專利名稱：：雙轉盤光電池液膜反應器光催化處理有機廢水的方法
技術領域：
：本發明涉及的是一種化工
技術領域：
處理有機廢水的方法，尤其涉及一種雙轉盤光電池液膜反應器光催化處理有機廢水的方法。
背景技術：
：近年來，Ti02已被證實是一種高效、穩定、無選擇性和材料易得的半導體光催化劑。Ti02光催化技術作為一種高級氧化技術，幾乎能夠使空氣和水中的污染物完全礦化，不產生二次污染，且反應條件溫和，已成為一種極富吸引力的有機物污染處理方法。自1972年Fujishima發現Ti02可光催化裂解水以來，Ti02半導體光催化技術在有機物的處理方面逐漸得到了廣泛的研究。為解決Ti02難與廢水分離的問題，Ti02被固定在各種載體上，由于Ti02固定化會引起其表面積下降從而使其光催化活性下降，研究者把Ti02膜材料作為陽極，通過外加陽極偏壓來阻止光生電子和空穴的簡單復合，從而提高光催化效率，此即光電催化。Ti02半導體光電催化技術是一種利用紫外光作激發光源，通過外加偏壓使光生電子和空穴得以有效分離，并分別與貼或02反應生成具有強氧化能力的活性自由基來氧化降解污染物的一種氧化技術。經對現有技術的文獻檢索發現，WenbingZhang等在《AppliedCatalysisA》(應用催化A)2003年255期221-229頁發表的PhotoelectrocatalyticdegradationofreactivebrilliantorangeK_Rinanewcontinuousflowphotoelectrocatalyticreactor(新連續流光電催化反應器光電催化降解活性艷橙K-R)文章中，采用三維電極一Ti02顆粒增加電極面積，強化降解效率；采用陽極偏壓轉移光生電子至陰極，提高光生電子和空穴的分離效率；利用循環冷卻水散熱；通過鼓氣加強傳質。其不足之處在于一是激發光必須透過較厚(往往是數厘米)的溶液才能照射到電極上，激發光利用率很低；二是利用偏壓轉移光生電子，增加了能耗；三是通過鼓氣加強傳質，效果不佳；四是激發光源的功率較大，增加了循環冷卻水裝置疏散熱量，不但增加了運行能耗，而且反應器裝置較為復雜。雖然在中國專利(Ti(V薄膜電極光電轉盤處理難降解有機廢水的方法，申請號200810035837.4)中，將Ti(V薄膜電極制作成轉盤，利用轉盤的轉動在Ti02薄膜電極表面形成了幾十微米的液膜，同時強化了激發光的利用率和傳質效率；并利用小功率低壓汞燈作激發光源，降低了能耗并不需循環冷卻水裝置散熱，簡化了裝置。但在該裝置中陰極是靜置的，仍然是以陽極偏壓轉移光生電子，而且電子轉移到陰極后，沒有加以有效的利用，對廢水的處理沒有貢獻。所以其能耗有望進一步降低，處理效率有待進一步提高。
發明內容本發明的目的在于針對現有技術的不足，提出一種雙轉盤光電池液膜反應器光催化處理有機廢水的方法，在減少激發光在有機溶液中傳輸時的損失和利用轉盤的轉動加強傳質的同時，利用金屬與N-半導體Ti02接觸形成的肖特基勢壘而不是外加偏壓將光生電子轉移到陰極表面，在陰極表面與飽和溶解氧反應生成H202，進而參與有機污染物的氧化而將光生電子加以間接應用，由此實現雙轉盤光電池的雙極氧化。同時提高了激發光的利用率、傳質效率和光催化效率，而且不需外加偏壓，降低了能耗和簡化了裝置。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明用溶膠一凝膠法將Ti02光催化劑負載在基底上并制備成轉盤電極作為光陽極，同時將Cu等材料制備成轉盤作陰極，與Ti02膜轉盤電極一起固定在同一轉軸上，放置在半圓弧反應池中，使轉盤的下半部分浸沒在廢水中，通過碳刷用導線將雙轉盤連接成回路，組成雙轉盤光電池，開動馬達通過調速器控制轉盤的轉速，使轉盤表面形成一層液膜。