CN1333085A - 负载型光催化剂 - Google Patents

负载型光催化剂 Download PDF

Info

Publication number
CN1333085A
CN1333085A CN00119439.9A CN00119439A CN1333085A CN 1333085 A CN1333085 A CN 1333085A CN 00119439 A CN00119439 A CN 00119439A CN 1333085 A CN1333085 A CN 1333085A
Authority
CN
China
Prior art keywords
spring
light
carrier
loaded photocatalyst
tio
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN00119439.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1112237C (zh
Inventor
陈爱平
戴智铭
陶咏
古宏晨
古政荣
杨阳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
WEILAI MODERN SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd SHANGHAI
East China University of Science and Technology
Original Assignee
WEILAI MODERN SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd SHANGHAI
East China University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by WEILAI MODERN SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd SHANGHAI, East China University of Science and Technology filed Critical WEILAI MODERN SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd SHANGHAI
Priority to CN00119439.9A priority Critical patent/CN1112237C/zh
Publication of CN1333085A publication Critical patent/CN1333085A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN1112237C publication Critical patent/CN1112237C/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Catalysts (AREA)
  • Physical Water Treatments (AREA)

Abstract

提供了一种可用于空气净化和水处理的负载型光催化剂,由弹簧形载体和负载于该载体上的TiO2光催化剂组成。弹簧形载体的弹簧节距为0.05-10mm,外径为1-20mm,自由高度为1-100mm。可由玻璃、对光稳定的高分子聚合物或不锈钢的材料丝制成。材料丝直径为0.1-10mm。

