申请日2010.05.19
公开(公告)日2012.07.18
IPC分类号C02F1/72; C02F1/46
摘要
本发明基于双功能电极，结合光催化降解和电化学氧化用于废水处理和水净化。用于结合光催化和电化学废水处理的双功能电极可用来处理有机化学污染物、无机化学污染物及微生物中的任一种或它们的组合。所述电极包含导电基底，所述导电基底表面的一部分施加有光催化剂，所述光催化剂具有一定的能级差(E9)，而电催化剂施加于表面的另一部分。照射光催化剂产生电子与空穴，沿光催化剂施加阳极电位偏压可使所述电子与空穴分离。这个电位偏压也被施加到电催化剂上。施加的阳极电位偏压不仅大大提高了光催化剂光氧化在光催化剂上的污染物的性能，而且有效地驱动了污染物在电催化剂表面上的电化学氧化。
权利要求书
1.用于结合光催化和电化学处理的电极，其用于去除至少第一污染物 和第二污染物，所述第一污染物和第二污染物是有机化学污染物、无机化 学污染物及微生物中的任一种或它们的组合，所述电极包括：
a)具有表面的导电基底，
b)光催化剂，其施加于所述表面的第一部分，并且具有能级差(Eg)， 和
c)电催化剂，其施加于所述表面的第二部分，所述电催化剂的材料不 同于所述光催化剂的材料，所述表面的第一部分与第二部分彼此不同;
其中将所述导电基底插入到含有多种污染物的液体中，用能量等于或 高于Eg的光子照射所述光催化剂，并且向所述导电基底施加阳极电位偏 压，得到施加于所述电催化剂的阳极电位偏压，其至少诱导位于所述电催 化剂表面的第一污染物阳极氧化，并且沿着所述光催化剂的厚度产生电位 降，在所述光催化剂的表面引起能带弯曲，从而导致在所述厚度中产生的 电子与空穴分离，将空穴驱动至所述表面并且至少引起第二污染物的阳极 氧化。
2.权利要求1的电极，其中所述电催化剂以第一预选图案施加于所述 表面，并且所述光催化剂以第二预选图案施加于所述表面，所述第二预选 图案与所述第一预选图案隔开。
3.权利要求1的电极，其中所述导电基底具有两个相对的表面，并且 其中所述电催化剂施加于所述相对表面之一，并且所述光催化剂施加于另 一相对表面。
4.权利要求1的电极，其中所述导电基底是具有第一表面的第一导电 基底，限定向其施加所述光催化剂的第一部分，所述电极包含具有第二表 面的第二导电基底，限定向其施加所述电催化剂的第二部分，并且其中所 述第一导电基底和第二导电基底电连接在一起，从而所述阳极电位偏压同 时施加于所述第一导电基底和第二个导电基底。
5.权利要求1-4中任一项的电极，其中所述光催化剂选自金属氧化物、 光导聚合物、硅和它们的任意组合。
6.权利要求5的电极，其中所述金属氧化物选自TiO2、掺杂的TiO2、 Fe2O3、SnO2、ZnO和它们的任意组合。
7.权利要求6的电极，其中所述掺杂的TiO2是用选自碳、氮、氟、硼、 铂、金和它们的任意组合的掺杂剂掺杂的。
8.权利要求1-7中任一项的电极，其中所述基底选自金属片、金属板、 导电聚合物和它们的任意组合。
9.权利要求1-8中任一项的电极，其中所述基底是柔性的。
10.权利要求1-9中任一项的电极，其中所述电催化剂选自Ta2O5-IrO2、 SnO2、Pt、RuO2、IrO2、碳、PbO2、SnO2-Sb2O5、掺杂的SnO2-Sb2O5和它 们的任意组合。
11.权利要求1-10中任一项的电极，其中所述光催化剂是TiO2并且其 中所述电催化剂是Ta2O5-IrO2。
12.权利要求11的电极，其中所述基底选自钛、钽和它们的任意组合。
