CN202346797U

CN202346797U - 一种三相三维电极光电催化反应器

Info

Publication number: CN202346797U
Application number: CN2011203054556U
Authority: CN
Inventors: 高立新; 刘涛; 何康宁; 张大全
Original assignee: Shanghai University of Electric Power
Current assignee: Shanghai University of Electric Power; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-08-22
Filing date: 2011-08-22
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2021-08-22

Abstract

本实用新型涉及一种三相三维电极光电催化反应器。该反应器包括反应器壳体，金属钛网阳极，不锈钢或石墨阴极，布气板，双层U型石英管以及置于该石英管中的光源UV灯，三维粒子电极以及隔板。所述的三维粒子电极材料由纳米TiO₂负载于活性炭颗粒上构成，活性炭的吸附作用可以造成Ti0₂表面有机污染物浓度的局部升高，从而提高反应速率。不锈钢或石墨阴极和钛网阳极之间形成光电催化反应室，隔板将大反应室均分为2-6个小反应室。它将三相三维电极和光电催化技术巧妙结合，又充分考虑到实验中对比实验的要求，设计了一个可以用于有机废水降解，特别实验室做有机废水光电催化降解的反应装置。

Description

一种三相三维电极光电催化反应器

技术领域

本发明设计涉及一种三相三维电极光电催化反应器，用于实验室难降解有机物的处理。

背景技术

随着现代化工业的发展，有机废水对环境的影响越来越严重，尤其是高浓度有机污染物的处理是当前世界工业废水处理的难点和热点。Carey等人报道了TiO₂光催化氧化法被成功用于水中PCB化合物脱氯（Carey J H，Lawrence J，Tosine H M．Photodechlorination of PCB’s in the presence of titanium dioxide in aqueous suspensions [J]. Bul1 of Environ Contam Toxicol，1976，16(6)：697-701），半导体多相光催化在水处理领域引起了广泛的关注。以TiO₂为光催化剂的多相光催化在环境保护中的应用得到人们的重视，但是电子-空穴对极易复合，电场协助光催化技术有助于解决这一问题，即施加一定偏压，促进光生载流子的分离，从而提高催化剂的活性。这是一种将光催化与电化学氧化联用的新型深度氧化技术。

上个世纪60年代末提出三维电极概念，三维电极是一种新型的电化学法反应器。与二维电极体系相比之下，其具有面体比增大，离子间距小，传质效果好，电流效率高等优点。其中粒子电极常常采用活性炭负载催化剂，活性炭的吸附作用可以使Ti0₂表面有机污染物的浓度在局部范围内升高，从而提高反应速率，而且被吸附的有机污染物参与氧化被反应掉，使活性炭在污染物环境中被再生，即原位再生（王红娟，奚红霞．含酚废水处理技术的现状与开发前景[J]．工业水处理，2002；22(6)：6-9）；将光催化与三维电极相结合产生了较好的效果，安太成等公开了一种（公开号：CN1526652A）连续循环式固定床电极光催化反应器。

现有的报道的光电催化反应器，有些是光源从外面照射，这样光源没有充分使用。有一些采用光源位于反应器的中央，但是阳极和阴极位于反应器壳体的上下与光源以及与光源平行的壳体是垂直的，这样对于之照试验就不能为力了，对于反应器的阳极和阴极是竖直的，与光源和壳体平行并且将大的反应室均分为2-6个反应室的光电催化反应器未见报道。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决上述的技术问题而提供一种三相三维电极光电催化反应器。

本实用新型的技术原理

一种三相三维电极光电催化反应器，即将三相三维电极和光电催化技术巧妙结合，又充分考虑到实验中对比实验的要求，设计出在实验研究中使用的光电催化反应器，以空气为气源，三维粒子电极材料由纳米TiO₂负载于活性炭颗粒上构成。

本实用新型的技术方案

一种三相三维电极光电催化反应器，包括反应器壳体，金属钛网阳极，不锈钢或石墨阴极，布气板，双层U型石英管以及置于该石英管中的光源UV灯，三维粒子电极以及隔板；

所述的不锈钢或石墨阴极为圆柱形，安装于壳体内侧，紧贴壳体内侧，金属钛网阳极与电源的正极相连，不锈钢或石墨阴极与电源的负极极相连；各个反应室的不锈钢或石墨阴极自然连接，各个反应室的金属钛网阳极在顶部用导线相连接；

所述的光源UV灯置于双层U型石英管内层管中，双层U型石英管置于反应器壳体的中央，其顶部露出于反应器壳体的顶部3-5cm，其底部置于布气板上，双层U型石英管的外层紧贴在各个隔板边壁上，相邻两个隔板与双层U型的石英管外层之间放置金属钛网阳极；

