申请日2014.01.02
公开(公告)日2014.08.13
IPC分类号C02F1/30; C02F1/72; B01J27/24; C23C14/06; C25D11/26
摘要
本实用新型公开了一种太阳能一体化废水降解反应装置，包括：带进水口和出水口的反应器;插入在所述反应器中的氮化碳/二氧化钛纳米管的复合电极和镍片电极;以及与所述氮化碳/二氧化钛纳米管的复合电极和镍片电极连接的太阳发电储电装置。本实用新型采用具有可见光响应性能的氮化碳/二氧化钛纳米管的复合电极作为光催化剂，并充分利用了太阳光进行产电，降低能源功耗问题，在太阳光照射下治理有机有毒污染物和重金属反应速度快，降解没有选择性，无二次污染，且只需要太阳光就可进行光电催化降解。本实用新型可应用于有机有毒物质和重金属的降解，工业废水治理以及水质深度净化，应用广泛，具有广阔的应用前景。
权利要求书
1.一种太阳能一体化废水降解反应装置，其特征在于，包括：
带进水口和出水口的反应器;
插入在所述反应器中的氮化碳/二氧化钛纳米管的复合电极和镍片电极;
以及与所述氮化碳/二氧化钛纳米管的复合电极和镍片电极连接的太阳 发电储电装置。
2.根据权利要求1所述的太阳能一体化废水降解反应装置，其特征在 于，所述的反应器为圆筒状石英反应器。
3.根据权利要求1所述的太阳能一体化废水降解反应装置，其特征在 于，所述的进水口位于所述反应器的底部，所述的出水口位于所述反应器的 顶部。
4.根据权利要求3所述的太阳能一体化废水降解反应装置，其特征在 于，所述的进水口连接有加压泵。
5.根据权利要求4所述的太阳能一体化废水降解反应装置，其特征在 于，所述的加压泵与进水口之间设有带吸气口的水射器。
6.根据权利要求1所述的太阳能一体化废水降解反应装置，其特征在 于，所述的太阳发电储电装置包括：用于将太阳光转化为电能的太阳能电池 组件、用于储备电能的蓄电池以及控制电能输出的太阳能控制器。
7.根据权利要求6所述的太阳能一体化废水降解反应装置，其特征在 于，所述的太阳能电池组件与所述蓄电池连接，所述的蓄电池与所述太阳能 控制器连接。
说明书
一种太阳能一体化废水降解反应装置
技术领域
本实用新型涉及光催化降解有机物的水处理技术领域，具体涉及一种太 阳能一体化废水降解反应装置。
背景技术
当今社会，人类面临着能源短缺和环境污染两大严峻问题。一方面，随 着能源消耗速率的不断加快，煤、石油、天然气等化石资源已面临枯竭;另 一方面，工业的发展造成了工业废水排放、温室气体产生等诸多环境污染问 题。在各种环境问题中，由于用水需求量不断增长以及部分地区长期干旱等 原因，可利用淡水资源呈现持续减少的趋势，从而显得水污染治理尤为重要。 根据污染物质化学特性的不同，废水种类多样，主要包括了有机废水、无机 废水以及混合废水等。在众多不同种类废水中，不乏存在难降解的有机或无 机污染物质。难降解污染物废水的共同特点就是毒性大，成份复杂，化学需 氧量高，微生物难以降解，对环境和人体具有严重的危害性，从而受到了广 泛关注和研究。
近年来光电催化技术受到了广泛关注和研究，主要因为其具有如下特 点：
一、光电催化反应中，导带电子被转移至阴极，体系中不需另外加入电 子捕获剂，可节约成本。
二、半导体电极相比于分散在反应体系中的半导体粉末，抗反射能力好， 能充分利用光能。
三、光电催化使空穴的氧化作用及电子的还原作用能够在不同空间上进 行得以实现，有利于提升催化剂表面羟基自由基的产生速度。
