尖锥结构光阳极光电转盘处理有机废水光电催化的方法转让专利
申请号 : CN201010527940.8
文献号 : CN102030387B
文献日 : 2012-08-22
发明人 : 贾金平 , 李侃 , 阳陈 , 王亚林
申请人 : 上海交通大学
摘要 :
一种化工技术领域的尖锥结构光阳极光电转盘处理有机废水光电催化的方法。包括：采用不锈钢圆盘或钛圆盘作为基底，将基底加工为尖锥结构；将TiO2光催化剂负载在基底上，在转轴上组成光电转盘，用作光阳极，光阳极的转轴与马达相连接；以Cu片做阴极，放置在光阳极对面反应槽内壁处，通过导线与直流电源的负极相连接；使光阳极表面形成一层液膜；采用激发光源照射光阳极，使激发光透过液膜照射到光阳极表面；对出水取样分析，测定废水中有机物的去除率，完成难降解有机废水的处理。本发明在大大降低有机废水对光的吸收；提高了激发光的利用率和光电催化降解效率；增大了光阳极的表面积，强化了传质，提高了光(电)催化的降解效率。
权利要求 :
1.一种尖锥结构光阳极光电转盘处理有机废水光电催化的方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步、采用不锈钢圆盘或钛圆盘作为基底，将基底加工为尖锥结构：第二步、将TiO2光催化剂负载在基底上，在转轴上组成光电转盘，用作光阳极，光阳极的转轴与马达相连接：第三步、以Cu片作阴极，放置在光阳极对面反应槽内壁处，通过导钱与直流电源的负极相连接：第四步、调节直流电源的电压。开动马达，并通过调速器控制光阳极旋转的转速使光阳极表面形成一层液膜：第五步、采用激发光源照射光阳极，使激发光透过液膜照射到光阳极表面：第六步、对出水取样分析，测定废水中有机物的去除率，完成难降解有机废水的处理，
2.根据权利要求1的尖锥结构光阳极光电转盘处理有机废水光电催化的方法，其特征是，所述尖锥结构为底边长2-10mm的正方形，底高比为1∶1-1∶4的尖锥。
3.根据权利要求1的尖锥结构光阳极光电转盘处理有机废水光电催化的方法，其特征是，所述尖锥结构的加工方法为数控车床加工方法或者模具冲压方法。
4.根据权利要求1的尖锥结构光阳极光电转盘处理有机废水光电催化的方法，其特征是，所述将TiO2光催化剂负载在基底上的方法为溶胶-凝胶法，直接热氧化法或阳极氧化法。
5.根据权利要求1的尖锥结构光阳极光电转盘处理有机废水光电催化的方法，其特征是，所述的在转轴上组成光电转盘，是以单片方式或多片串联方式用作光阳极在转轴成光电转盘。
6.根据权利要求1的尖锥结构光阳极光电转盘处理有机废水光电催化的方法，其特征是，所述调节直流电源的电压为0.4-3.0V。
7.根据权利要求1的尖锥结构光阳极光电转盘处理有机废水光电催化的方法，其特征是，所述光电转盘，其转速控制通过调速器控制转盘转动的转速为20-100rpm。
8.根据权利要求1的尖锥结构光阳极光电转盘处理有机废水光电催化的方法，其特征是，所述激发光源为紫外灯或太阳光。
说明书 :
尖锥结构光阳极光电转盘处理有机废水光电催化的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种化工技术领域的光电催化方法，尤其涉及一种尖锥结构光阳极光电转盘处理有机废水光电催化的方法。
背景技术
[0002] 近年来，TiO2已被证实是一种高效、稳定、无选择性和材料易得的半导体光催化剂。TiO2光催化技术作为一种高级氧化技术，几乎能够使空气和水中的污染物完全矿化。自1972年Fujishima发现TiO2可光催化裂解水以来，TiO2半导体光催化技术在有机物的处理方面逐渐得到了广泛的研究。为解决TiO2难与废水分离的问题，TiO2被固定在各种载体上，由于TiO2固定化会引起其表面积下降从而使其光催化活性下降，研究者把TiO2膜材料作为阳极，通过外加阳极偏压来阻止光生电子和空穴的简单复合，从而提高光催化效率，此即电助光催化(简称光电催化)，故TiO2半导体光电催化技术是一种利用紫外光作激发光源，通过外加偏压使光生电子和空穴得以有效的分离，产生具有强氧化能力的活性自由基来氧化降解污染物的一种氧化技术。目前围绕增大TiO2膜电极的表面积，选择合适的电极基底材料和电极改性等方面已经做了大量的工作，但一直以来，光电催化反应器及其中的光能利用率问题往往被人们忽视。传统的光电催化反应器基本上都是将光电极完全侵入反应液中，激发光需穿透厚厚的液层才能到达光催化剂的表面，由于有机溶液自身对激发光的吸收而引起激发光的很大损失。
