專利名稱：一種用于高效評價光電催化反應效率的水力波輪盤反應器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明裝置涉及一種用于高效光電催化聯用技術評價研究的水力波輪盤反應器，主要用于光催化、電催化以及光電催化聯用中光催化劑活性測試、動力學因素考察以及反應機理分析。背景介紹隨著我國社會經濟的快速發(fā)展，工業(yè)化和城市化程度的不斷提高，我國水資源短缺與水污染問題日益突出，嚴重影響了人民的生活質量和身體健康，制約著我國社會、經濟和環(huán)境可持續(xù)協(xié)調發(fā)展。目前常見的水污染控制手段包括有化學法、吸附法、生物法等?？梢姽獯呋夹g因具有二次污染少、反應條件溫和、操作簡便、能耗低等優(yōu)點而倍受關注，是水污染控制化學技術領域中一項重要的高級氧化技術。隨著環(huán)境與能源問題的凸顯，直接利用太陽能中可見光催化進行水處理被認為是價廉、高效、環(huán)境友好的技術之一。 近年來，可見光催化劑由于具有較強的太陽能吸收利用能力，逐漸成為新型光催化劑的研究熱點。光催化劑作為半導體，具有特殊的外層電子結構，在紫外光照射下可以產生“空穴”效應。可見光催化劑在可見光波長范圍內有明顯的吸收，光催化活性較好，性質穩(wěn)定。通過調節(jié)制備和改性方法，可以顯著提高其可見光吸收能力，抑制光生電子和空穴復合，從而進一步提高其光催化性能。然而，現有可見光催化劑的光利用效率不高，光能轉化率較差，而且現有的多種可見光催化劑為粉末材料，經過水處理應用之后，無法回收利用。因此，可見光催化劑在水污染控制領域的實際應用受到一定限制。迄今為止，大量研究揭示出制約可見光催化過程中光能轉化效率的主要問題之一是量子效率太低，反應速率不高。近年來有研究者從光源的合理利用、光催化劑的制備與摻雜、催化劑固定化等方面進行了大量研究。此外，還有采用電化學輔助的光催化方法，或稱光電催化方法，以阻止光生電子和空穴發(fā)生簡單復合以提高量子效率。外加電場的存在可延長TiO2的空穴電子復合時間，增強“空穴”效應，增加紫外光利用率，從而生成較多的氫氧自由基。但是在以往的研究中，人們多注重TiO2光陽極對光催化過程量子效率提高的促進作用，而很少關注其對光電催化傳質過程的促進作用。目前，光電催化處理污水存在的問題有1)光催化劑粒徑一般為納米級，在水處理過程中，若將光催化劑投入污水中應用，處理后很難將催化劑與水分離；2)曝氣、紫外燈和電解電源的使用導致處理過程中存在一定能耗；3)由于傳質動力學限制，在電極表面會產生濃差極化，降低光電效率；此外，其主要問題還在于，4)液固界面的傳質和透光阻力依然較大，光能利用效率和產物擴散過程反應速率還有待提聞。水力波輪盤光電催化反應裝置利用固定化光催化劑的波輪盤兼做光催化和電催化的反應介質，能解決光催化劑與水分離困難的問題；同時由于波輪盤面可滾動于水面的特點，在波輪盤面上構造一層極薄的水膜，使得光催化劑表面的傳質膜厚度得到有效降低，從而提供光電極活化面積和傳質速率以提高光催化量子效率。此外，波輪盤可以直接通電構成電催化陽極，一方面不斷產生氫氧自由基使之用于降解污染物，另一方面與光催化體系協(xié)同，強化光催化處理污染物的效率。因此，該反應裝置適用于含持久性有機污染物，特別是難降解痕量有機污染物工業(yè)污水的高效模擬處理，以此對光催化、電催化以及光電催化聯用中光催化劑活性進行快速測試評價。