13.权利要求3的电极，其中所述导电基底是多孔板，具有多个贯通其 中的孔。
14.用于废水处理和水净化的系统，其用于去除至少第一污染物和第二 污染物，所述至少第一污染物和第二污染物是有机化学污染物、无机化学 污染物及微生物中的任一种或它们的组合，所述系统包括：
a)双功能电极，所述双功能电极包括：
i)具有表面的导电基底，
ii)光催化剂，其施加于所述表面的第一部分，并且具有能级差(Eg)， 和
iii)电催化剂，其施加于所述表面的第二部分，所述电催化剂的材料 不同于所述光催化剂的材料，所述表面的第一部分与第二部分彼此不同;
b)对电极，所述双功能电极和所述对电极与电源相连，设置所述电 源从而向所述双功能电极提供阳极电位偏压，和
c)光源，其用于发射能量等于或高于Eg的光子，相对于所述双功 能电极设置所述光源，从而所述光源照射涂布有所述光催化剂的所述表面 部分;
其中将所述导电基底插入到含有多种污染物的液体中，用所述光源照 射所述光催化剂，并且向所述导电基底施加阳极电位偏压，得到施加于所 述电催化剂的阳极电位偏压，其至少诱导位于所述电催化剂表面的第一污 染物阳极氧化，并且沿着所述光催化剂的厚度产生电位降，在所述光催化 剂的表面引起能带弯曲，从而导致在所述厚度中产生的电子与空穴分离， 将空穴驱动至所述表面并且至少引起第二污染物的阳极氧化反应。
15.权利要求14的系统，其中所述电催化剂以第一预选图案施加于所 述表面，并且所述光催化剂以第二预选图案施加于所述表面，所述第二预 选图案与所述第一预选图案隔开。
16.权利要求14的系统，其中所述导电基底具有两个相对的表面，并 且其中所述电催化剂施加于所述相对表面之一，并且所述光催化剂施加于 另一相对表面。
17.权利要求14的系统，其中所述导电基底是具有第一表面的第一导 电基底，限定向其施加所述光催化剂的第一部分，所述电极包含具有第二 表面的第二导电基底，限定向其施加所述电催化剂的第二部分，并且其中 所述第一导电基底和第二导电基底电连接在一起，从而所述阳极电位偏压 同时施加于所述第一导电基底和第二个导电基底。
18.权利要求14的系统，其中所述导电基底通常是柱形管道，所述光 催化剂涂布于所述管道的外表面，而所述电催化剂涂布于所述管道的内表 面，所述系统包含废液流动室，所述管道位于所述废液流动室中，所述光 源与所述外表面隔开从而照射所述外表面，并且其中所述管道的长轴与所 述废液的流动方向平行，从而沿所述管道的内表面流经所述管道内部的废 液中的污染物发生阳极氧化，而流经所述管道的外表面的废液中的污染物 发生光氧化。
19.权利要求18的系统，其中所述通常是柱形的管道在管壁上包含多 个孔。
20.权利要求14的系统，其中所述导电基底通常是柱形管道，所述电 催化剂涂布于所述管道的外表面，而所述光催化剂涂布于所述管道的内表 面，所述系统包含废液流动室，所述管道位于所述废液流动室中，并且其 中所述管道的长轴与所述废液的流动方向平行，所述光源是沿所述长轴排 列的柱状光源以便照射所述内表面，从而沿所述管道的内表面流经所述管 道内部的废液中的污染物发生光氧化，而流经所述管道的外表面的废液中 的污染物发生阳极氧化。
21.权利要求20的系统，其中所述通常是柱形的管道在管壁上包含多 个孔。
22.权利要求18-21中任一项的系统，其中所述通常是柱形的管道是塑 料管道，具有施加于其外表面上的第一导电涂层和施加于其内表面上的第 二导电涂层，并且其中将所述电催化剂施加于所述第一和第二导电涂层之 一，并且将所述光催化剂施加于另一导电涂层，所述电源与所述第一导电 涂层和第二导电涂层电连接，从而阳极电位偏压同时施加于所述电催化剂 和所述光催化剂。