Description

负载型光催化剂
本发明涉及一种负载型光催化剂,这种催化剂由弹簧状载体及负载于其上的TiO2光催化剂构成,可用于空气净化和水处理。
光催化反应条件温和(常温常压),可直接利用空气中氧气作为氧化剂,并利用太阳光(或近紫外人工光源),对有机和无机污染物、细菌以及病毒等进行光催化降解反应,达到治理环境的目的,因此,通过光催化反应治理环境污染的应用前景广阔。
由于二氧化钛化学和光稳定性以及廉价易得,所以成为进行光催化技术开发应用的首选光催化剂。二氧化钛半导体的禁带宽度约为3.2eV,当能量大于其禁带宽度的光子作用于二氧化钛时,二氧化钛半导体价带上的电子吸收光子的能量跃迁至导带,分别在价带和导带上产生了光生空穴和电子,这些光生载流子迁移到二氧化钛颗粒的表面并被表面物种(如表面羟基、水、氧及污染物等)捕获,通过生成反应活性极强的中间物种如羟基自由基等引发一系列的氧化还原反应,最终将污染物矿化成CO2、水和简单的无机化合物,达到治理环境污染的目的。
二氧化钛粒径越小,光生载流子越容易在复合前迁移到二氧化钛颗粒的表面,引发污染物降解反应,此外当TiO2的粒径小至纳米量级时,会因量子尺寸效应使其光催化活性显著提高,因此高效的TiO2光催化剂颗粒,其大小应在纳米量级,一般为5-50nm。
根据TiO2光催化剂在反应器中的形态,光催化方法分为三大类。
(1)将TiO2光催化剂粉末直接分散在待处理的水中形成悬浮体系,这种体系中光催化剂与污染物(或氧)的接触较好,即传质较好,但存在光在悬浮液中传播距离短(一般小于5毫米),极细的TiO2从液体中分离困难,以及TiO2光催化剂容易流失和絮凝失活等问题,限制了它的实际应用(WO9108813,JP09299810A2)。
(2)在紫外灯和反应器器壁等材料上形成二氧化钛光催化剂薄膜层,构成浸没式、平板式或圆环式光催化反应器。虽然人们试图通过采用波纹结构或螺旋结构等办法来改善该体系光催化剂比表面低和传质不良两大不足,但是这两大不足在本质上还是使得这类光催化反应系统的效率较低(US5069885,WO9964357A1)。
(3)将TiO2光催化剂负载在砂、玻璃珠和硅胶等颗粒状载体上制成负载型光催化剂,构造成填充床型或浅槽型光催化反应器。在此类填充床反应器中存在床层压降大和光分布不均匀等缺陷,限制了其放大应用。将TiO2负载在玻璃纤维布上制成的负载型光催化剂,由于纤维布是非刚性材料,在反应器运行过程中会带来两大问题,首先由这种可变形的填料形成的床层中会造成严重的沟流,从而使过程控制变成传质控制,降低效率;其次负载在纤维布上的TiO2会因纤维布的不停的运动(如在流体的冲击下的抖动等)使得负载的TiO2容易脱落。(JP11156377,US5501801A)。
光催化降解过程是在紫外光激发下,在光催化剂表面发生污染物的氧化还原过程。因此一个有效的光催化反应空间必须同时具备光、光催化剂和反应物(污染物和氧气),三者缺一不可。光催化反应的速度与光强的关系可定性地分成三种情形。当光强很强时,光催化反应速度与光强无关。当光强处于中等强度时,光催化反应速率与光强的平方根成正比。当光强较弱时,光催化反应速度与光强成正比,这时光的利用效率最高。当反应器中的一部分空间光辐照极强时,仅有少部分光对光催化过程有效,大部分光以热效应形式耗损掉。当反应器中的部分空间没有被光辐照时,这部分的反应器空间实际上是无效的。因此光在光催化反应器中的分布决定了光催化反应器的效率。
负载二氧化钛过程中,载体的选择是关键,载体的结构决定了光在体系中的传递过程和物质(如污染物和O2等)传递到催化剂表面的传质过程,也就决定了光催化反应器的设计和光催化系统的效率。
本发明的目的是提供一种由弹簧状载体及负载于其上的TiO2光催化剂构成的负载型光催化剂。这种催化剂达到了光传播和反应物传质的良好统一,可实现高效的光催化过程。
所述弹簧状载体,就材质而言可以是玻璃、对光稳定的高分子聚合物如全氟聚合物、或金属如不锈钢等。要求弹簧状载体有一定的机械强度和刚性。
弹簧状载体就其几何尺寸而言,弹簧节距为0.05-10mm,最好为0.1-3mm。弹簧的自由高度1-100mm,最好为5-50mm。弹簧外径为1-20mm,最好为2-8mm。材料丝直径0.1-10mm,最好0.5-3mm。
载体成型后,可以采用浸渍法或喷涂法等方法,将TiO2负载在载体上,负载所用的TiO2前驱体可以是含钛的溶液、溶胶或由粒度为5-50nm的纳米级TiO2制成的高分散的浆液。可重复负载1-7次,最好为2-4次。于200-800℃烧结,将TiO2牢固地固定在载体上。
本发明的负载型光催化剂优点之一是,流体流经由丝线材料构成的弹簧形光催化剂填充床时,湍动效应优良,因而物质(如污染物和O2)从溶液本体传递到光催化剂表面的传质过程良好,消除了传质对光催化过程效率的影响。
本发明的负载型光催化剂的第二个优点是,使近紫外光可以在弹簧节距间的空隙、弹簧内的空隙以及床层的填充空隙等传播较长的距离,使光在填充床层中的分布较为合理,从而既增加了光催化反应器的有效空间,又提高了光的利用效率。
本发明的负载型光催化剂的第三个优点是,通过弹簧丝对紫外光线的反射和折射等作用,使得紫外光在光催化反应器内传播时发生多次的均匀分布,从而使反应器中整个填充体积内的光催化剂都是光催化有效空间。
本发明的负载型光催化剂的第四个优点是,使用这类负载型光催化剂的催化反应器构造简单,如环形填充固定床和薄层填充固定床等,光催化剂装卸方便,催化反应器易于放大。
在填充式反应器中使用本发明的负载型光催化剂,实现了传质和光分布的优化结合,从而达到最优的光催化效率。
下面是本发明的实施例,通过这些实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
首先用直径0.8mm的玻璃丝制成圆柱形弹簧载体,弹簧节距为0.1mm,弹簧外径为4.5mm,自由高度为25mm。
将圆柱形弹簧载体清洗干净,TiO2光催化剂粉末分散成粒子大小为5-50nm的单分散的水浆料,将洗净的载体于TiO2浆料中浸泡10分钟,滤干后烘干,浸涂可重复3-5次。烘干后的样品以每分钟5℃的升温速度,升温至300℃,焙烧4小时,缓慢冷至室温,即可制得负载型光催化剂。
实施例2-13
按照和实施例1相同的方式,使用表1所列出的材料,制备负载型光催化剂。制备弹簧载体的材料丝直径、弹簧载体的节距、外径和自由高度均列于表1中。
                               表1
                            弹簧形载体
实施例  材质  材料丝直径(mm)  弹簧节距(mm)  弹簧外径(mm)  自由高度(mm)
    1  玻璃     0.8     0.1     4.5     25
    2  玻璃     0.7     0.6     4.0     20
