催化反应器还包括加热组件，用于对所述反应池进行加热。
2.如权利要求1所述的光催化反应器，其特征在于，所述反应池一侧设有透光口，所述紫外灯设于所述透光口的上方，所述透光口处设有透光玻璃（6）。
3.如权利要求2所述的光催化反应器，其特征在于，还包括以下特征的一项或多项：
1）所述紫外灯（3）的长度大于所述透光口长度的二分之一；
2）所述紫外灯（3）的宽度不超过所述反应池的宽度；
3）所述紫外灯（3）贴合所述透光玻璃（6）设置。
4.如权利要求1所述的光催化反应器，其特征在于，所述进口（1）和出口（4）均设于所述反应池的底部。
5.一种采用权利要求1-4任一所述的光催化反应器进行光催化的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a. 启动反应器：打开紫外灯，将阴极和阳极与分别与电源连接；
b. 进液：向反应池中加入需要反应的流体；
c. 反应：进行光催化反应；
d. 排液：排出反应后的流体；
e. 电极再生：反应结束后，加入冲洗液，施加反向电压，再将电极短路，使电极再生；
f. 将冲洗液排出。
6.如权利要求5所述的光催化的方法，其特征在于，还包括以下特征的一项或多项：
1）所述紫外灯的光照辐射强度为300 -500微瓦/平方厘米；
2）电源电压为0.5-1 V；
3）电源电流强度为0.01-0.02 A；
4）所述进液为间歇进液；
5）所述光催化反应的水力停留时间为10-40 min；
6）步骤e中，所述施加反向电压的时间为10-30s，电极短路时间为10-60s；
7）步骤e中，所述冲洗液选自去离子水、氢氧化钠水溶液或乙醇水溶液。
7.如权利要求5所述的光催化的方法，其特征在于，步骤b中，还包括向所述需要反应的流体中加入浓硫酸和/或硫酸钠水溶液。
8.如权利要求7所述的光催化的方法，其特征在于，所述浓硫酸占进液体积的2%-10%；和/或，所述硫酸钠水溶液占进液体积的5%-10%，所述硫酸钠浓度为10-200 mg/mL。
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