以紫外燈為激發光源，利用肖特基勢壘將Ti02膜轉盤電極表面的光生電子轉移到陰極轉盤表面，與其表面溶液中的飽和溶解氧反應生成H202，HA可進一步參與有機污染物的氧化，由此實現了雙轉盤光電池的雙極氧化一陰極轉盤表面生成的HA對有機物的間接氧化和Ti02膜光陽極轉盤表面的光生空穴對有機物的直接氧化。不但提高了激發光源的利用率、光生電子和空穴的分離效率和降解效率，而且還降低了運行能耗。本發明包括如下步驟第一步，用溶膠一凝膠法將Ti02光催化劑負載在基底上作光陽極，光陽極和陰極圓盤一起固定在轉軸上組成雙轉盤，轉盤的轉軸與馬達相連接。第二步，將轉盤放置在半圓弧反應池中，轉盤的轉軸處于廢水的水面位置，使轉盤的下半部分浸沒在廢水中，光陽極和陰極轉盤通過碳刷用導線相連接。第三步，開動馬達，控制轉盤轉速使轉盤表面形成一層液膜。第四步，采用激發光源照射Ti02光陽極，使激發光透過液膜照射到Ti02催化劑表面。第五步，用鋁箔反射光源背向Ti02光陽極一側的激發光，使光源利用率增強。第六步，一段時間后取樣分析，測定廢水中有機物的去除率，完成有機廢水的處理。所述光陽極基底材料為不銹鋼或鈦。所述陰極材料為Cu、Zn、Fe和C中一種。所述控制轉盤轉速，是指通過調速器控制轉盤轉動的轉速為30—90rpm。所述激發光源為紫外燈，紫外燈的燈管背面采用鋁箔進行反射以提高光源利用率。所述一段時間后取樣分析，是指0.5_2小時后取樣分析。本發明獨特的雙轉盤結構及轉動形式與傳統的光電催化法(Ti02光陽極全部浸沒于溶液中，激發光需透過數厘米的廢水和一層反應器壁才能到達光陽極催化劑表面)相比，一是大大降低了激發光在有機廢水中傳輸時被溶液吸收而造成的光損失，提高了激發光的利用率；二是利用金屬與N-型半導體Ti02接觸形成的肖特基勢壘而不是外加偏壓將Ti02膜轉盤光陽極表面的光生電子轉移到轉盤陰極表面，降低了能耗；三是在陰極轉盤表面，光生電子與陰極轉盤表面的飽和溶解氧反應生成HA，進而參與有機污染物的氧化而將光生電子加以應用，由此實現雙轉盤的雙極氧化，提高了降解效率；四是轉盤的轉動加快了電極表面和主體溶液物質的交換更新，強化了傳質，使之更高效。圖1雙轉盤光電池液膜反應器處理有機廢水的實驗裝置示意圖；圖中l為調速器，2為馬達，3為Cu轉軸，4為轉盤陰極，5為Ti02膜轉盤光陽極，6為碳刷，7為反應池，8為廢水，9為激發光源，IO為鋁箔。具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，本發明實施例采用的試驗裝置圖，實施例處理過程為1)采用不銹鋼圓盤或鈦圓盤作為基底，用溶膠一凝膠法將Ti02光催化劑負載在基底上，用作光陽極5，與Cu、Zn、Fe或C陰極4一起固定在轉軸3上組成雙轉盤光電池液膜反應器，轉軸3與馬達2相連接；2)將光陽極5和陰極4放置在半圓弧反應池7中，雙轉盤的轉軸3處于廢水8的水面位置，使雙轉盤的下半部分浸沒在廢水中，光陽極5和陰極4分別通過與轉軸相連的炭刷6用導線相連接；3)開動馬達2，并通過調速器l控制轉盤轉動的轉速為30—90rpm，使光陽極5和陰極4表面形成一層液膜；4)采用激發光源9照射光陽極5，使激發光透過液膜照射到光陽極5表面；5)用鋁箔10反射光源背向Ti02光陽極一側的激發光，使光源利用率增強；6)0.5—2小時后取樣分析，測定廢水8中有機物的去除率，完成有機廢水的處理。實施例1不同陰極材料雙轉盤光電池液膜反應器處理染料廢水處理對象為20mgL—'的羅丹明B(pH2.5，1.0g/LNa2S04)模擬染料廢水。廢水體積為55ml。1)采用釹圓盤作為基底，用溶膠-凝膠法將Ti02光催化劑負載在基底上作光陽極，分別和Cu、Zn、Fe或C圓盤陰極固定在轉軸上組成雙轉盤，轉盤的轉軸與馬達相連接。2)將轉盤放置在半圓弧反應槽中，轉盤的轉軸處于廢水的水面位置，使轉盤的下半部分浸沒在廢水中，光陽極和陰極轉盤通過與轉軸相連的碳刷用導線相連接。3)開動馬達，并通過調速器控制轉盤轉動的轉速為90rpm，使轉盤表面形成一層液膜。