    3  玻璃     1.0     0.8     4.5     15
    4  玻璃     0.6     0.2     3.0     10
    5  玻璃     1.5     1.2     6.2     30
    6  玻璃     2.6     2.4     7.2     45
    7  玻璃     0.1     0.05     2.0     1.0
    8  玻璃     0.5     0.1     4.0     5.0
    9  玻璃     3.2     3.0     8.0     60
    10  玻璃     5.2     5.0     12.0     80
    11  玻璃     10.0     9.8     20.0     100
    12  不锈钢     0.7     0.6     4.0     20
    13  聚四氟乙烯     0.7     0.6     4.0     20
比较例1-3
使用玻璃作为载体的材料制备负载型光催化剂。比较例1和2分别使用直径为1.5mm和0.4mm的玻璃珠,比较例3使用玻璃纤维布,采用与实施例1相同的方式浸涂纳米级TiO2光催化剂后,制得负载型光催化剂。
实施例14
将实施例1-13和比较例1-3制备的负载型光催化剂各自分别以表2所列出的厚度,装入填充床型光催化反应器中。将一束平行光(主波长365nm)照射在不同厚度的负载型光催化剂填充床上,测定透过光催化剂床层后的光强度,即可得到光在光催化剂床层中的分布。光透过不同厚度的光催化剂床层后的强度列于表2。
                                              表2
                                   光催化剂床层中的光强分布*
    厚度(mm)   0.5    2  4  6  8  10  15  20  25  30
0.1%TiO2浆料**   330    12  0  0  0  0  0  0  0  0
    比较例1   -    350  40  0  0  0  0  0  0  0
    比较例2   1300    380  76  6  0  0  0  0  0  0
    比较例3   1460    410  97  18  0  0  0  0  0  0
    实施例1   -    -  680  390  110  66  16  0  0  0
    实施例2   -    -  1220  860  618  410  208  96  14  0
    实施例3   -    -  1490  1210  990  750  570  290  160  58
    实施例4   -    -  820  500  230  150  60  6  0  0
    实施例5   -    -  -  790  560  340  150  72  6  0
    实施例6   -    -  -  -  98  42  8  0  0  0
    实施例7   -    1120  310  76  10  0  0  0  0  0
    实施例8   -    -  430  160  56  8  0  0  0  0
    实施例9   -    -  -  -  90  34  6  0  0  0
    实施例10   -    -  -  -  -  -  72  16  0  0
    实施例11   -    -  -  -  -  -  -  64  8  0
    实施例12   -    -  1230  870  626  418  216  105  22  0
    实施例13   -    -  1230  860  620  412  210  98  16  0
*当无填充物时透过光的光强为2000μm/cm2
**用纳米级TiO2分散而成的固含量为0.1%的水浆料
从表2可知,当填充式催化反应器的催化剂床层达到8mm时,玻璃珠或玻璃纤维布为载体制备的光催化剂,透过催化剂床层的光强度为零。在由本发明的弹簧载体制成的负载型光催化剂的填充床中,紫外光能传播较远的距离,床层中的紫外光的分布得到显著的改善。改变弹簧的几何尺寸可以进一步地改善光的分布。实施例2、12和13的数据表明弹簧的材质对光分布没有太大的影响。
实施例15
当光在催化剂的填充床中能传递较远的距离,即光强在填充床的分布较为均匀时,为设计实用高效光催化反应器提供了前提条件。在内管直径为30mm,环隙厚度分别为10mm和30mm的两套圆环形反应器内各放置一根15w蓝黑紫外灯管,以亚甲基蓝光催化降解脱色为模型反应,将实施例1-5和比较例1-3制备的负载型光催化剂各自分别以10mm和30mm的厚度装填在上述两套不同的圆环形反应器中,进行脱色反应。结果列于表3。
                                         表3
                         不同填充床中脱色速率与床层厚度的关系***
光催化剂   浆料  比较例1  比较例2  比较例3  实施例1  实施例2  实施例3  实施例12  实施例13
 10mm厚  13.48   7.98   8.16   8.64   13.80  13.10   12.76   13.22   13.16
 30mm厚  1.16   1.06   1.17   1.40   6.26  6.74   7.86   6.68   6.72
 比值****  11.62   7.53   6.96   6.15   2.44  1.94   1.62   1.98   1.96
***脱色速率为单位时间、单位体积床层上亚甲基蓝的降解量:克/立方厘米·小时。
****床层厚度为10mm和30mm时脱色速率之比。
从表3可知,当环隙厚度增大时,填充床中的光催化反应速率都下降,如以10mm和30mm厚床层下的反应速率的比值来衡量下降的幅度,可以看到0.1%TiO2悬浮体系下降幅度最大,而弹簧类载体体系下降最小。这是因为在弹簧类载体的负载型光催化剂填充床中,光能传递较远的距离,因此当反应器的环隙厚度从10mm增加到30mm时,整个床层仍基本上都能被光辐照到,这就使得整个填充床中的光催化剂都是有效的,所以脱色速度下降较少。在保持较高的光催化反应速度的条件下,增加光催化剂填充厚度,就意味着处理一定量的废液所需的反应器体积减小,因此采用本发明的弹簧类载体时,由于改善了光在床层中的分布,可以设计出更易工业化放大和更具实用价值的反应器。