所述的光源UV灯的波长为365nm，功率为200～500W；

所述的金属钛网阳极，以保证透光率，网孔径为6-8mm；

所述的金属钛网阳极表面涂覆一层纳米TiO₂催化膜，作为光阳极，也可以不涂覆只作电极；

所述的双层U型石英管上面露出在反应器壳体外面的部分的双层U型石英管的外层管在距反应器壳体顶部3-5cm距离处的水平相对位置设有冷却进水口及冷却出水口，其中冷却进水口连接的小管深入到石英管内外层的夹层的底部；这样可以使用较小的压力就可以把冷却水从冷却进水口送入，也很容易从冷却出水口流出；

反应器壳体距底部5cm处设有布气板，该布气板与反应器壳体内侧相粘结，并由曝气室的隔板支撑固定；

该布气板将反应器的壳体隔开为上下两部分，下部为曝气室，上部为反应室；

该布气板是采用砂芯玻璃材料制成，孔隙小于2mm，既保证了反应室均匀曝气，又不至于产生的气泡比较大；

在双层U型石英管与反应器壳体之间从反应器底部穿过布气板至反应器壳体的顶部等间距设置2～6块隔板，将上面的反应室及底部的曝气室等分成2～6个单反应室及2～6个单曝气室；

在本实用新型的一种三相三维电极光电催化反应器中，有2～6个单室，在同一电压、光源、反应时间等反应条件下作对照试验，可以做一组2～6个对照实验；

所述的反应器的壳体为圆柱形，材质为有机玻璃、高硼玻璃、不锈钢等。

所述的位于壳体下部的单曝气室均有1个管径相同的进气管，其管径为2～4cm，每个曝气室气量相等，以保证每个反应室均匀曝气；

所述的三维粒子电极材料由纳米TiO₂负载于活性炭颗粒上构成，填充于各个单反应器室中，可以根据需要负载不同掺杂的TiO₂复合体，可以根据不同的实验采取不同的催化剂负载。

三相三维电极光电催化反应器运行时，由外接直流稳压电源给电极提供一个恒定的电压，粒子电极在电场作用下发生表面复合极化，在电场的作用下，电子与空穴发生分离，迁移到粒子表面的不同位置。悬浮体系Ti0₂与活性炭共存产生协同作用，活性炭在较大程度上加速了光降解反应的进行。

本实用新型的有益效果

本实用新型的一种三相三维电极光电催化反应器以圆柱形反应器为主体结构，固、液、气三相完全混合的方式进行反应，以达到最佳的传质效果和紫外光利用率。

且由于本实用新型一种三相三维电极光电催化反应器的底部用砂芯玻璃制成，均匀曝气，保证2～6个曝气室等量曝气，只用单室时，可用相邻的两个室做辅助冷却。

另外，一种三相三维电极光电催化反应器将非均相三维电极和光催化技术巧妙结合，不仅利用阳极的氧化作用和阴极的还原作用，而且利用电场所产生的·OH、H₂O₂、-OH等活性物与光催化发生协同作用，在TiO₂颗粒表面不断更新，有机协调反应体系，使降解反应更全面。

且由于有2～6个单室，可以做一组2～6个对照实验，在同一电压、光源、反应时间等反应条件下作对照试验。

附图说明

图1、三相三维电极光电催化反应器结构示意图。

图2、三相三维电极光电催化反应器俯视图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。

实施例1

一种三相三维电极光电催化反应器，其结构示意图如图1所示，包括反应器壳体1，金属钛网阳极6，不锈钢阴极7，布气板5，双层U型石英管4以及置于该石英管中的光源UV灯3，三维粒子电极以及隔板2；

以金属钛网6作阳极，为保证透光率网孔径为6-8mm；不锈钢7作阴极，金属钛网阳极6和不锈钢阴极7连接直流电源的电接头。每个反应室安装金属钛网6阳极，各个反应室的金属钛网阳极在顶部用导线相连接；

光源UV灯3置于双层U型石英管4内层管中，双层U型石英管4置于反应器壳体1的中央，其顶部露出于反应器壳体的顶部3-5cm，其底部置于布气板，其侧面由隔板固定，两个隔板之间放置金属钛网阳极；

所述的光源UV灯的波长为365nm，功率为250W；

双层U型石英管4上面露出在反应器壳体1外面的部分的双层U型石英管4的外层管在距反应器壳体1顶部3cm处的水平相对位置设有冷却进水口9及冷却出水口10，其中冷却进水口9连接的小管深入到双层U型石英管4内外层的夹层的底部，这样可以使用较小的压力就可以把冷却水从冷却进水口9送入，也很容易从冷却出水口10流出；