4)采用11W254nm低壓汞燈照射Ti02光陽極，使激發光透過液膜照射到Ti02催化劑表面。5)用鋁箔反射光源背向Ti02光陽極一側的激發光，使光源利用率增強。6)30分鐘后取樣分析，測定羅丹明B在563nm處的吸光度，求色度去除率(%)。結果如下<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實施例2Ti02/Ti和Cu雙轉盤光電池液膜反應器處理不同濃度染料廢水處理對象為不同濃度的羅丹明B(pH2.5,1.0g/LNa2S04)模擬染料廢水。廢水體積為55ml。1)采用鈦圓盤作為基底，用溶膠-凝膠法將Ti02光催化劑負載在基底上作光陽極，和Cu圓盤陰極一起固定在轉軸上組成雙轉盤，轉盤的轉軸與馬達相連接。2)將轉盤放置在半圓弧反應槽中，轉盤的轉軸處于廢水的水面位置，使轉盤的下半部分浸沒在廢水中，光陽極和陰極轉盤通過與轉軸相連的碳刷用導線相連接。3)開動馬達，通過調速器控制轉盤轉動的轉速為90rpm，使轉盤表面形成一層液膜。4)采用11W254nm低壓汞燈照射Ti02光陽極，使激發光透過液膜照射到Ti02催化劑表面。5)用鋁箔反射光源背向Ti02光陽極一側的激發光，使光源利用率增強。6)60分鐘后取樣分析，測定羅丹明B在563nm處的吸光度，求色度去除率(%)，并計算羅丹明B去除量(mg)，結果如下羅丹明B濃度(mgL—》20305080100150色度去除率(%)10089,887.987.778.674.7羅丹明B去除量(mg)1.101.482.423.864.326.16可見隨著染料濃度的增加，染料去除量逐漸增加，表明雙轉盤光電池液膜法尤其適合處理高濃度染料廢水。實施例31102/不銹鋼和Cu雙轉盤光電池液膜反應器處理不同濃度染料廢水處理對象為不同濃度的羅丹明B(pH2.5,1.0g/LNa2S04)模擬染料廢水。廢水體積為55ml。1)采用不銹鋼圓盤作為基底，用溶膠-凝膠法將Ti02光催化劑負載在基底上作光陽極，和Cu圓盤一起固定在轉軸上組成雙轉盤，轉盤的轉軸與馬達相連接。2)將轉盤放置在半圓弧反應槽中，轉盤的轉軸處于廢水的水面位置，使轉7盤的下半部分浸沒在廢水中，光陽極和陰極轉盤通過與轉軸相連的碳刷用導線相連接。3)開動馬達，通過調速器控制轉盤轉動的轉速為30rpm，使轉盤表面形成一層液膜。4)采用11W254nm低壓汞燈照射Ti02光陽極，使激發光透過液膜照射到Ti02催化劑表面。5)用鋁箔反射光源背向Ti02光陽極一側的激發光，使光源利用率增強。6)60分鐘后取樣分析，測定羅丹明B在563nm處的吸光度，求色度去除率(%)，結果如下:<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實施例4Ti02/Ti和Cu雙轉盤光電池液膜反應器處理其它模擬染料廢水處理對象為20mgL—'的活性艷紅X-3B、誘惑紅、直接銅蘭2R、直接耐曬藍FRL、直接墨綠B、深藍5R、酸性黑ATT和弱酸艷綠GS模擬染料廢水。廢水體積各為55ml，均為pH2.5禾H1.0g/LNa2S04。1)采用鈦圓盤作為基底，用溶膠-凝膠法將Ti02光催化劑負載在基底上作光陽極，和Cu圓盤陰極一起固定在轉軸上組成雙轉盤，轉盤的轉軸與馬達相連接。2)將轉盤放置在半圓弧反應槽中，轉盤的轉軸處于廢水的水面位置，使轉盤的下半部分浸沒在廢水中，光陽極和陰極轉盤通過與轉軸相連的碳刷用導線相連接。3)開動馬達，通過調速器控制轉盤轉動的轉速為90rpm，使轉盤表面形成一層液膜。4)采用11W254nm低壓汞燈照射Ti02光陽極，使激發光透過液膜照射到Ti02催化劑表面。5)用鋁箔反射光源背向Ti02光陽極一側的激發光，使光源利用率增強。6)30分鐘后取樣分析，測定各染料最大吸收波長處的吸光度，求色度去除率(%)。