Claims (9)

1.一种负载型光催化剂,由弹簧形载体和负载于该载体上的TiO2光催化剂组成。
2.如权利要求1所述的负载型光催化剂,其特征还在于所述弹簧形载体的弹簧节距为0.05-10mm,外径为1-20mm,自由高度为1-100mm。
3.如权利要求2所述的负载型光催化剂,其特征还在于所述弹簧形载体的弹簧节距为0.1-3mm。
4.如权利要求2所述的负载型光催化剂,其特征还在于所述弹簧形载体的弹簧外径为2-8mm。
5.如权利要求2所述的负载型光催化剂,其特征还在于所述弹簧的自由高度为5-50mm。
6.如权利要求1所述的负载型光催化剂,其特征还在于所述弹簧形载体是由选自玻璃、对光稳定的高分子聚合物或不锈钢的材料制成。
7.如权利要求6所述的负载型光催化剂,其特征还在于所述用于制成弹簧形载体的材料是直径为0.1-10mm的丝。
8.如权利要求7所述的负载型光催化剂,其特征还在于所述用于制成弹簧形载体的材料是直径为0.5-3mm的丝。
9.如权利要求1所述的负载型光催化剂,其特征还在于所述TiO2光催化剂是粒度为5-50nm的纳米级TiO2
CN00119439.9A 2000-07-11 2000-07-11 负载型光催化剂 Expired - Fee Related CN1112237C (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN00119439.9A CN1112237C (zh) 2000-07-11 2000-07-11 负载型光催化剂

