CN114804285B - 太阳光驱动的双电极流动相光催化有机废水降解装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳光驱动的双电极流动相光催化有机废水降解装置，包括容器以及两个电极，两个电极各自一端分别插入至容器内部，其中一个电极为光阳极，光阳极和另一个电极（对电极）连接，容器的器壁对应于光阳极位置设为透光部分，器壁其余部分设为吸热部分。本发明利用光阳极和对电极协同工作，达到降低电子‑空穴复合几率，解决传统光催化光生电子‑空穴易复合的问题，并能够形成光热辅助和自循环流动相，达到提高催化降解效率、有效降低能耗的目的。
Description
技术领域
本发明涉及有机废水催化降解装置领域，具体是一种太阳光驱动的双电极流动相光催化有机废水降解装置。
背景技术
现有技术对于有机废水的催化降解装置，其一般包括一个反应器主体、电催化体系和恒温水浴磁力搅拌器。反应器主体包括石英玻璃管和氙灯。电催化体系包括直流电源和阴阳电极,恒温水浴磁力搅拌器包括磁力搅拌器和水浴锅。氙灯固定于石英玻璃管正上方,光源发出的光线可均匀直射到石英玻璃管内。阴阳电极一端从石英玻璃管口顶部插入水中,另一端通过导线连接直流电源的正负极,实现电催化。工作时，待降解的有机废水和催化剂材料容纳于石英玻璃管内，石英玻璃管放置在恒温水浴磁力搅拌器水浴锅中,通过控制反应温度实现热催化，通过旋转按钮控制转速,使催化剂材料与有机废水得以充分的接触与反应,每隔特定时间从石英玻璃管中取样有机废水用紫外分光光度计测定吸光度,计算降解率。
这种结构的有机废水催化降解装置存在以下问题：
（1）现有用于降解的催化剂大多数粉体材料，不易回收再利用。
（2）催化剂静置于降解目标溶液中，活性物流动性差，限制了降解效率。
（3）现有的单一光催化方法，产生的电子和空穴都在同一个阳极表面形成催化反应，电子和空穴容易复合。
（4）光源多为氙灯，成本较高并消耗电能。
（5）现有的电催化，加热辅助催化，搅拌辅助催化降解均需要消耗电能
发明内容 本发明的目的是提供一种太阳光驱动的双电极流动相光催化有机废水降解装置，以解决现有技术有机废水催化降解装置存在的光催化光生电子-空穴易复合、催化剂材料流动性差、耗能高的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
太阳光驱动的双电极流动相光催化有机废水降解装置，包括用于容纳待降解的有机废水的容器，以及用于降解有机废水的两个电极，两个电极各自一端分别插入至容器内部并与容器内的有机废水相接触，其中一个电极为光阳极，所述光阳极和另一个电极通过导线连接，所述容器的器壁对应于所述光阳极位置设为透光部分，除透光部分外器壁其余部分设为吸热部分。
进一步的，所述容器为封闭容器，容器的上端底面设为倾斜面，两个电极分别穿过容器上端插入至容器内部，其中光阳极插入点对应的容器上端底面位置低于另一个电极插入点对应的容器上端底面位置。
进一步的，所述容器为双层真空玻璃集热管，双层真空玻璃集热管的内、外管壁对应于所述光阳极位置设为透光面形成透光部分，除透光部分外双层真空玻璃集热管至少内管壁其余部分设有吸热涂层形成吸热部分。
进一步的，所述双层真空玻璃集热管上端设为管口，管口中堵入有管塞使双层真空玻璃集热管封闭。
进一步的，所述管塞采用聚四氟乙烯材料。
进一步的，所述光阳极包括FTO导电玻璃、附着形成于FTO导电玻璃表面的TiO2纳米棒阵列、附着形成于TiO2纳米棒阵列表面的Bi2MoO6层。
进一步的，两个电极中除光阳极外的另一个电极为Pt或FTO导电玻璃电极。
进一步的，所述光阳极与另一个电极之间串联有电流表，根据电流表数值实时监控降解过程和程度。