23.权利要求14-22中任一项的系统，其中所述光催化剂选自金属氧 化物、光导聚合物、硅和它们的任意组合。
24.权利要求23的系统，其中所述金属氧化物选自TiO2、掺杂的TiO2、 Fe2O3、SnO2、ZnO和它们的任意组合。
25.权利要求24的系统，其中所述掺杂的TiO2是用选自碳、氮、氟、 硼、铂、金和它们的任意组合的掺杂剂掺杂的。
26.权利要求14-25中任一项的系统，其中所述基底选自金属片、金属 板、导电聚合物和它们的任意组合。
27.权利要求14-26中任一项的系统，其中所述基底是柔性的。
28.权利要求14-27中任一项的系统，其中所述电催化剂选自 Ta2O5-IrO2、SnO2、Pt、RuO2、IrO2、碳、PbO2、SnO2-Sb2O5、掺杂的SnO2-Sb2O5和它们的任意组合。
29.用于结合光催化和电化学处理的方法，其用于去除至少第一污染 物和第二污染物，所述第一污染物和第二污染物是有机化学污染物、无机 化学污染物及微生物中的任一种或它们的组合，所述方法包括以下步骤：
将电极插入废水中，所述电极具有表面，并且具有施加于所述表面的 第一部分的光催化剂，所述光催化剂具有能级差(Eg)，并且所述电极具有 施加于所述表面的第二部分的电催化剂，所述表面的第一部分与第二部分 彼此不同;
用能量等于或高于Eg的光子照射所述光催化剂，从而在所述光催化剂 中产生电子-空穴对;和
向所述电极施加阳极电位偏压，得到施加于所述电催化剂的阳极电位 偏压，其至少诱导位于所述电催化剂表面的第一污染物阳极氧化，并且沿 着所述光催化剂的厚度产生电位降，在所述光催化剂的表面引起能带弯曲， 从而导致在所述厚度中产生的电子与空穴分离，将空穴驱动至所述表面并 且至少引起位于所述光催化剂的表面的第二污染物的阳极氧化。
30.权利要求29的方法，其中所述光催化剂选自金属氧化物、光导聚 合物、硅和它们的任意组合。
31.权利要求30的方法，其中所述金属氧化物选自TiO2、掺杂的TiO2、 Fe2O3、SnO2、ZnO和它们的任意组合。
32.权利要求31的方法，其中所述掺杂的TiO2是用选自碳、氮、氟、 硼、铂、金和它们的任意组合的掺杂剂掺杂的。
33.权利要求29-32中任一项的方法，其中所述基底选自金属片、金属 板、金属筛、导电聚合物和它们的任意组合。
34.权利要求29-33中任一项的方法，其中所述基底是柔性的。
35.权利要求29-34中任一项的方法，其中所述电催化剂选自 Ta2O5-IrO2、SnO2、Pt、RuO2、IrO2、碳、PbO2、SnO2-Sb2O5、掺杂的SnO2-Sb2O5和它们的任意组合。
36.权利要求39-35中任一项的方法，其中所述光催化剂是TiO2并且 其中所述电催化剂是Ta2O5-IrO2。
37.权利要求36的方法，其中所述基底选自钛、钽和它们的任意组合。
38.权利要求29的方法，其中所述电极具有两个相对的表面，并且其 中所述电催化剂施加于所述相对表面之一，并且所述光催化剂施加于另一 相对表面。
39.权利要求38的方法，其中所述电极是多孔板，其具有多个贯通其 中的孔。
40.权利要求1-12中任一项的电极，其中选择所述第一部分上的光催 化剂的表面积与所述第二部分上的电催化剂的表面积的比值，从而给出所 述电催化剂表面的至少第一污染物的阳极氧化反应与所述光催化剂表面的 至少第二污染物的阳极氧化反应的预先选定的反应比。