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN00119439.9A CN1112237C (zh) 2000-07-11 2000-07-11 负载型光催化剂

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1333085A true CN1333085A (zh) 2002-01-30
CN1112237C CN1112237C (zh) 2003-06-25

Family

ID=4587686

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN00119439.9A Expired - Fee Related CN1112237C (zh) 2000-07-11 2000-07-11 负载型光催化剂

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN1112237C (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100342964C (zh) * 2005-04-01 2007-10-17 青岛科技大学 一种光催化剂及其制备方法
CN110204000A (zh) * 2018-12-06 2019-09-06 阜阳师范学院 一种光催化反应器及用其降解废水的方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100342964C (zh) * 2005-04-01 2007-10-17 青岛科技大学 一种光催化剂及其制备方法
CN110204000A (zh) * 2018-12-06 2019-09-06 阜阳师范学院 一种光催化反应器及用其降解废水的方法
CN110204000B (zh) * 2018-12-06 2022-04-29 阜阳师范学院 一种光催化反应器及用其降解废水的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN1112237C (zh) 2003-06-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. Effect of mass transfer and catalyst layer thickness on photocatalytic reaction
Shifu et al. Photocatalytic degradation of organophosphorus pesticides using floating photocatalyst TiO2· SiO2/beads by sunlight
Ray et al. Novel photocatalytic reactor for water purification
Rabanimehr et al. Fabrication of Z-scheme Bi2WO6/CNT/TiO2 heterostructure with enhanced cephalexin photodegradation: Optimization and reaction mechanism
CN103100398B (zh) 一种制备高催化活性天然沸石负载一维TiO2纳米线的方法
US20100221166A1 (en) Photocatalytic Fluidized Bed Air Purifier
Yan et al. Efficient photocatalytic disinfection of Escherichia coli by N-doped TiO2 coated on coal fly ash cenospheres
CN100586536C (zh) 制造用于光催化反应器的玻璃纤维负载光催化剂的方法
Marugán et al. Optical density and photonic efficiency of silica-supported TiO2 photocatalysts
US20170007955A1 (en) Photo-Catalytic Oxidation Reaction System
CN105126836A (zh) 银修饰的螺旋形二氧化钛纳米纤维光催化剂的制备和应用
CN109621716A (zh) 一种适用泡沫状或网状光催化剂降解有机污染物的反应器
CN1277756C (zh) 转筒式光催化反应器及其水处理方法
CN1214863C (zh) 可见光敏化光催化剂及列灯式填充床反应装置
CN100374185C (zh) 一种空气中低浓度有机污染物的净化方法及其净化装置
Qi et al. A novel 2D-WO3/cellulose acetate film: Photocatalytic performance under real solar irradiation in continuous baffled photo-reactor
CN1112237C (zh) 负载型光催化剂
Dutta Wastewater treatment using TiO2-based photocatalysts
Jalloul et al. Fe-sensitized zeolite supported TiO2 for the degradation of tetracycline using blue LED irradiation
CN106000440A (zh) g-C3N4量子点负载二氧化钛纳米颗粒的制备方法
CN109225212A (zh) 一种氧化银负载的多孔膜的制备方法
CN108993461A (zh) 高效降解甲醛的负载型纳米二氧化钛管式反应器及其制备
CN108855242B (zh) 一种光催化剂、制备方法及其使用方法
CN110193337A (zh) 一种光催化剂纤维毡制固定床式光反应器及其制作方法
CN104310523A (zh) 一种光催化反应处理废水的方法及光催化反应器

Legal Events

Date Code Title Description
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C06 Publication
PB01 Publication
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C19 Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee