申请日2011.11.03
公开(公告)日2012.06.20
IPC分类号C02F1/72; C02F1/32; C02F1/30
摘要
本发明涉及一种环境催化技术领域的斜置双极液膜光催化处理有机废水的方法，包括如下步骤：用溶胶-凝胶法将TiO2负载在基底上作光阳极，以Cu、Zn、Fe或C作阴极;将所述光阳极和阴极斜置在反应池中，使其下半部分浸没在废水中，并用导线将所述光阳极和阴极相连接;控制蠕动泵转速使废水在电极表面形成一层液膜;采用激发光源照射TiO2光阳极;0.5-3小时后取样分析，测定有机物去除率，完成有机废水的处理。本发明利用金属与N-半导体TiO2接触固有的肖特基势垒，将光阳极表面的光生电子转移到阴极表面，直接还原有机物或与阴极表面的饱和溶解氧反应生成H2O2，进而间接氧化有机物，与阳极直接氧化一起，达到双极双效的处理效果，提高了降解效率，同时降低了能耗。
权利要求书
1.斜置双极液膜光催化处理有机废水的方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，用溶胶-凝胶法将TiO2光催化剂负载在基底上作光阳极，以Cu、Zn、Fe或C作阴极 ;储液池设于反应池的上方，由设有蠕动泵的管道将储液池和反应池连通，将所述光阳极和阴极斜置在反应池中，所述光阳极和阴极的上端接储液池，电极的下半部分浸没在反应池的废水中;所述光阳极和阴极用导线相连接;
第二步，开动蠕动泵，控制蠕动泵转速使废水在所述光阳极和阴极表面形成一层液膜;
第三步，采用激发光源照射TiO2光阳极，使激发光透过液膜照射到TiO2催化剂表面;
第四步，采用人工光源时用铝箔反射光源背向TiO2光阳极一侧的激发光，提高激发光的利用率;
第五步，0.5-3小时后取样分析，测定废水中有机物的去除率，完成有机废水的处理。
2.根据权利要求1所述的斜置双极液膜光催化处理有机废水的方法，其特征是，所述光阳极基底材料为不锈钢或钛。
3.根据权利要求1所述的斜置双极液膜光催化处理有机废水的方法，其特征是，所述控制蠕动泵转速，是指通过调速器控制蠕动泵的转速为40-90r/min。
4.根据权利要求1所述的斜置双极液膜光催化处理有机废水的方法，其特征是，所述激发光源为人工光源或太阳光，人工光源的灯管背面采用铝箔进行反射。
说明书
斜置双极液膜光催化处理有机废水的方法
技术领域
本发明涉及一种环境催化技术领域处理有机废水的方法，尤其涉及一种斜置双极流动液膜光催化处理有机废水的方法。
背景技术
TiO2是一种高效、稳定、无毒、无选择性和易得的半导体光催化剂。TiO2光催化技术因其反应条件温和，且不产生二次污染，几乎能够使空气和水中的污染物完全矿化，已成为一种备受关注的有机物污染处理方法。
目前，TiO2光催化技术存在以下问题：1. TiO2难与废水分离;2. 激发光穿透深度有限，利用率低;3.光生电子和空穴易复合的问题。为解决这些问题，TiO2被固定在各种载体上，作为阳极，通过外加阳极偏压提高光生电子和空穴的分离效率，此即光电催化。但该技术使用外加偏压，不但增加了能耗，而且增加了装置设备费用。此外，为解决激发光利用率低的问题，虽有采用液膜反应减少废水中有机物对激发光的吸收而造成的光损失，但一般都采用光阳极液膜的形式，不重视光生电子转移至阴极后的应用，偏重于光生空穴直接氧化作用的应用。
经对现有技术的文献检索发现，Taicheng An 等在《Applied Catalysis A》(应用催化A) 2005年279期247-256页发表的《Photoelectrocatalytic degradation of oxalic acid in aqueous phase with a novel three-dimensional electrode-hollow quartz tube photoelectrocatalytic reactor》《新型三维电极—中空石英管光电催化反应器光电催化降解草酸溶液》一文中，采用三维电极—Ti负载TiO2颗粒增加电极面积，强化降解效率;采用阳极偏压转移光生电子至阴极，提高光生电子和空穴的分离效率。其不足之处在于：一是激发光进入石英管的部分有限，致使照射Ti负载TiO2催化剂的激发光强度有限，催化效率较低;二是利用外加偏压转移光生电子，增加了能耗;三是没有强化传质的设备，传质效果差;四是激发光源的功率较大，反应装置发热明显，增加了运行能耗。