41.权利要求1-12和40中任一项的电极，其中所述电催化剂是第一 电催化剂，所述电极还包括位于所述表面的至少第三部分的至少第二电催 化剂，所述至少第二电催化剂的材料不同于所述第一电催化剂和所述光催 化剂，所述表面的第三部分不同于所述第一部分和第二部分。
42.权利要求41的电极，其中所述光催化剂是第一光催化剂，所述电 极还包括位于所述表面的至少第四部分的至少第二光催化剂，所述至少第 二光催化剂的材料不同于所述第一电催化剂、第二电催化剂和第一光催化 剂，所述表面的第四部分不同于所述第一部分、第二部分和第三部分。
43.权利要求14-28中任一项的电极，其中选择所述第一部分上的光 催化剂的表面积与所述第二部分上的电催化剂的表面积的比值，从而给出 所述电催化剂表面的至少第一污染物的阳极氧化反应与所述光催化剂表面 的至少第二污染物的阳极氧化反应的预先选定的反应比。
44.权利要求29-39中任一项的电极，其中选择所述第一部分上的光催 化剂的表面积与所述第二部分上的电催化剂的表面积的比值，从而给出所 述电催化剂表面的至少第一污染物的阳极氧化反应与所述光催化剂表面的 至少第二污染物的阳极氧化反应的预先选定的反应比。
说明书
结合光催化和电化学的废水处理方法和系统
技术领域
本发明涉及废水处理和水净化的方法和系统，所述方法和系统采用用 于结合光催化和电化学处理的双功能电极系统。
发明背景
有毒有害物质的排放和/或处理标准的建立和执行要求开发新的技术 来有效地处理不同的废气、废液、固体废弃物和泥浆。由于光催化和电化 学在水消毒和有毒废水处理方面的应用前景，这些方法得到人们的广泛关 注[1-4]。
已经研究了不同的方法来去除废水中的污染物，包括电化学氧化[5-9]， 化学吸附[10，11]和光催化降解[12-16]。在光催化降解中，由于二氧化钛的低成 本，高光催化活性和化学稳定性[17-19]，它被认为是最有前景的光催化剂之 一。在紫外光照射下，光促使电子从价带激发到光催化剂的导带，剩下具 有高氧化性能的光生空穴[20-23]。一方面，光生空穴与被吸附的水分子及氢 氧阴离子反应产生氢氧自由基，这个氢氧自由基能够降解不同的污染物。 因为氧化过程发生在光催化剂的表面或表面附近，因此期望用大的表面积 来提高光催化的效率。
增大二氧化钛催化剂表面积的一种方法是将其纳米颗粒分散到废水中 作为悬浮体[24，25]。然而，要通过过滤来分离和回收二氧化钛。这会给光催 化处理废水的实际应用带来不便。另一方面，光生带电载流子(空穴和电 子)容易相互复合。光生电子和空穴的高复合率是控制光催化效率的主要 限制因素。据报道施加一个外加阳极电位偏压的电化学方法可效地抑制光 生带电载流子之间的复合[26，27]。
电化学也是一个有前景的消除环境污染的方法[7，28，29]。污染物可以直 接被电化学阳极氧化产生的氢氧自由基和化学吸附的活性氧物质氧化。不 同的阳极材料包括碳、Pt、PbO2、IrO2、SnO2、Pt-Ir和硼掺杂的金刚石电 极已经得到广泛研究[2，30-32]。我们最近的研究表明，尺寸稳定的阳极(DSA) Ti/Ti2O5-IrO2在电化学处理含硫废水中具有良好的电化学活性和高稳定性 [33.34]。
因此，提供把光降解和电化学氧化的优点结合起来的方法和系统对废 水处理和水净化是非常有益的。
发明内容
本发明提供了废水处理和水净化的方法和系统，所述方法和系统基于 采用结合光降解和电化学氧化的双功能电极系统。
