申请日2003.09.23
公开(公告)日2004.09.08
IPC分类号C02F1/46; C02F1/32; C02F1/461
摘要
本发明提出一种连续循环流式固定床三维电极光电催化反应器及其处理有机废水的方法，反应器的结构包括反应器壳体、微孔钛板阴极、多孔钛环阳极、双层U型石英管以及置于该双层U型石英管之中的光源UV灯，微孔钛板阴极与多孔钛环阳极之间形成光电催化反应室，其中设置了固定床三维粒子电极，所说的固定床三维粒子电极材料由把纳米TiO2涂布于SiO2粒子上构成，在所说的反应室的进液口和出液口之间连接有由储液器和泵构成的连续循环装置。本发明还提供了应用该光电催化反应器进行有机废水处理的方法和技术条件。本发明建立了一个连续循环流式三维电极-固定床光电催化反应器，通过施加超过污染物氧化电位的较高的电压，充分发挥了光、电二者协同催化氧化的效率。
権利要求書
1.一种连续循环流式固定床三维电极光电催化反应器，包括反应器壳体、微孔钛板阴极 (9)、多孔钛环阳极(13)、双层U型石英管(14)以及置于该双层U型石英管之中的光源 UV灯(2)，微孔钛板阴极(9)位于壳体的下部，其与壳体底部之间构成一气室(8)，该气 室有一进气口(6)，多孔钛环阳极(13)位于壳体的上部，微孔钛板阴极(9)与多孔钛环阳 极(13)之间形成光电催化反应室，在反应器的下部有进液口(15)，上部有出液口(16)， 双层U型石英管(14)以及光源UV灯(2)置于反应室之中，在微孔钛板阴极(9)与多孔 钛环阳极(13)之间连接有直流电源(3)，其特征在于所说的光电催化反应室中设置了固定 床三维粒子电极(10)，所说的固定床三维粒子电极材料由把纳米TiO2涂布于SiO2粒子上构 成，在所说的反应室的进液口(15)和出液口(16)之间连接有由储液器(5)和泵(4)构 成的连续循环装置。
2.使用权利要求1所述的连续循环流式固定床三维电极光电催化反应器处理有机废水的 方法是：将待处理的有机废水装入储液器，用搅拌器搅拌，然后打开光电催化反应器的UV 灯，启动空气压缩机从进气口通入压缩空气，并调节空气流量，接通直流电源向微孔钛板阴 极和多孔钛环阳极施加电压，然后启动连续循环装置中的泵，将储液器中的待处理废水泵入 反应室，经反应室由下而上进行光电催化反应后再循环流回储液器，进行连续的循环过程， 对有机废水进行反应处理的技术条件为：反应器的微孔钛板阴极与多孔钛环阳极之间加电压 10～30V，空气流速为0.025～0.075Mpa，在反应中向反应液中加入含Cl-电解质，并保持其 浓度为200mM～1000mM。
3.根据权利要求2所述的处理有机废水的方法，其特征在于所说的含Cl-电解质为NaCl。
说明书
连续循环流式固定床三维电极光电催化反应器及其处理有机废水的方法
技术领域
本发明涉及一种用于处理有机废水的连续循环流式固定床三维电极光电催化反应器及其 处理有机废水的方法。
技术背景
尽管目前已经有很多关于非均相光催化技术方面的专利，但是由于光生电子与空穴的快 速复合非均相光催化在实际废水处理方面的应用并不是很多见。因此，要真正实现多相光催 化处理有机废水的实际工业化应用，抑制光生电子与空穴的复合是提高光催化效率必须解决 的关键问题之一。为此，近年来人们提出了许多改进光催化效率的方法，比如半导体表面贵 金属沉积，金属离子掺杂，或添加无机共吸附剂及外加阳极偏电压等，其中外加偏电压法最 为引人关注。外加偏电压的光电化学技术就是在光电极上施加一个阳极偏电压，从而在电极 内部形成一个电势梯度，致使光生电子和空穴各自向相反的方向移动，这样在一定条件下便 可能在很大程度上达到大大降低空穴与光生电子复合率，从而大大提高光催化效率的外电场 增强效应。CN1377728公开了名称为“三相三维电极反应器”的发明创造，该发明将三维电 极反应器和光催化反应器相结合构成光电反应器，用于处理有机废水，但由于该反应器仅是 将三维电极(活性炭为填充粒子)和上半部分的TiO2悬浮态光催化反应器相结合，光、电协 同较差，因而影响了对有机废水的处理效果。而且在由于废水在反应器中与电催化剂的接触 面积和接触时间有限，废水的处理效率也不高。