而光电催化的关键在于开发高效稳定的半导体光催化剂。TiO2是目前光 电催化领域研究较多的一种光催化剂，因其具有催化效率高、对环境无害等 优势，因此在光电催化领域备受关注，而且TiO2被认为是目前研究最深入、 最广泛的一种光催化材料。但目前的大多数光催化剂都面临这样同样的问 题：
一、由于其禁带宽度(Eg=3.0～3.2eV)较宽，只能对太阳光中占总量约4% 的紫外光进行吸收和利用，在催化降解污染物产氢上，对占太阳能量43%的 可见光(400～750nm)部分并未发挥作用。
二、价带和导带的电位很难同时满足各种催化反应的电位需要。
三、电子空穴易复合，量子效率很低。
因此，太阳能光电催化降解污染物产氢的关键在于开发并研制高效、稳 定的、同时协同电化学促进光电分离，光催化和光电转化效率高的新型可见 光催化材料。
而类石墨相氮化碳(g-C3N4)能在牺牲介质存在的情况下和可见光作用 下催化光解水析氢(即光解水制氢)，也能在可见光作用下活化CO2并催化 苯氧化为苯酚。且与其他的半导体相比，g-C3N4能够吸收可见光，化学稳定 性和热稳定性强，此外还具有无毒、来源丰富、制备成型工艺简单等特点， 成为目前光催化领域研究的新宠。
同时，在电催化过程中，需要外接电源，可在某些基础设施发展缓慢的 地区，用电十分紧张。如需大量、连续地降解废水，所需要的电量也是一个 不可忽视的问题。而如果采用太阳光电池板来代替外接电源产电的话，将可 以大大减少甚至不需要外接用电，而且很好地利用起了太阳能这种清洁能 源，节约成本，降低能耗。
实用新型内容
本实用新型提供了一种太阳能一体化废水降解反应装置，将氮化碳/二氧 化钛纳米管的复合电极应用到废水处理装置中，氮化碳/二氧化钛纳米管的复 合电极能够对可见光响应，并充分利用了太阳光进行产电，降低能源功耗问 题，该装置对废水具有良好的降解能力。
一种太阳能一体化废水降解反应装置，包括：
带进水口和出水口的反应器;
插入在所述反应器中的氮化碳/二氧化钛纳米管的复合电极和镍片电极;
以及与所述氮化碳/二氧化钛纳米管的复合电极和镍片电极连接的太阳 发电储电装置。
使用时，废水从进水口通入到反应器中，氮化碳/二氧化钛纳米管的复合 电极具有可见光响应性能，同时以太阳发电储电装置作为电源，产生弱电压， 形成光电催化体系，使氮化碳/二氧化钛纳米管的复合电极能在水体系的太阳 光照射下，在其表面产生光生电子-空穴对，在降解有机污染物时空穴产生 强氧化性的羟基自由基(·OH)，这种·OH氧化性能极强，对有机污染物的摧 毁大，因此，它使水中的难以降解有机物和其他有机污染物矿化。同时能消 灭水中的细菌，具有极强的消毒性能，而其电子能还原水中的重金属等污染 物质。太阳发电储电装置为直流电源，可降低光催化氧化反应中电子-空穴 对的复合率，有效提高光催化氧化反应效率。
作为优选，所述的反应器为圆筒状石英反应器，反应器中因不断产生氧 化剂并进行强氧化和还原反应，因此，反应器的材料要选择抗氧化还原的石 英制成。
作为优选，所述的进水口位于所述反应器的底部，所述的出水口位于所 述反应器的顶部，废水从反应器由下至上进入，与氮化碳/二氧化钛纳米管的 复合电极充分接触，这样的水流形式要求石英容器为圆筒状为佳。
进一步优选，所述的进水口连接有加压泵，从而保证废水可以从反应器 由下至上进入。
再进一步优选，所述的加压泵与进水口之间设有带吸气口的水射器，加 压泵的作用在于增加进水的压力，满足水射器所需要的压力，使水射器能正 常工作。水射器能在吸气口处产生一个负压，使得可以在进水的同时吸入 O2，增加水中的溶解氧含量，提高光催化氧化效率。吸气口的作用在于能吸 收空气，将吸收的空气导入废水反应中，提高含氧量。
作为优选，所述的太阳发电储电装置包括：用于将太阳光转化为电能的 太阳能电池组件(阵列)、用于储备电能的蓄电池以及控制电能输出的太阳 能控制器。所述的太阳能电池组件与所述蓄电池连接，所述的蓄电池与所述 太阳能控制器连接，所述的太阳能控制器控制电能的输出。太阳发电储电装 置可采用现有技术。
一种氮化碳/二氧化钛纳米管的复合电极的制备方法，通过物理气相沉积 的方法将类石墨相氮化碳(g-C3N4)纳米颗粒负载至二氧化钛纳米管 (TiO2-NTs)上，得到具有可见光响应性能的氮化碳/二氧化钛纳米管的复合 电极。
一种氮化碳/二氧化钛纳米管的复合电极的制备方法，包括以下步骤：
1)采用阳极氧化法制备二氧化钛纳米管电极(即TiO2-NTs电极);
2)将三聚氰胺的粉末升温到500℃～700℃，煅烧1～3h，冷却后经研 磨得到氮化碳颗粒;
3)在保护气体的氛围下，升温至550℃～750℃，采用保护气体将氮化 碳颗粒吹落负载到二氧化钛纳米管电极上，在550℃～750℃煅烧保持20 min～60min，得到氮化碳/二氧化钛纳米管的复合电极。
步骤1)中，作为优选，所述的阳极氧化法包括：以氟化铵(NH4F)和 草酸二水(C2H2O4·2H2O)的水溶液为电解液，以钛片为阳极，镍片为阴极， 阳极和阴极之间的电极距离1～5cm，外加电压10～30V，搅拌，电解1～3h， 得到二氧化钛纳米管电极。
步骤2)中，作为优选，将三聚氰胺的粉末以1～5℃/min的升温速率升 温到500℃～700℃，从而有利于分解研磨后得到细小均匀的氮化碳颗粒。
步骤3)中，作为优选，采用保护气体将氮化碳颗粒吹落负载到二氧化 钛纳米管电极上，在管式反应器中进行。所述的管式反应器包括：带有进气 口和出气口的石英管以及包裹在所述石英管上的管式炉。所述进气口和出气 口位于所述石英管两端。将氮化碳颗粒置于所述石英管内的中部，将二氧化 钛纳米管电极置于所述石英管内靠近出气口的位置，从进气口通入保护气 体，然后通过管式炉对石英管加热，加热至550℃～750℃煅烧保持20min～60 min，之后冷却，关闭保护气体。所述的保护气体的流量为50～150mL/min。 所述的保护气体采用氮气或者惰性气体，作为优选，所述的保护气体为氮气。
进一步优选，所述二氧化钛纳米管电极与所述石英管的轴向成40°～50 的夹角，更进一步优选为45°，有利于氮化碳颗粒均匀吹落负载到二氧化钛 纳米管电极上。
与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：
一、氮化碳/二氧化钛纳米管的复合电极的制备方法，通过物理气相沉积 的方法将类石墨相氮化碳(g-C3N4)纳米颗粒负载至二氧化钛纳米管 (TiO2-NTs)上，得到具有可见光响应性能的氮化碳/二氧化钛纳米管的复合 电极，g-C3N4在TiO2-NTs电极上形成的薄膜不容易脱落，稳定性好。该制 备方法步骤简洁，易操作，成本低。
二、本实用新型太阳能一体化废水降解反应装置，采用具有可见光响应 性能的氮化碳/二氧化钛纳米管的复合电极作为光催化剂，并充分利用了太阳 光进行产电，降低能源功耗问题，在太阳光照射下治理有机有毒污染物和重 金属反应速度快，降解没有选择性，无二次污染，且只需要太阳光就可进行 光电催化降解。本实用新型太阳能一体化废水降解反应装置可应用于有机有 毒物质和重金属的降解，工业废水治理以及水质深度净化，应用广泛，具有 广阔的应用前景。