本发明降解原理为：Bi2MoO6/TiO2复合材料制成的光阳极可吸收太阳光产生电子-空穴对。光阳极表面的空穴（h+）和水（H2O）或氢氧根离子（OH-）结合形成羟基自由基（•OH），可以将有机物降解矿化。光阳极产生的电子流到另一个电极表面，电子（e-）和氧气分子（O2）结合形成超氧离子（•O2 -），也可以降解有机物。
因此，本发明解决了传统的有机废水催化降解装置存在的电子-空穴易复合的问题。传统的有机废水催化降解装置中产生的电子-空穴都分布在催化物表面，容易复合。本发明装置通过外电路直接将电子从光阳极引到另一个电极，一方面降低了电子-空穴的复合几率，另一方面光阳极和另一个电极都能产生活性物种，增加了催化活性面积。
本发明中，容器吸收太阳能，容器内部温度升高，溶液蒸发，蒸气在容器上端底面液化，顺着倾斜的容器上端底面流向对应位置管壁并沿着管壁流下，从而回流到光阳极附近，形成了热辅助自循环流动相，可以促进电极附近未降解和已降解有机物的交换。
因此，本发明解决了传统的有机废水催化降解装置需要外加辅助装置而且消耗电能的问题。传统的有机废水催化降解装置需要电加热装置，磁力搅拌、机械搅拌等辅助催化的方法也需要外加装置并消耗电能。本发明装置利用双层玻璃真空集热管，吸收太阳能加热有机废水及催化剂，再通过蒸发-液化自循环形成流动相，提高催化降解效率。
故本发明只需单一的太阳光能量，利用光阳极和对电极协同工作，达到降低电子-空穴复合几率，同时增大催化活性面积而提高降解效率。另外，光热辅助和自循环流动相均可以达到提高催化降解效率，并能够有效降低能耗。
附图说明
图1是本发明装置结构示意图。
图2是本发明降解原理图。
图1中：1.双层玻璃真空集热管；2.聚四氟管塞；3.光阳极；4.对电极；5.电流表；6.光阳极一侧透光面；7.黑色吸热涂层（涂于内层玻璃外表面）。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本实施例包括用于容纳催化剂和待降解的有机废水的容器，以及两个用于降解有机废水的电极，其中：
容器采用抽真空的双层玻璃集热管1，双层玻璃集热管1包括内管和套于内管外的外管，内管底部、侧面与外管底部、侧面对应有间隔，内管上端、外管上端齐平并通过玻璃环板相连以封闭内管、外管之间间隔。双层玻璃集热管1的整体上端为管口，管口中堵入有管塞2，由此使双层玻璃集热管1形成封闭容器。管塞2采用聚四氟乙烯材料制成，其表面液体具有良好的流动性，管塞2朝向双层玻璃集热管1内的底面设为如图1所示左低右高的斜面。
两个电极中，其中一个电极为光阳极3，光阳极3由FTO导电玻璃、附着形成于FTO导电玻璃表面的TiO2纳米棒阵列、附着形成于TiO2纳米棒阵列表面的Bi2MoO6层构成，其制备方法如下：首先在FTO导电玻璃表面上水热法生长TiO2纳米棒阵列，在阵列上再水热法生长Bi2MoO6层,形成可吸收太阳光的光阳极。
两个电极中，另外一个电极作为光阳极3的对电极4，对电极4为Pt片电极或者其他导电材料（如FTO导电玻璃）。
光阳极3、对电极4分别穿过管塞2伸入至双层玻璃集热管1内部，并且光阳极3、对电极4下端分别埋入至双层玻璃集热管1内的有机废水中。其中光阳极3在管塞2的插入点位于管塞2底面靠左较低位置，对电极4在管塞2的插入点位于管塞2底面靠右较高位置，由此插入后光阳极3在双层玻璃集热管1内靠左位置，对电极4在双层玻璃集热管1内靠右位置，光阳极3、对电极4之间间隔一定距离。光阳极3、对电极4上端（位于双层玻璃集热管1外的）之间通过电流表5电连接，由此光阳极3、电流表5、对电极4、有机废水形成导电回路。
双层玻璃集热管1对应于光阳极3的内管左侧管壁、外管左侧管壁分别保留透光形成透光面6，双层玻璃集热管1的内管其余管壁以及内管底部分别涂覆吸热材料形成吸热涂层7。