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種高效評價光電催化反應效率的水力波輪盤反應器，即一種光電催化處理水中有機污染物的裝置，它是利用光催化、電催化的聯合作用實現對水中有機污染物的高效降解。這樣的聯合作用能提高降解過程所需的氫氧自由基濃度，進而提高有機污染物 的降解效率。該光電化學反應裝置可有效地將水中有機污染物降解為毒性較低的小分子有機物或無機物，處理迅速、凈化效率高，且無二次污染問題。本發(fā)明的技術方案是一種處理難降解有機污染物的光電催化裝置，包括一體式反應槽、負載光催化劑波輪盤及其固定化金屬管、固定電極板、氙燈光源、恒電位儀直流電源、進水管、出水管以及金屬導線等；所述的一體式反應槽為聚四氟乙烯材質；所述的負載光催化劑波輪盤及其固定化金屬管和固定電極板材質為純鈦；所述的氙燈光源為市售型號，管狀，功率500瓦，波長范圍為340-1900nm ;反應時，含有污染物的反應液由進水管流過一體式反應槽，帶動波輪盤轉動，在光電催化的共同作用下，實現水質凈化，凈化后的反應液由出水口流出。本發(fā)明的優(yōu)點是將負載光催化劑波輪盤反應器與電化學反應器合二為一，不僅使反應裝置結構緊湊合理，更重要的是電化學反應和光催化反應能有機結合，以電催化強化光催化作用，且光催化波輪盤可帶動反應液附著于盤面，形成水膜強化了傳質效率，從而實現高效降解水中有機污染物。具體優(yōu)點為1)負載光催化劑波輪盤可同時起到光催化劑載體和電催化極板的作用；2)負載光催化劑波輪盤在操作過程中隨水流運動，帶動反應液形成水膜，強化了傳質效率、提高了光能利用率；3)實現了光催化和電催化的協(xié)同作用，以電輔助光催化，實現了污染物的高效凈化。因此，本發(fā)明能快速徹底去除水中有機污染物，且毋須添加化學試劑，環(huán)境友好，無二次污染，處理效率高，凈化深度大，是全面、協(xié)調、可連續(xù)進行有機污染廢水處理的裝置或實驗室評價裝置。


圖I為本發(fā)明反應器主要配件的結構示意圖圖中1- 一體式反應槽；2_負載光催化劑波輪盤；3_固定電極板；圖2為本發(fā)明反應器搭載一組波輪盤(單排7片)的裝配示意圖圖中1-一體式反應槽；2-負載光催化劑波輪盤；3-固定電極板；4-氣燈光源；5-恒電位儀直流電源；6_進水管；7-出水管。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。如圖所示，本發(fā)明的一個可行實施例，用于高效評價光電催化反應效率的水力波輪盤反應器，該裝置主體為一體式反應槽1，槽兩側平行開孔(2X7個，Φ2_)，用于安裝不銹鋼轉軸(2X7個，Φ2πιπι，長210mm)。負載光催化劑波輪盤2以冷縮法緊固于鈦管(Φ 3 X 1mm，長200mm)外特定位置后，以不銹鋼轉軸穿過，固定于一體式反應槽I內。根據波輪盤位置調整并固定固定化電極板3位置，使二者平行間距在10-20mm之間。固定氙燈光源4于反應槽正上方，距離波輪盤間距50mm。固定化電極板和不銹鋼轉軸分別連接恒電位儀直流電源5的正負兩極。進水管6注入含污染物反應液，反應液液面不斷上升，當出水管7溢流時，啟動氙燈光源4和恒電位儀直流電源5，開始水處理操作。實施例I負載光催化劑波輪盤的光催化劑負載化方法。具體包括如下步驟先將固定光催化劑用波輪盤在60°C，質量濃度為20%的氫氧化鈉溶液中清洗，以除去油污，然后在溫熱濃硝酸溶液中腐蝕直至表層TiO2去除，并暴露出金屬鈦表面，而后用脫氧水反復沖洗，作為電鍍陽極，置于氯化鉛和氫氧化鈉的電鍍液中，與等面積的空白鈦板形成電鍍的陰陽兩極，控制電流恒定為10mA，持續(xù)電鍍I小時后以脫氧水沖洗。