結果如下<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>實施例5Ti02/Ti和Cu雙轉盤光電池液膜反應器處理實際印染廢水處理對象為實際印染廢水(pH11.3)。該廢水取自常州某印染廠。廢水體積為55ml。1)采用鈦圓盤作為基底，用溶膠-凝膠法將Ti02光催化劑負載在基底上作光陽極，和Cu圓盤一起固定在轉軸上組成雙轉盤，轉盤的轉軸與馬達相連接。2)將轉盤放置在半圓弧反應槽中，轉盤的轉軸處于廢水的水面位置，使轉盤的下半部分浸沒在廢水中，光陽極和陰極轉盤通過與轉軸相連的碳刷用導線相連接。3)開動馬達，通過調速器控制轉盤轉動的轉速為90rpm，使轉盤表面形成一層液膜。4)采用11W254nm低壓汞燈照射Ti02光陽極，使激發光透過液膜照射到Ti02催化劑表面。5)用鋁箔反射光源背向Ti02光陽極一側的激發光，使光源利用率增強。6)2小時內每間隔30分鐘取樣分析，測定印染廢水514nm處的吸光度和總有機碳(TOC)濃度，求去除率(％)，結果如下<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>上述實驗結果說明，本發明雙轉盤光電池液膜反應器處理有機廢水(以染料廢水為例)的方法，可有效降解模擬染料廢水和實際印染廢水，在工業上有很大應用前景。權利要求1、一種雙轉盤光電池液膜反應器光催化處理有機廢水的方法，其特征在于包括如下步驟第一步，用溶膠-凝膠法將TiO2光催化劑負載在基底上作光陽極，光陽極和陰極圓盤一起固定在轉軸上組成雙轉盤，轉盤的轉軸與馬達相連接；第二步，將轉盤放置在半圓弧反應池中，轉盤的轉軸處于廢水的水面位置，使轉盤的下半部分浸沒在廢水中，光陽極和陰極轉盤通過碳刷用導線相連接；第三步，開動馬達，控制轉盤轉速使轉盤表面形成一層液膜；第四步，采用激發光源照射TiO2光陽極，使激發光透過液膜照射到TiO2催化劑表面；第五步，用鋁箔反射光源背向TiO2光陽極一側的激發光；第六步，一段時間后取樣分析，測定廢水中有機物的去除率，完成有機廢水的處理。2、根據權利要求1所述的雙轉盤光電池液膜反應器光催化處理有機廢水的方法，其特征是，所述光陽極基底材料為不銹鋼或鈦。3、根據權利要求1所述的雙轉盤光電池液膜反應器光催化處理有機廢水的方法，其特征是，所述陰極材料為Cu、Zn、Fe或C中一種。4、根據權利要求1所述的雙轉盤光電池液膜反應器光催化處理有機廢水的方法，其特征是，所述控制轉盤轉速，是指通過調速器控制轉盤轉動的轉速為30—90rpm。5、根據權利要求1所述的雙轉盤光電池液膜反應器光催化處理有機廢水的方法，其特征是，所述激發光源為紫外燈，紫外燈的燈管背面采用鋁箔進行反射。6、根據權利要求1所述的雙轉盤光電池液膜反應器光催化處理有機廢水的方法，其特征是，所述一段時間后取樣分析，是指0.5—2小時后取樣分析。全文摘要本發明涉及一種環境催化
技術領域：
的雙轉盤光電池液膜反應器光催化處理有機廢水方法，將TiO<sub>2</sub>光催化劑負載在基底上，用作光陽極，和陰極一起固定在轉軸上組成雙轉盤，雙轉盤下半部分浸沒在廢水中，雙轉盤通過與轉軸相連的碳刷用導線相連接。開動馬達并控制雙轉盤的轉速，使雙轉盤的表面形成一層液膜。以紫外燈為激發光源，將TiO<sub>2</sub>膜轉盤光陽極表面的光生電子轉移到轉盤陰極表面，光生電子與陰極轉盤表面的飽和溶解氧反應生成H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>，對有機物的間接氧化和TiO<sub>2</sub>膜光陽極轉盤表面的光生空穴對有機物直接氧化，提高了降解效率；轉盤的轉動加快了電極表面和主體溶液物質的交換更新，強化了傳質，使之更高效。文檔編號C02F1/72GK101353186SQ200810200039公開日2009年1月28日申請日期2008年9月18日優先權日2008年9月18日發明者徐云蘭,侃李,王亞林,賈金平,思陳申請人:上海交通大學