[0003] 经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101254961，公开日2008.9.3，记载了一种“TiO2薄膜电极光电转盘处理难降解有机废水的方法”，该技术包括了一种动态光阳极的单复合转盘光电液膜反应器：将TiO2薄膜电极制作成转盘，转盘的一半浸没在水中，一半在空气中，利用转盘的转动使在空气中的TiO2薄膜电极表面部分形成了几十微米的液膜，解决了传统反应器中的激发光必须透过较厚(往往是数厘米)的废水层才能照射到电极上的问题，同时强化了激发光的利用率和传质效率；从而可采用小功率低压汞灯作激发光源，降低了能耗并不需循环冷却水系统，简化了装置，确实已经节约了宝贵的激发光源。但与现有很多光电催化阳极一样，其光阳极是平面结构，光线照射到表面后只发生一次吸收，其余部分光能被反射到大气中，仍然存在激发光的浪费。所以转盘反应器的平面阳极结构有望进一步改进，如使之成为一种向内多次反射的表面结构，又称光陷阱，则可以进一涉增强光的利用率。
发明内容
[0004] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种尖锥结构光阳极光电转盘处理有机废水光电催化的方法。本发明将传统的平面结构光阳极加工为尖锥结构，使激发光照射到表面时发生多次向内反射，并且增大了光阳极的表面积，提高了激发光的利用率和污染物的降解效率。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0006] 本发明包括如下步骤：
[0007] 第一步，采用不锈钢圆盘或钛圆盘作为基底，将基底加工为尖锥结构；
[0008] 第二步，将TiO2光催化剂负载在基底上，在转轴上组成光电转盘，用作光阳极，光阳极的转轴与马达相连接；
[0009] 第三步，以Cu片做阴极，放置在光阳极对面反应槽内壁处，通过导线与直流电源的负极相连接；
[0010] 第四步，调节直流电源的电压，开动马达，并通过调速器控制光阳极旋转的转速使光阳极表面形成一层液膜；
[0011] 第五步，采用激发光源照射光阳极，使激发光透过液膜照射到光阳极表面；
[0012] 第六步，对出水取样分析，测定废水中有机物的去除率，完成难降解有机废水的处理。
[0013] 所述尖锥结构为底边长2-10mm的正方形，底高比为1∶1-1∶4的尖锥。
[0014] 所述尖锥结构的加工方法为数控车床加工方法或者模具冲压方法。
[0015] 所述将TiO2光催化剂负载在基底上的方法为溶胶-凝胶法、直接热氧化法或阳极氧化法。
[0016] 所述的在转轴上组成光电转盘，是以单片方式或多片串联方式用作光阳极在转轴上组成光电转盘。
[0017] 所述调节直流电源的电压为0.4-3.0V。
[0018] 所述光电转盘，其转速控制通过调速器控制转盘转动的转速为20-100rpm。
[0019] 所述激发光源为紫外灯或太阳光。
[0020] 本发明使用的紫外灯的灯管但转盘时其背面采用铝箔进行反射以提高光源利用率，多片转盘时则置于相邻两个光阳极之间，不需要铝箔，灯管不接触但垂直于转盘转轴。
[0021] 本发明当不加偏压，即本发明的尖锥结构光阳极也可用作普通光催化场合，有很好的增强效果。
[0022] 本发明具有以下优点：激发光照射在尖锥结构上后可以发生多次内反射，大大提高了激发光的利用率，降低了能耗；尖锥结构大大增加了光阳极的表面积，当光阳极转动时可以携带更多的污染物，提高了污染物的降解效率；同时尖锥结构光阳极在转动过程中还加快了电极表面和主体溶液的交换更新，强化了传质，充分利用了光能与空间，达到节能、高效的目的。
附图说明
[0023] 图1单片电极光电转盘处理难降解有机废水的实验装置示意图；
[0024] 其中：(a)侧视图；(b)正视图；
[0025] 图2多片电极光电转盘处理难降解有机废水的实验装置示意图；
[0026] 图中，1为调速器，2为马达，3为转轴，4为碳刷，5为反应槽，6为光阳极，7为阴极，8为激发光源，9为铝箔，10为直流电源，11为废水。
