CN1331766C - 光电极处理水中难降解有机物的工艺 - Google Patents

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Abstract

一种光电极处理水中难降解有机物的工艺属于环境化工光电催化水处理技术领域。采用光电性能优越的掺锑二氧化锡薄膜电极作为光电催化有机水处理的光电极，空气氧电极作为阴极，两电极相互平行并垂直置于光电催化反应器中，依据装置的处理能力，电极可采用多组串联或并联，365nm波长紫外光源置于反应器中心或反应器外侧。本发明选用钛片或碳化硅片为基体的纳米掺锑氧化锡薄膜光电极，不仅利用其优良的半导体光电催化性能，而且利用其阳极的氧化作用与空气氧电极阴极的还原作用发生的协同效应，提高了体系·OH自由基浓度，故能有效彻底去除水中难降解有机物，是一种新的光电催化水处理工艺。

Description

光电极处理水中难降解有机物的工艺
技术领域
本发明涉及一种采用半导体光电催化氧化法处理水中有机物的工艺，具体来说是一种掺锑二氧化锡薄膜光电极处理水中难降解有机物的工艺。属于环境化工光电催化水处理技术领域。
背景技术
20世纪中叶以来，随着工业的迅猛发展，产生了大量的自然界不曾存在的非生命有机物，其中多数为难降解有机物，对生态环境与人类生存构成极大威胁。
光激活半导体(通常使用TiO2)价带上的光生空穴(Fujishima A，Honda K，Nature，1972，238：37-38；Matthews R.W.J.Catal.1988，111：264-272；Ollis D F，Al-Ekabi H.Amsterdam：Elsevier，1993)，在水中产生氧化能力极强的·OH自由基(标准电极电势2.80eV)，可使水中难于降解的有机污染物完全矿化，且对作用物几乎无选择性，降解过程可在常温常压下进行，加之该法毋须添加化学试剂，无二次污染，故成为当前国内外水净化技术的研究前沿和开发热点。但是大量研究表明该过程的主要问题之一是量子效率太低，反应速率不高，降解水中有机物特别是难降解有机物需较长的时间。
二氧化锡是一种宽带隙半导体，具有吸收波长小于355nm紫外光的性能。当掺杂金属元素后成为导体，其吸光性能不发生改变，且兼顾优良的透光性和导电性(J Electrochem Soc，1976，123(7)：199；Surface and Coating Technology，2001，138：229-236)，作为透光导电薄膜材料广泛应用于各种光电器件，如电致发光器件、太阳能电池、液晶显示、气敏元件中。此外，掺锑二氧化锡还具有良好的导热性、机械性能、化学及热稳定性，近年来开始应用于电加热玻璃、低辐射玻璃以及电化学水处理中，中国专利CN1165204C中提供了一种结构致密、良好的导电性、高透光率、高热交换效率的锡锑氧化物导电膜。CN1383914A制备了一种纳米级TiO2/SnO2复合光催化材料，可用于各种光催化过程。梁镇海等采用Ti/SnO2+Sb2O3+MnO2/PbO2作阳极，电化学方法降解水中苯酚，苯酚转化率达95.8％(无机材料学报，2001，16(1)：183-187)。国外也有将高析氧电极SnO2用于直接阳极氧化水中氯酚(Environ Sci Technol，1999，33：1453-1457)但是降解的中间产物很难进一步矿化。掺锑二氧化锡光电催化用于难降解有机水处理的研究尚未见报导。
发明内容
本发明光电极处理水中难降解有机物的工艺目的在于，利用二氧化锡薄膜光电极优良的半导体光电催化性能及其阳极的氧化作用与空气氧电极阴极的还原作用发生的协同效应，提高体系·OH自由基浓度，从而公开一种能有效彻底去除水中难降解有机物的光电催化水处理工艺的技术方案。