发明内容
本发明的目的是提出一种能以充分发挥光、电二者协同催化氧化的效率的连续循环流式 固定床三维电极光电催化反应器，同时提出一种使用该光电催化反应器进行有机废水处理以 获得较高处理效率的方法。
本发明的连续循环流式固定床三维电极光电催化反应器，包括反应器壳体、微孔钛板阴 极、多孔钛环阳极、双层U型石英管以及置于该双层U型石英管之中的光源UV灯，微孔钛 板阴极位于壳体的下部，其与壳体底部之间构成一气室，该气室有一进气口，多孔钛环阳极 位于壳体的上部，微孔钛板阴极与多孔钛环阳极之间形成光电催化反应室，在反应器的下部 有进液口，上部有出液口，双层U型石英管以及光源UV灯置于反应室之中，在微孔钛板阴 极与多孔钛环阳极之间连接有直流电源，其特征在于所说的光电催化反应室中设置了固定床 三维粒子电极，所说的固定床三维粒子电极材料由把纳米TiO2涂布于SiO2粒子上构成，在所 说的反应室的进液口和出液口之间连接有由储液器和泵构成的连续循环装置。
使用本发明的连续循环流式固定床三维电极光电催化反应器进行有机废水处理的方法 是，将待处理的有机废水装入储液器，用设于储液器中的搅拌器搅拌，所说的储液器也可以 为储液池，然后打开光电催化反应器中的UV灯(紫外灯)，启动空气压缩机从进气口通入压 缩空气，并调节空气流量，接通直流电源向微孔钛板阴极和多孔钛环阳极施加电压，然后启 动连续循环装置中的泵，将储液器中的待处理废水泵入反应室，经反应室由下而上进行光电 催化反应后再循环流回储液器，进行连续的循环过程。本发明方法对有机废水进行反应处理 的技术条件为：反应器的微孔钛板阴极(9)与多孔钛环阳极(14)之间加电压10～30V，空 气流速为0.025～0.075MPa，在反应中可向反应液中加入含Cl-电解质，并保持其浓度为200～ 1000mmol/L。
本发明具有以下的突出特点和有益效果：
(1)本光电反应器是将三维电极与固定床光催化反应器相结合，建立了一个连续循环流 式三维电极-固定床光电催化反应器，通过施加超过污染物氧化电位的较高的电压，充分发挥 光、电二者协同催化氧化的效率;由于利用TiO2涂附的石英砂为填充粒子，将三维电极中的 粒子电极和光催化中的光催化剂和二为一，不仅大大节约了反应器的造价成本，同时还大大 提高反应的效率。
(2)本反应器对废水采取了连续循环流动的方式，大大增加了废水与光电催化剂的接触 面积和接触时间，从而减小了固定床反应器中废水的传质效应，因而大大提高了光电催化反 应器去除废水的效率。
(3)在本发明的有机废水处理方法中，无机Cl-离子一方面是电化学反应的支持电解质， 但又有可能对光催化剂具有一定的毒性。因此，了解无机离子对光电催化反应的影响是一个 值得重视的问题。本专利是通过施加较高的电压和加入大量电介质NaCl来有效提高光电催化 降解的效率。使得在光电催化反应器中电压不但可以通过阳极捕获光生电子，抑制它与高能 空穴的复合提高光催化反应的效率。同时还可以通过电化学氧化提高有机污染物的降解效率。 更重要的是本发明通过加入大量电介质NaCl可以有效提高光电催化降解的效率，即在NaCl较高浓度时，当溶液中的Cl-达到竞争吸附和空穴复合两个平衡后，溶液中过量的Cl-离子可 以作为支持电解质增强溶液的电子转移，从而增强外电场对光生电子的捕获作用。同时溶液 中还存在下列主要反应来大大提高光电催化反应的效率：
2Cl--2e VCl2
Cl2+H2O→HClO+HCl
Cl2+HR→RCl+HCl
HClO+HR→RCl+H2O