本发明的一个实施方案提供用于结合光催化和电化学处理的电极，其 用于去除至少第一污染物和第二污染物，所述第一污染物和第二污染物是 有机化学污染物、无机化学污染物及微生物中的任一种或它们的组合，所 述电极包括：
a)具有表面的导电基底，
b)光催化剂，其施加于所述表面的第一部分，并且具有能级差(bandgap energy，Eg)，和
c)电催化剂，其施加于所述表面的第二部分，所述电催化剂的材料不 同于所述光催化剂的材料;
其中将所述导电基底插入到含有多种污染物的液体中，用能量等于或 高于Eg的光子照射所述光催化剂，并且向所述导电基底施加阳极电位偏 压，得到施加于所述电催化剂的阳极电位偏压，其至少诱导位于所述电催 化剂表面的第一污染物阳极氧化，并且沿着所述光催化剂的厚度产生电位 降，在所述光催化剂的表面引起能带弯曲，从而导致在所述厚度中产生的 电子与空穴分离，将空穴驱动至所述表面并且至少引起第二污染物的阳极 氧化反应。
本发明还提供用于废水处理和水净化的系统，其用于去除至少第一污 染物和第二污染物，所述至少第一污染物和第二污染物是有机化学污染物、 无机化学污染物及微生物中的任一种或它们的组合，所述系统包括：
a)双功能电极，所述双功能电极包括：
i)具有表面的导电基底，
ii)光催化剂，其施加于所述表面的第一部分，并且具有能级差(Eg)， 和
iii)电催化剂，其施加于所述表面的第二部分;
b)对电极，所述双功能电极和所述对电极与电源相连，设置所述电 源从而向所述双功能电极提供阳极电位偏压，和
c)光源，其用于发射能量等于或高于Eg的光子，相对于所述双功 能电极设置所述光源，从而所述光源照射涂布有所述光催化剂的所述表面 部分;
其中将所述导电基底插入到含有多种污染物的液体中，用所述光源照 射所述光催化剂，并且向所述导电基底施加阳极电位偏压，得到施加于所 述电催化剂的阳极电位偏压，其至少诱导位于所述电催化剂表面的第一污 染物阳极氧化，并且沿着所述光催化剂的厚度产生电位降，在所述光催化 剂的表面引起能带弯曲，从而导致在所述厚度中产生的电子与空穴分离， 将空穴驱动至所述表面并且至少引起第二污染物的阳极氧化反应。
另一方面，本发明还提供用于结合光催化和电化学处理的方法，其用 于去除至少第一污染物和第二污染物，所述第一污染物和第二污染物是有 机化学污染物、无机化学污染物及微生物中的任一种或它们的组合，所述 方法包括以下步骤：
将电极插入废水或污染水中，所述电极具有表面，并且具有施加于所 述表面的第一部分的光催化剂，所述光催化剂具有能级差(Eg)，并且所述 电极具有施加于所述表面的第二部分的电催化剂;
用能量等于或高于Eg的光子照射所述光催化剂，从而在所述光催化剂 中产生电子-空穴对;和
向所述电极施加阳极电位偏压，得到施加于所述电催化剂的阳极电位 偏压，其至少诱导位于所述电催化剂表面的第一污染物阳极氧化，并且沿 着所述光催化剂的厚度产生电位降，在所述光催化剂的表面引起能带弯曲， 从而导致在所述厚度中产生的电子与空穴分离，将空穴驱动至所述表面并 且至少引起位于所述光催化剂的表面的第二污染物的阳极氧化。。
在本发明的实施方案中，光催化剂是涂布在导体一侧的TiO2薄膜，而 电催化剂是涂布在导体相对侧的Ta2O5-IrO2薄膜。在本发明中，研究结果 清楚表明，施加的阳极电位偏压不仅大大提高了TiO2光催化剂的性能，而 且有效地驱动了污染物在Ta2O5-IrO2电催化剂上的电化学氧化。
以下的详细说明和附图会有助于对本发明的性能和优点进一步的理 解。