[0027] 图3平面结构与尖锥结构入射光反射示意图；
[0028] 其中：(a)平面入射光反射示意图；(b)尖锥入射光示意图；(c)尖锥结构示意图。
具体实施方式
[0029] 下面对本发明的实施例做详细说明，本实施例在以本发明技术方案前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0030] 实施例1
[0031] 不同底高比尖锥阳极转盘液膜反应器处理染料废水，以平面光阳极作对比例。
[0032] 如图1和图2所示，处理对象为30ppm罗丹明B(pH2.5，1.0g/LNa2SO4)模拟染料废水。废水体积为120ml。
[0033] 1)采用钛板圆盘为基底，利用数控车床加工方法，将平面圆盘基底加工为底宽2mm，高2-8mm(即底高比1∶1-1∶4)尖锥，用溶胶-凝胶法将TiO2光催化剂负载在基底上，并以单片方式将转盘固定于转轴上，用作光阳极，光阳极的转轴与马达相连接。
[0034] 2)将光阳极放置在半圆弧反应槽中，光阳极的转轴处于废水的水面位置，使光阳极一半浸没在废水中，光阳极通过与转轴相连的碳刷与直流电源的正极相连。
[0035] 3)以Cu片作阴极，放置在阳极对面反应槽内壁处，通过导线与直流电源的负极相连接。
[0036] 4)调节直流电源的电压为1.6V；开动马达，并通过调速器控制光阳极转动的转速为80rpm，使光阳极表面形成一层液膜。
[0037] 5)采用11W254nm低压汞灯作为激发光源，照射光阳极，使激发光透过液膜照射到光阳极表面。
[0038] 6)0.5小时后取样分析，测定罗丹明B在563nm处的吸光度，求色度去除率(％)。本实施例尖锥光阳极与传统平面光阳极测定的结果对比如下：
[0039]
[0040] 如图3所示，从以上结果可以看出，与传统平面结构光阳极相比较，尖锥结构光阳极对罗丹明B的脱色率明显提高，这一方面是由于尖锥结构光阳极可以多次利用激发光，提高了激发光的利用率；另一方面是由于尖锥结构光阳极增加了光阳极的表面积，当光阳极转动时可以携带更多的污染物参与反应，提高了降解效率。
[0041] 实施例2
[0042] 不同加工方法尖锥阳极转盘液膜反应器处理染料废水
[0043] 如图1所示，处理对象为不同浓度的罗丹明B(pH2.5，1.0g/LNa2SO4)模拟染料废水。废水体积为120ml。
[0044] 步骤同实施例1，其中所用光阳极为1∶3尖锥光阳极，转速为80rpm，1小时后取样分析，测定罗丹明B在563nm处的吸光度，求色度去除率(％)，结果如下：
[0045]尖锥的加工方法 数控车床加工方法 模具冲压方法
罗丹明B色度去除率(％) 99.4 97.5
罗丹明B色度去除率(％) 99.4 97.5
[0046] 从以上结果可以看出，两种方法都可以实现有效的尖锥结构，但大量制作时模具冲压方法更快捷。
[0047] 实施例3
[0048] 不同制膜方式尖锥阳极转盘液膜反应器处理染料废水
[0049] 如图1所示，处理对象为不同浓度的罗丹明B(pH2.5，1.0g/LNa2SO4)模拟染料废水。废水体积为120m1。
[0050] 步骤同实施例1，其中所用光阳极为1∶3尖锥光阳极，转速为80rpm，1小时后取样分析，测定罗丹明B在563nm处的吸光度，求色度去除率(％)，结果如下：
[0051]不同制膜方式 溶胶-凝胶法 直接热氧化法 阳极氧化法
罗丹明B色度去除率(％) 99.4 86.7 90.3
罗丹明B色度去除率(％) 99.4 86.7 90.3
[0052] 从以上结果可以看出，不同的制膜方式都有较好的去除效果，只是由于制作方式的不同效果略有不同。
[0053] 实施例4
[0054] 不同转速尖锥光阳极转盘液膜反应器处理染料废水
[0055] 如图1所示，处理对象为30ppm罗丹明B(pH2.5，1.0g/LNa2SO4)模拟染料废水。废水体积为120ml。
[0056] 步骤同实施例1，其中所用光阳极为1∶3尖锥光阳极，缩短处理时间，0.5小时后取样分析，测定罗丹明B在563nm处的吸光度，求色度去除率(％)，结果如下：
[0057]转速(rpm) 20 40 60 80 100
罗丹明B色度去除率(％) 82.5 88.1 91.7 93.4 92.5