本发明光电极处理水中难降解有机物的工艺，其特征在于是一种纳米掺锑二氧化锡薄膜光电极处理水中难降解有机物的工艺，该工艺采用浸渍提拉工艺制成的掺锑二氧化锡薄膜电极作为光电催化有机水处理的光电极，光电催化反应器水平放置，掺锑二氧化锡薄膜电极与另一工作电极相互平行并垂直置于光电催化反应器中，紫外光源置于反应器中心或反应器外侧，外加直流电的电压控制在0.5-5V，处理时间为1～3小时，浸渍提拉工艺制成的掺锑二氧化锡薄膜光电极选用钛片或碳化硅片为基体的纳米掺锑氧化锡薄膜光电极。
上述的纳米掺锑二氧化锡薄膜光电极处理水中难降解有机物的工艺中，另一工作电极为空气氧电极，在光电催化水处理过程作为阴极；紫外光源的波长为365nm；反应过程始终有空气连续不断鼓入反应器中。
本发明的优点为：将电化学反应和光催化反应有机结合，源源不断产生所需的强氧化性·OH自由基，而且此种光电催化水处理工艺反应、传质非常协调，从而实现高效降解水中有机物。具体优点为：
1)阳极有三大作用：其一，捕获光生电子，生产·OH；其二，直接电化学氧化水中有机污染物，其三，与空气氧电极联合生产·OH，OH-+h＝·OH。
2)空气氧电极作用：生产H2O2、OH-及新生态的氧。
3)空气氧电极与光联合作用生产
因此，该光电催化水处理工艺可快速彻底地将水中有机物降解为CO2、H2O、无机离子等小分子物质，且毋须添加化学试剂，无二次污染，无固液分离问题，同时开辟了二氧化锡薄膜电极应用的新领域。
具体实施方式：
实施方式1
采用浸渍提拉工艺将掺锑二氧化锡涂覆在预先处理好的钛片上制成掺锑二氧化锡薄膜光电极，以此电极为阳极，空气氧电极为阴极，对苯酚水溶液进行处理。工艺条件为：以掺锑二氧化锡薄膜电极为光阳极，空气氧电极为阴极，阴阳两电极之间距离4cm，250W 365nm紫外灯作为中心光源，空气流量为0.3m3/h，电压0.5V。处理时间为2小时，每间隔一定时间取样分析，用分光光度法测量苯酚的转化率，并测定其各时间段反应液COD浓度的变化。结果表明：经1小时光电催化反应，50mg/L，100mL苯酚水溶液苯酚转化率为接近100％，COD的去除率为80.0％以上。
实施方式2
采用浸渍提拉工艺将掺锑二氧化锡涂覆在预先处理好的碳化硅片上制成掺锑二氧化锡薄膜光电极，以此电极为阳极，空气氧电极为阴极，对苯酚水溶液进行处理。工艺条件为：以掺锑二氧化锡薄膜电极为光阳极，空气氧电极为阴极，阴阳两电极之间距离3cm，250W 365nm紫外灯作为侧光源，空气流量为0.3m3/h，电压2V。处理时间为2小时，每间隔一定时间取样分析，用分光光度法测量苯酚的转化率，并测定其各时间段反应液COD浓度的变化。结果表明：经2小时光电催化反应，50mg/L，100mL苯酚水溶液苯酚转化率为接近100％，COD的去除率为90.0％以上。
实施方式3
采用浸渍提拉工艺将掺锑二氧化锡涂覆在预先处理好的碳化硅片上制成掺锑二氧化锡薄膜光电极，以此电极为阳极，空气氧电极为阴极，对苯酚水溶液进行处理。工艺条件为：以掺锑二氧化锡薄膜电极为光阳极，空气氧电极为阴极，阴阳两电极之间距离3cm，250W 365nm紫外灯作为侧光源，空气流量为0.3m3/h，电压5V。处理时间为2小时，每间隔一定时间取样分析，用分光光度法测量苯酚的转化率，并测定其各时间段反应液COD浓度的变化。结果表明：经3小时光电催化反应，50mg/L，100mL苯酚水溶液苯酚转化率为接近100％，COD的去除率为95.8％以上。

Claims (1)

1.一种光电极处理水中难降解有机物的工艺，其特征在于是一种纳米掺锑二氧化锡薄膜光电极处理水中难降解有机物的工艺，该工艺采用浸渍提拉工艺制成的掺锑二氧化锡薄膜电极作为光电催化有机水处理的光电极，光电催化反应器水平放置，掺锑二氧化锡薄膜电极与另一工作电极相互平行并垂直于光电催化反应器中，紫外光源置于反应器中心或反应器外侧，外加直流电的电压控制在0.5-5V，处理时间为1～3小时，浸渍提拉工艺制成的掺锑二氧化锡薄膜光电极选用钛片或碳化硅片为基体的纳米掺锑氧化锡薄膜光电极，另一工作电极为空气氧电极，在光电催化水处理过程作为阴极；紫外光源的波长为365nm；反应过程始终有空气连续不断鼓入反应器中。
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