一種用於汙水高效淨化的旋轉光電催化反應器的製作方法
2024-04-07 23:36:05
專利名稱：一種用於汙水高效淨化的旋轉光電催化反應器的製作方法
技術領域：
本發明涉及環保技術領域，尤其是一種用於汙水高效淨化的旋轉光電催化反應器
O
背景技術：
傳統生物氧化技術作為環境汙染物淨化處理的最重要手段之一，但存在明顯的技 術缺陷，對操作環境要求很高，如在高寒地區冬季採用該技術治理環境中的汙染物難度極 大、可操作性差。尤其是，隨著有機合成的化學物質種類急劇增長，由於其分子結構的特異 性、化學結構的異常穩定性，使得微生物體內存在的傳統降解酶系統對該類有機汙染物難 以實現有效降解和礦化，由此導致環境問題日趨複雜和難以解決。包含光電催化氧化技術在內的各類高級氧化技術作為對傳統生物氧化技術的有 效補充或替代，可以實現對傳統生物氧化技術無能為力的有毒、有害以及可生化性差的難 降解有機汙染物以及存在於各種不利於微生物生長繁殖環境體系中的各類有機汙染物進 行高效、徹底和迅速的降解和礦化。截至目前，光催化氧化技術(含光電催化氧化技術)中功能光催化劑的應用形式 主要有以下兩種懸浮型和負載型，其中懸漿型光催化反應體系雖然具有操作簡單、催化劑 有效比表面積大和光催化活性強等優點，但同時存在嚴重的「催化劑二次分離」問題，大大 影響了反應體系的經濟性和可行性；而作為其替代發展新趨勢的負載型光催化劑克服了上 述問題因而其研究和應用日益廣泛，在反應器設計方面，外置式光源由於其構造、設計、運 行和維護相對簡單而被廣泛採用。常規光催化反應器以及光電催化反應器由於其輻射光源的使用形式使得紫外光 在到達功能性催化劑表面發生有效光化學反應之前必須透過反應器器壁(外置式輻射光 源)以及填充在反應器內的各種氣相、液相反應體系，由於其對入射紫外光光譜吸收的幹 擾作用從而不可避免地使得紫外光源的輻射能量、強度和效率遭受一定程度的損失，尤其 對於具有高濃度、高色度和高濁度等特性的汙染物反應體系而言，這種無效的紫外光輻射 能量的損失顯得尤為突出，從而大大降低輻射光源的輻射和利用效率、汙染物的降解和礦 化速率和效果，以及工藝運行成本的飆升，使得整個工藝的可行性受到嚴重影響，成為阻礙 包括光催化氧化技術以及光電催化氧化技術在內的一切以光作為源驅動力的化學氧化反 應的最重要的抑制因素之一。同時，作為光催化和光電催化水處理工藝的功能性主體，所涉及的光催化劑的光 催化活性是影響整個水處理工藝經濟性和有效性的核心參數之一。影響光催化劑催化 活性的影響因素很多，主要包括禁帶寬度、響應光譜範圍、微晶參數、納米形貌及結構參 數、負載形式、摻雜和應用條件等。其中，針對催化劑納米形貌及結構參數而言，具有1維 (one-dimensional)微觀結構的納米管陣列具有較0維(zero-dimensional)微觀結構的納 米顆粒薄膜更好的光學、電學、光電化學和光電催化特性，對輻射光源的採集能力、汙染物 的表面物理化學吸附能力和光生電子_空穴對的分離、轉移和利用效率具有顯著優勢，因此，愈來愈成為替代傳統0維半導體光金屬氧化物納米顆粒薄膜的新型、高效納米光催化 劑微觀結構和應用形式。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種用於汙水高效淨化的旋轉光電 催化反應器，該設備製造簡單，使用方便，能夠使環境體系中的有機汙染物得到高效、徹底 和經濟的降解和礦化，達到既定環境標準。本發明是通過以下技術方案來實現的一種用於汙水高效淨化的旋轉光電催化反應器，主要由半圓形反應器、納米管光 電催化陽極、對電極、和驅動裝置構成，納米管光電催化陽極通過與驅動裝置相連的轉軸置 於半圓形反應器中，轉軸一端位於光電催化陽極的圓心位置，轉軸另一端穿插通過半圓形 反應器壁與驅動裝置相連，對電極固裝在與納米管光電催化陽極相對的半圓形反應器內 壁，納米管光電催化陽極為表面負載有半導體金屬氧化物納米管陣列薄膜的圓盤形陽極氧 化基體，半圓形反應器為敞口的矩形反應器，矩形反應器底部設有內切半球形容器，半球形 容器上部所接矩形反應器一側面敞口，該敞口側面垂直平行設置入射光源，入射光源後側 配套反光金屬薄板，上述部件均置於黑暗操作櫃中。而且，所述的納米管光電催化陽極直徑的1/3-2/3位於半圓形反應器中。而且，所述的半導體金屬氧化物納米管陣列薄膜的製備方法為以75-99vol. % 乙二醇、l-25vol. % H2O和0. 1-1. Owt. % NH4F作為有機支持電解質，金屬鈦片作為陽極氧 化基體，在15-45°C條件下恆壓20-60V陽極氧化6_16h，得到負載於陽極氧化基體半導體表 面的金屬氧化物納米管陣列薄膜。而且，所述的納米管光電催化陽極與對電極保持0.5-4. 5cm距離並分別連接於直 流電源的陽極和陰極，外加偏電壓為0. 2-2. 4V。本發明的優點和有益效果是1、通過與納米管光電催化陽極上半部分的薄膜型光電催化反應的耦合，可以實現 輻射入射光源的高效輻射和利用效率，使得入射光子在到達光催化劑表面發生有效光電催 化反應之前所受到的無效能量損失降到最低，進而使得該用於汙水高效淨化的旋轉光電催 化反應器具有優良的光學性能。2、通過以半導體金屬氧化物納米管陣列薄膜作為整個納米管光電催化陽極的功 能性光催化劑，可以有效實現光生載流子的有效分離、傳輸進而大幅提高其利用效率，進而 使得該用於汙水高效淨化的旋轉光電催化反應器具有優良的電學、光電化學和光電催化性 能。3、通過與旋轉光電極下半部分的主相型光電催化反應的耦合，通過旋轉光電極的 不斷旋轉從而實現光電催化反應器高效的汙染物傳質速率和效率，大大強化汙染物的傳質 過程。4、通過半導體金屬氧化物納米管陣列薄膜的光電催化氧化反應過程、薄膜型光電 催化反應過程和主相型光電催化反應過程的三種不同光電催化反應類型的有機耦合，從而 使得該反應器具有優良的光學、電學、光電化學和光電催化性能，集光催化、電催化以及光 電催化反應過程於一體，在實現汙染物特別是生物難降解的有機汙染物高效、迅速、徹底和無選擇性降解和礦化的同時，由於其對輻射光源的利用效率極高，從而使得整個工藝的有 效性和經濟性大大提高，運行成本大大降低。5、本發明可以實現旋轉光電催化反應器的間歇或連續式操作，反應器結構單一， 操作簡單，易於實現工程放大。另一方面，功能性光催化劑以陽極氧化1維納米管陣列的方 式直接生成於陽極氧化基體表面，結合牢固，不易脫落，沒有損耗，穩定持久，可以長時間、 多次、重複穩定使用。6、本發明反應器底部設有內切半球形容器，以保證反應過程中半球形反應器內旋 轉反應體系具有良好的水力學紊動條件。7、整個反應器採用通用的加工技術即可批量生產，且效果顯著，經濟性明顯，在環 境汙染淨化領域具有廣闊的工業化應用前景。
圖1為本發明的結構示意圖；圖2為本發明的半圓形反應器結構示意圖；圖3為本發明的半導體金屬氧化物納米管陣列薄膜示意圖。
具體實施例方式本發明通過以下實施例結合附圖進一步詳述，但本實施例所敘述的技術內容是說 明性的，而不是限定性的，不應依此來局限本發明的保護範圍。下述實施例中所述半導體金屬氧化物納米管陣列薄膜的製備方法為以 75-99vol. % 乙二醇、l_25vol. % H2O 和 0. 1-1. Owt. % NH4F 作為有機支持電解 質，金屬鈦片作為陽極氧化基體，在15-45°C條件下恆壓20-60V陽極氧化6_16h，得到負載 於陽極氧化基體半導體表面的金屬氧化物納米管陣列薄膜。實施例1一種用於汙水高效淨化的旋轉光電催化反應器(如圖1所示)，主要由半圓形反 應器5、納米管光電催化陽極6、對電極7、和驅動裝置3構成，納米管光電催化陽極通過與 驅動裝置相連的轉軸置於半圓形反應器中，納米管光電催化陽極直徑的1/2位於半圓形反 應器中，轉軸4 一端位於光電催化陽極的圓心位置，轉軸另一端穿插通過半圓形反應器壁 與驅動裝置相連，對電極固裝在與納米管光電催化陽極相對的半圓形反應器內壁，納米管 光電催化陽極與對電極保持3cm距離並分別連接於直流電源1的陽極和陰極，外加偏電壓 為0. 75V ；納米管光電催化陽極為表面負載有半導體金屬氧化物納米管陣列薄膜11 (如圖 3所示)的圓盤形陽極氧化基體10 (如圖3所示)，半圓形反應器為敞口的矩形反應器(如 圖2所示)，矩形反應器底部設有內切半球形容器，半球形容器上部所接矩形反應器一側面 敞口，該敞口側面垂直平行設置入射光源8，入射光源後側配套反光金屬薄板9，上述部件 均置於黑暗操作櫃2中。實施例2其他同實施例1，納米管光電催化陽極直徑的1/3位於半圓形反應器中，納米管光 電催化陽極與對電極保持0. 5cm距離並分別連接於直流電源的陽極和陰極，外加偏電壓為 0. 2V。
實施例3其他同實施例1，納米管光電催化陽極直徑的2/3位於半圓形反應器中，納米管光 電催化陽極與對電極保持4. 5cm距離並分別連接於直流電源的陽極和陰極，外加偏電壓為 2. 4V。本發明的工作原理通過納米管光電催化陽極在反應過程中的不斷旋轉，由於負載在納米管光電催化 陽極表面的半導體金屬氧化物納米管陣列薄膜的強力親水性作用，使得在光催化劑薄膜表 層(旋轉光電極的上半部分)形成一層厚度僅為微米級的汙水水膜，而該汙水水膜是置於 光催化劑與輻射光源之間的唯一光子傳遞障礙媒介，從而使得在本反應器耦合體系中輻射 光源的光子能量在達到催化劑表面發生有效光電催化反應之前僅僅只需要透過一層厚度 在微米級別的汙水水膜，進而使得輻射光源的輻射能量的無效損失達到最小，最後實現對 光催化劑薄膜的超高效輻射以及入射光源的超高效利用。同時，由於在光電催化以及光催 化反應體系中，光催化劑的催化活性以及汙染物的降解特性往往與所受到的入射光輻射強 度成正比，因此從這個角度而言，本反應器中高效的光源輻射和利用效率進而可以實現對 有機汙染物的有效、徹底和迅速的降解和礦化。金屬半導體氧化物被激發出來的光生電子 在低壓外加偏電場的定向驅動作用下可以進行向金屬對電極的定向移動，從而大大提高光 生電子-空穴對的有效分離、轉移和利用效率，進而大大提高反應中的量子產率以及光電 催化氧化速率和效率；同時，通過納米管光電催化陽極下半部分與反應體系的旋轉接觸，可 有效實現汙染底物、反應中間產物以及反應終產物在光催化劑表面的傳遞和更新，使整個 光電催化反應過程以及汙水淨化過程持續、穩定、高效進行。這種集光催化、電催化以及光 電催化反應過程於一體的超高效輻射光源利用效率的旋轉光電催化反應器具有極強的氧 化能力，對環境體系中的各類有機汙染物，特別是生物難降解的有機汙染物具有快速、徹底 和無選擇性的降解和礦化。本發明的使用方法在大面積半導體金屬氧化物納米管陣列薄膜旋轉光電極製備的基礎上，按照附圖 1和附圖2所示構建整個汙水高效淨化的旋轉光電催化反應器。首先向半圓形反應器內 加入體積適量的汙廢水並保證納米管光電催化陽極在反應體系中的浸漬深度為其直徑的 1/3-2/3，然後開啟入射光源和驅動裝置(電動機)並控制合理轉速，最後開啟外加偏電壓 以及恢復入射光源與圓形反應器的光子傳輸通道，進行正式的汙水高效淨化的旋轉光電催 化反應器的汙水高效淨化試驗。用於汙水高效淨化的旋轉光電催化反應器對典型染料模擬廢水的降解以染料行業廢水典型汙染物甲基橙(MO)作為目標汙染物，配製初始濃度為50mg/ L的模擬廢水並保持溶液的自然pH值，外加輔助偏電壓0. 75V，納米管光電催化陽極轉速為 50rpm的條件下進行光電催化降解試驗。①預吸附試驗在未加模擬廢水條件下首先對納米管光電催化陽極UV光照30min 以去除電極表面可能吸附的汙染物質，然後在加入模擬廢水及啟動旋轉光電極旋轉條件下 進行60min的汙染物黑暗吸附-解吸平衡試驗，使MO在納米管光電催化陽極表面達到吸 附_解吸平衡；②降解試驗啟動UV光源(預熱60min使其達到穩定狀態)進行降解試驗，每間隔30min後取樣Iml分別進行MO和COD的分析測試，最後計算汙染物去除效率。 ③實驗處理效果(反應時長180min) =MO降解率為98. 3 % (如表1所示)，礦化率
為 81. 0%。表IMO在旋轉光電催化反應器中的降解效率(C。= 50ppm)
權利要求
一種用於汙水高效淨化的旋轉光電催化反應器，主要由半圓形反應器、納米管光電催化陽極、對電極、和驅動裝置構成，納米管光電催化陽極通過與驅動裝置相連的轉軸置於半圓形反應器中，轉軸一端位於光電催化陽極的圓心位置，轉軸另一端穿插通過半圓形反應器壁與驅動裝置相連，對電極固裝在與納米管光電催化陽極相對的半圓形反應器內壁，其特徵在於納米管光電催化陽極為表面負載有半導體金屬氧化物納米管陣列薄膜的圓盤形陽極氧化基體，半圓形反應器為敞口的矩形反應器，矩形反應器底部設有內切半球形容器，半球形容器上部所接矩形反應器一側面敞口，該敞口側面垂直平行設置入射光源，入射光源後側配套反光金屬薄板，上述部件均置於黑暗操作櫃中。
2.根據權利要求1所述的用於汙水高效淨化的旋轉光電催化反應器，其特徵在於所 述的納米管光電催化陽極直徑的1/3-2/3位於半圓形反應器中。
3.根據權利要求1所述的用於汙水高效淨化的旋轉光電催化反應器，其特徵在 於所述的半導體金屬氧化物納米管陣列薄膜的製備方法為以75-99vol. %乙二醇、 l-25vol. % H2O和0. 1-1. Owt. % NH4F作為有機支持電解質，金屬鈦片作為陽極氧化基體， 在15-45°C條件下恆壓20-60V陽極氧化6_16h，得到負載於陽極氧化基體半導體表面的金 屬氧化物納米管陣列薄膜。
4.根據權利要求1所述的用於汙水高效淨化的旋轉光電催化反應器，其特徵在於所 述的納米管光電催化陽極與對電極保持0. 5-4. 5cm距離並分別連接於直流電源的陽極和 陰極，外加偏電壓為0. 2-2. 4V。
全文摘要
本發明涉及環保技術領域，是一種用於汙水高效淨化的旋轉光電催化反應器。該用於汙水高效淨化的旋轉光電催化反應器，主要由半圓形反應器、納米管光電催化陽極、對電極、和驅動裝置構成，其中納米管光電催化陽極為表面負載有半導體金屬氧化物納米管陣列薄膜的圓盤形陽極氧化基體。該設備製造簡單，使用方便，能夠使環境體系中的有機汙染物得到高效、徹底和經濟的降解和礦化，達到既定環境標準。
文檔編號C02F1/72GK101987290SQ20091024480
公開日2011年3月23日 申請日期2009年12月16日 優先權日2009年12月16日
發明者周啟星, 周明華, 張愛勇, 焦永利, 王薇 申請人:南開大學