在中国专利(双电极光电池液膜反应器光催化处理有机废水的方法，申请号200810200039.2)中，将TiO2薄膜阳极和阴极均制作成转盘电极，利用电极的转动在TiO2薄膜电极表面形成了几十微米的液膜，同时强化了激发光的利用率和传质效率。但在该装置中电极是运动的，不便在景观水体、屋顶等容易接收太阳光的场合使用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种静态电极的斜置双极液膜光催化处理有机废水的方法，在减少激发光在有机溶液中传输时的损失和利用废水的循环流动加强传质的同时，利用金属与N-半导体TiO2接触形成的肖特基势垒而不是外加偏压(降低了能耗及设备费用)将光生电子转移到阴极，使光生电子在阴极表面直接还原有机物，或与阴极液膜中饱和溶解氧反应生成H2O2，进而参与有机污染物的氧化而将光生电子加以利用，和阳极的直接氧化一起，实现双极双效的光催化降解处理效果。同时提高了激发光的利用率、传质效率和光催化效率，而且不需外加偏压，降低了能耗和简化了装置。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明用溶胶-凝胶法将TiO2光催化剂负载在基底上并制备成电极作为光阳极，同时用Cu等材料作阴极，与TiO2膜电极一起以一定角度斜置在反应池中，使电极的下半部分浸没在废水中，用导线将两电极连接成回路，组成斜置双极光催化反应器，通过蠕动泵调速器控制蠕动泵的转速，使废水在电极表面形成一层液膜。以紫外灯或太阳光为激发光源，利用肖特基势垒将TiO2膜电极表面的光生电子转移到阴极表面，在阴极表面直接还原有机物或与其表面溶液中的饱和溶解氧反应生成H2O2，H2O2进一步参与有机污染物的氧化，由此实现了斜置双极的双极双效处理效果—阴极光生电子直接还原有机物或其表面生成的H2O2对有机物的间接氧化和TiO2膜光阳极表面的光生空穴对有机物的直接氧化。不但提高了激发光源的利用率、光生电子和空穴的分离效率和降解效率，而且还降低了运行能耗。
本发明一种斜置双极液膜光催化处理有机废水的方法，具体步骤包括：
第一步，用溶胶-凝胶法将TiO2光催化剂负载在基底上作光阳极，以Cu、Zn、Fe或C作阴极 ;储液池设于反应池的上方，由设有蠕动泵的管道将储液池和反应池连通，将所述光阳极和阴极斜置在反应池中，所述光阳极和阴极的上端接储液池，电极的下半部分浸没在反应池的废水中;所述光阳极和阴极用导线相连接;
第二步，开动蠕动泵，控制蠕动泵转速使废水在所述光阳极和阴极表面形成一层液膜;
第三步，采用激发光源照射TiO2光阳极，使激发光透过液膜照射到TiO2催化剂表面;
第四步，采用人工光源时用铝箔反射光源背向TiO2光阳极一侧的激发光，提高激发光的利用率;
第五步，0.5-3小时后取样分析，测定废水中有机物的去除率，完成有机废水的处理。
进一步，所述光阳极基底材料为不锈钢或钛。
所述控制蠕动泵转速，是指通过调速器控制蠕动泵转动的转速为40-90 r/min。
所述激发光源为人工光源或太阳光，人工光源的灯管背面采用铝箔进行反射以提高光源利用率。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明采用独特的斜置双极结构及废水循环流动形式与传统的光电催化法(TiO2光阳极全部浸没于溶液中，激发光需透过数厘米的废水和一层反应器壁才能到达光阳极催化剂表面)相比，一是大大降低了激发光在有机废水中传输时被溶液吸收而造成的光损失，提高了激发光的利用率;二是利用金属与N-型半导体TiO2接触形成的肖特基势垒而不是外加偏压将TiO2膜阳极表面的光生电子转移到阴极表面，降低了能耗;三是在阴极表面，光生电子直接还原有机物或与阴极表面的饱和溶解氧反应生成H2O2，进而参与有机污染物的氧化而将光生电子加以利用，由此实现斜置双极的双极双效处理效果，提高了降解效率;四是废水的循环流动加快了电极表面和主体溶液物质的交换更新，强化了传质，使之更高效。而且不需外加偏压，降低了能耗和简化了装置。
斜置双极液膜光催化法处理有机废水，采用静态电极，便于因地制宜，在景观水体、屋顶等场合应用太阳光作激发光源，进一步降低能耗。使光催化技术真正成为高效低耗的高级氧化技术，其在实际废水处理方面的应用前景将非常广阔。