罗丹明B色度去除率(％) 82.5 88.1 91.7 93.4 92.5
[0058] 从以上结果可以看出，与平面光阳极相比较，尖锥结构光阳极转速大有利于处理效果的提高，同时当转速过高时也会对处理效果有所影响。
[0059] 实施例5
[0060] 不同偏压尖锥光阳极转盘液膜反应器处理染料废水
[0061] 如图1所示，处理对象为30ppm罗丹明B(pH2.5，1.0g/LNa2SO4)模拟染料废水。废水体积为120ml。
[0062] 步骤同实施例1，其中所用光阳极为1∶3尖锥光阳极，转速为80rpm，缩短处理时间，0.5小时后取样分析，测定罗丹明B在563nm处的吸光度，求色度去除率(％)，结果如下：
[0063]偏压(V) 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 3.0
罗丹明B色度去除率(％) 86.6 87.0 89.8 90.4 92.5 92.5 92.0 91.3[0064] 由以上结果可见，提高偏压有利于提高处理效果，但至1.6V即可。
罗丹明B色度去除率(％) 86.6 87.0 89.8 90.4 92.5 92.5 92.0 91.3[0064] 由以上结果可见，提高偏压有利于提高处理效果，但至1.6V即可。
[0065] 实施例6
[0066] 不同处理过程尖锥阳极转盘液膜反应器处理染料废水
[0067] 如图1所示，处理对象为不同浓度的罗丹明B(pH2.5，1.0g/LNa2SO4)模拟染料废水。废水体积为120ml。
[0068] 步骤同实施例1，其中所用光阳极为1∶3尖锥光阳极，0.5小时后取样分析，测定罗丹明B在563nm处的吸光度，求色度去除率(％)，结果如下：
[0069]光电催化(1.6V偏压) 光催化(无偏压)
罗丹明B色度去除率(％) 92.5 86.6
罗丹明B色度去除率(％) 92.5 86.6
[0070] 由以上结果可见，普通的光化学反应(即不外加偏压的光催化反应)，在尖锥阳极液膜转盘反应器中也有很好的处理效果。
[0071] 实施例7
[0072] 不同处理时间尖锥光阳极转盘液膜反应器处理染料废水
[0073] 如图1所示，处理对象为30ppm罗丹明B(pH2.5，1.0g/LNa2SO4)模拟染料废水。废水体积为120ml。
[0074] 步骤同实施例1，其中所用光阳极为1∶3尖锥光阳极，转速为80rpm，偏压为1.6V，每隔50分钟取样分析，测定罗丹明B在563nm出的吸光度和COD，求色度去除率(％)和COD去除率(％)，结果如下：
[0075]时间(min) 50 100 150
色度去除率(％) 98.1 100 100
COD去除率(％) 20.1 38.7 59.2
色度去除率(％) 98.1 100 100
COD去除率(％) 20.1 38.7 59.2
[0076] 实施例8
[0077] 尖锥光阳极转盘液膜反应器处理不同浓度染料废水
[0078] 如图1所示，处理对象为不同浓度的罗丹明B(pH2.5，1.0g/LNa2SO4)模拟染料废水。废水体积为120ml。
[0079] 步骤同实施例1，其中所用光阳极为1∶3尖锥光阳极，转速为80rpm，偏压为1.6V，150分钟后取样分析，测定罗丹明B在563nm出的吸光度和COD，求色度去除率(％)
2
和COD去除率(％)，并计算罗丹明B单位面积去除量(mg/cm)，并与平面光阳极比较，结果如下：
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和COD去除率(％)，并计算罗丹明B单位面积去除量(mg/cm)，并与平面光阳极比较，结果如下：
[0080]
[0081] 从以上数据中可以看出，与传统平面结构光阳极相比，尖锥结构光阳极在处理高浓度染料废水时有明显的优势，色度和COD去除率明显高于平面光阳极，而且单位面积去除量也高于平面电极。
[0082] 上述实施例结果说明，上述实施例尖锥结构光阳极光电转盘处理难降解有机废水的方法可以有效的利用激发光，使激发光在光阳极表面发生多次内反射，提高激发光的利用率；同时尖锥结构也大大增加了光阳极的表面积，当光阳极转动时可以携带更多的污染物参与反应，提高了降解效率，达到高效低耗，节能减排的目的，在工业上有很大的应用前景。