如图2所示，本实施例中，当工作时，太阳光经左侧透光面6照射至光阳极3，Bi2MoO6/TiO2复合材料制成的光阳极3可吸收太阳光产生电子-空穴对。光阳极3表面的空穴（h+）和水（H2O）或氢氧根离子（OH-）结合形成羟基自由基（•OH），可以将有机物降解矿化。光阳极3产生的电子由电流表5流到对电极4表面，电子（e-）和氧气分子（O2）结合形成超氧离子（•O2 -），也可以降解有机物。通过电流表5可获取整个导电回路中的电流大小，并基于电流大小能够计算得到降解效率，由此无须从双层玻璃集热管1抽取液体进行检测。
当太阳光持续通过透光面6照入至双层玻璃集热管1内时，由于双层玻璃集热管1除了透光面6外其余部分为吸热涂层7，因此双层玻璃集热管1内部持续升温，使双层玻璃集热管1内部温度升高，双层玻璃集热管1内部有机废液蒸发，蒸气在管塞底面液化，顺着管塞的倾斜底面流向双层玻璃集热管1内管左侧管壁并沿着左侧管壁流下，回流到光阳极3附近，从而形成了热辅助自循环流动相，可以促进电极附近未降解和已降解有机物的交换，整个过程无须利用其它用电设备，因此可降低能耗。
本发明主要利用太阳光，太阳光是整个催化降解体系的唯一能量来源，无需消耗其他能量就能实现光催化和热辅助催化降解。光阳极产生的电子被引导至对电极，减小了电子-空穴对的复合几率，光阳极和对电极均有降解作用。热蒸发自循环可以形成流动相，提高催化物表面。通过电流表显示的电流值变化可以实时监测降解程度，对于无色透明的有机物降解监测更显示出优越性。整个装置结构简单，制作成本低，电极材料也可以根据具体需要而改变，装置可循环重复使用。
本发明可明显提高有机废水的降解速度。通过甲基橙（12.5mg/L）降解实验表明，同样是降解率达到90%，本发明装置实验所需时间大约是单电极且无循环流动热辅助实验时间的1/5到1/7。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (5)
1.太阳光驱动的双电极流动相光催化有机废水降解装置，包括用于容纳待降解的有机废水的容器，以及用于降解有机废水的两个电极，其特征在于，两个电极各自一端分别插入至容器内部并与容器内的有机废水相接触，其中一个电极为光阳极，所述光阳极和另一个电极通过导线连接，所述容器的器壁对应于所述光阳极位置设为透光部分，除透光部分外器壁其余部分设为吸热部分；
所述容器为封闭容器，容器的上端底面设为倾斜面，两个电极分别穿过容器上端插入至容器内部，其中光阳极插入点对应的容器上端底面位置低于另一个电极插入点对应的容器上端底面位置；
所述容器为双层真空玻璃集热管，双层真空玻璃集热管的内、外管壁对应于所述光阳极位置设为透光面形成透光部分，除透光部分外双层真空玻璃集热管至少内管壁其余部分设有吸热涂层形成吸热部分；
所述双层真空玻璃集热管上端设为管口，管口中堵入有管塞使双层真空玻璃集热管封闭。
2.根据权利要求1所述的太阳光驱动的双电极流动相光催化有机废水降解装置，其特征在于，所述管塞采用聚四氟乙烯材料。
3.根据权利要求1所述的太阳光驱动的双电极流动相光催化有机废水降解装置，其特征在于，所述光阳极包括FTO导电玻璃、附着形成于FTO导电玻璃表面的TiO2纳米棒阵列、附着形成于TiO2纳米棒阵列表面的Bi2MoO6层。
4.根据权利要求1所述的太阳光驱动的双电极流动相光催化有机废水降解装置，其特征在于，两个电极中除光阳极外的另一个电极为Pt或FTO导电玻璃电极。
5.根据权利要求1所述的太阳光驱动的双电极流动相光催化有机废水降解装置，其特征在于，所述光阳极与另一个电极之间串联有电流表，根据电流表数值实时监控降解过程和程度。
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