所得波輪盤浸入含硝酸鉍質量濃度14%，鈦酸四丁酯質量濃度2. 7%的正丁醇溶液，浸潰5分鐘后緩慢提拉出液面，烘干后置于450°C的馬弗爐內焙燒3小時，而后再次浸潰，焙燒，重復操作6次，即得具有可見光催化能力的負載光催化劑波輪盤。 實施例2以該裝置對含混合氯酚污染物的模擬工業(yè)有機廢水進行凈化處理。進水參數為混合氯酚濃度105毫克/升，進水COD值270毫克/升，TOC值105毫克/升。控制電流強度為10mA，進水速率為50毫升/分鐘，在出水口定時采樣，并以紫外可見分光光度法分析氯酚濃度、以重鉻酸鉀消減法分析COD濃度、催化燃燒法分析TOC值。結果表明，經過I小時穩(wěn)定期后，出水指標穩(wěn)定在混合氯酚濃度4. 6毫克/升，COD值78. 4毫克/升，出水TOC濃度22. 6毫克/升，達到了較好的去除效果。
權利要求
1.一種高效評價光電催化反應效率的水力波輪盤反應器，包括一體式反應槽、負載光催化劑波輪盤及其固定化金屬管、固定電極板、氙燈光源、恒電位儀直流電源、進水管、出水管以及金屬導線等；該裝置主體為一體式反應槽，槽兩側平行開孔，用于安裝不銹鋼轉軸；負載光催化劑波輪盤以冷縮法緊固于鈦管外特定位置后，以不銹鋼轉軸穿過，固定于一體式反應槽內；根據波輪盤位置調整并固定固定化電極板，使二者平行間距在10-20mm之間；固定氙燈光源于反應槽正上方，距離波輪盤間距50mm ;固定化電極板和不銹鋼轉軸分別連接恒電位儀直流電源的正負兩極；進行水處理操作時，進水管注入含污染物反應液，反應液液面不斷上升，當出水管溢流時，啟動氙燈光源和恒電位儀直流電源，開始水處理操作。
2.如權利要求I所述的裝置，其特征在于所述一體式反應槽的材質為聚四氟乙烯；負載光催化劑波輪盤及其固定化金屬管和固定電極板的材質均為純鈦。
3.如權利要求I所述的裝置，其特征在于利用具有光催化效力和電催化效力的負載光催化劑波輪盤在水力帶動下實現光電催化協(xié)同處理有機廢水。
4.如權利要求I所述的裝置，其特征在于氙燈光源采用波長范圍為340-1900nm的500瓦氣燈。
5.如權利要求I所述的裝置，其特征在于所述裝置的電催化操作電流控制為恒定IOmA0
全文摘要
一種高效評價光電催化反應效率的水力波輪盤反應器，具體來說是一種以水力波輪的方式實現電輔助光催化處理水中有機污染物的反應器，屬于水污染控制技術領域。該反應裝置主要由一體式反應槽、負載光催化劑波輪盤及其固定化金屬管、固定化電極板、氙燈光源、恒電位儀直流電源等構成。此裝置利用光催化作用氧化或還原水中有機污染物，并借助電場作用強化光催化效率，并利用電場所產生的活性基團與光催化發(fā)生協(xié)同作用。該反應器的特點在于可借助水力在水面以上部分的波輪表面形成水膜，以強化傳質效率，從而實現高效降解水中有機污染物。該反應裝置結構簡單、處理效率高，適用于含難降解有機污染物廢水的快速處理，環(huán)境友好，方便快捷，可用于實驗室相關研究過程的評價和小型水處理工藝的實施。
文檔編號C02F1/32GK102826631SQ20121033242
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月11日 優(yōu)先權日2012年9月11日
發(fā)明者牛軍峰, 代云容, 殷立峰, 丁士元, 包月平, 沈珍瑤 申請人:北京師范大學