反应器壳体1距底部5cm处设有布气板5，布气板5是采用砂芯玻璃材料制成，确保孔隙小于2mm，既保证了反应室均匀曝气，又不至于产生的气泡比较大；该布气板与反应器壳体内侧相粘结，并由曝气室的隔板支撑固定，该布气板将反应器的壳体隔开为上下两部分，下部为曝气室，上部为反应室；

在双层U型石英管4与反应器壳体1之间从反应器底部穿过布气板至反应器壳体的顶部等间距设置4块隔板2，如图2所示，隔板2分别将上面的反应室及底部的曝气室等分成4个单反应室及4个单曝气室；

在本实用新型的一种三相三维电极光电催化反应器中，有4个单室，在同一电压、光源、反应时间等反应条件下作对照试验，可以做一组4个对照实验。

所述的位于反应器壳体1下部的4个单曝气室,每个均有1个管径为2cm的进气口8，这样保证每个曝气室气量相等，以保证每个反应室均匀曝气；

所述的反应器的壳体1材质为有机玻璃。

反应器运行时，由外接直流稳压电源给电极提供一个恒定的电压，负载有催化剂的粒子电极和污水混合后放入反应器反应室内。

应用实施例1

应用实施例1中的三相三维电极光电催化反应器进行光催化模拟印染废水处理

三相三维电极光电催化反应器的壳体直径为12-22cm，高度为17-30cm，阳极和阴极之间的距离为5-10cm；

粒子电极采用溶胶-凝胶法（李宁．二氧化钛光催化剂的制备与改性及光电催化性能研究[D]．［硕士学位论文］．河北：燕山大学环境与化学工程学院，2007）制得活性炭负载TiO₂，活性炭为粉态，粒径小于0.175mm。

活性艳红模拟印染废水，初始浓度为200 mg/L的活性艳红染料溶液与粒子电极一起加入反应器后，通入空气，控制空气流量为80L/h，同时打开紫外灯和电源。反应60min后可以到达77.46%的脱色率，反应90min后可以到达97.09%的脱色率。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本领域的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.一种三相三维电极光电催化反应器，其特征在于该反应器包括反应器壳体、金属钛网阳极、不锈钢或石墨阴极、三维粒子电极、布气板、隔板及双层U型石英管以及置于该石英管中的光源UV灯；

所述的不锈钢或石墨阴极为圆柱形，安装于壳体内侧，紧贴壳体内侧，金属钛网阳极与电源的正极相连，不锈钢或石墨阴极与电源的负极相连；各个反应室的不锈钢或石墨阴极自然连接，各个反应室的金属钛网阳极在顶部用导线相连接；

所述的光源UV灯置于双层U型石英管内层管中，双层U型石英管置于反应器壳体的中央，其顶部露出于反应器壳体的顶部3-5cm，其底部置于布气板，双层U型石英管的外层紧贴在各个隔板的边壁上，相邻两个隔板与石英管外层之间放置金属钛网阳极，所述的金属钛网阳极，网孔径为6-8mm；

双层U型石英管上面露出在反应器壳体外面的部分的双层U型石英管的外层管在距反应器壳体顶部3-5cm距离处的水平相对位置设有冷却进水口及冷却出水口，其中冷却进水口连接的小管深入到石英管内外层的夹层的底部；

反应器壳体距底部5cm处设有布气板，该布气板与反应器壳体内侧相粘结，并由曝气室的隔板支撑固定，该布气板将反应器的壳体隔开为上下两部分，下部为曝气室，上部为反应室；

所述的位于壳体下部的每个单曝气室均有1个管径相同的进气口；

所述的三维粒子电极材料填充于各个单反应器室中。

2.如权利要求1所述的一种三相三维电极光电催化反应器，其特征在于所述的反应器壳体为圆柱形，所述的反应器的壳体材质为有机玻璃、高硼玻璃或不锈钢。

3.如权利要求2所述的一种三相三维电极光电催化反应器，其特征在于所述的壳体下部的每个单曝气室的进气口的管径为2～4cm。

4.如权利要求3所述的一种三相三维电极光电催化反应器，其特征在于所述的隔板数量为4个。

5.如权利要求4所述的一种三相三维电极光电催化反应器，其特征在于所述的金属钛网阳极表面涂覆一层纳米TiO₂催化膜。

6.如权利要求5所述的一种三相三维电极光电催化反应器，其特征在于所述的布气板是采用砂芯玻璃材料制成，孔隙小于2mm。

7.如权利要求1～6任一权利要求所述的一种三相三维电极光电催化反应器，其特征在于光源UV灯的波长为365nm，功率为200～500W。