一种TiO2光催化消解装置及其制备方法

摘要

本发明公开了一种TiO2光催化消解装置，属于环保技术领域。该装置包括涂覆有TiO2的石英玻璃片Ⅰ，在与石英玻璃片Ⅰ上涂覆的TiO2区域相对应的区域涂覆有TiO2的石英玻璃片Ⅱ，石英玻璃片Ⅰ上装设有密封圈，石英玻璃片Ⅱ与装设有密封圈的石英玻璃片Ⅰ相互契合，于相对应涂覆的TiO2区域之间形成流道。同时，本发明还公开了该装置的制备方法。该TiO2光催化消解装置能够提高接受紫外光强度，并且，能够增加废水与TiO2的接触面积，从而缩短光催化消解时间，提高光催化消解效率。

权利要求

1.一种TiO2光催化消解装置，其特征在于，包括：石英玻璃片Ⅰ，所述石英玻璃片Ⅰ具有连通的凸起部，所述凸起部涂覆有TiO2，所述涂覆有TiO2的区域的一端处开设有作为进液孔的通孔，所述涂覆有TiO2的区域的另一端处开设有作为出液孔的通孔；

石英玻璃片Ⅱ，在所述石英玻璃片Ⅱ上，与所述石英玻璃片Ⅰ上涂覆的TiO2区域相对应的区域，涂覆有TiO2；

所述石英玻璃片Ⅰ上装设有密封圈；

所述石英玻璃片Ⅱ与装设有密封圈的所述石英玻璃片Ⅰ相互契合，于所述相对应涂覆的TiO2区域之间形成流道。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述凸起部呈“S”形，余部为凹槽，所述密封圈装设于所述凹槽内。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述密封圈的厚度大于所述凹槽，涂覆于所述石英玻璃片Ⅰ上的TiO2，以及，涂覆于所述石英玻璃片Ⅱ上的TiO2的厚度之和。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述流道为沿所述“S”形凸起部的“S”形流道。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述进液孔上连接有进液管，所述出液孔上连接有出液管。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述密封圈由弹性材质制成。

7.基于权利要求1～6中任一所述的装置的制备方法，其特征在于，制备石英玻璃片Ⅰ，所述石英玻璃片Ⅰ具连通的凸起部，所述凸起部涂覆有TiO2，所述涂覆有TiO2的区域的一端处开设有作为进液孔的通孔，所述涂覆有TiO2的区域的另一端处开设有作为出液孔的通孔；

制备石英玻璃片Ⅱ，在所述石英玻璃片Ⅱ上，与所述石英玻璃片Ⅰ上涂覆的TiO2区域相对应的区域，涂覆有TiO2；

在所述石英玻璃片Ⅰ上装设密封圈；

将所述石英玻璃片Ⅱ与装设有密封圈的所述石英玻璃片Ⅰ相互契合，于所述相对应涂覆的TiO2区域之间形成流道。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述凸起部呈“S”形，余部为凹槽，所述密封圈装设于所述凹槽内。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，制备所述石英玻璃片Ⅰ的方法包括：清洗原始的石英玻璃片Ⅰ表面；

在经过清洗的石英玻璃片Ⅰ表面上涂覆一层光刻胶后曝光、显影，在所述光刻胶上光刻出用于形成所述凹槽的腐蚀区域；

用HF腐蚀所述腐蚀区域直至其形成所述凹槽；

清洗已经具有凹槽的石英玻璃片Ⅰ表面上的光刻胶；

在清洗完表面上光刻胶的石英玻璃片Ⅰ的凸起部再次涂上一层光刻胶后曝光、显影，形成需要涂覆TiO2凝胶的区域；

在所述需要涂覆TiO2凝胶的区域涂覆一层TiO2凝胶；

将已涂覆有TiO2凝胶的石英玻璃片Ⅰ放在马沸炉中进行烧结。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，制备所述石英玻璃片Ⅱ的方法包括：清洗原始的石英玻璃片Ⅱ表面；

在所述石英玻璃片Ⅱ表面涂覆一层光刻胶后曝光、显影，在所述石英玻璃片Ⅱ上，与所述石英玻璃片Ⅰ上涂覆的TiO2区域相对应的区域光刻出需要涂覆TiO2凝胶的区域；

在所述需要涂覆TiO2凝胶的区域涂覆一层TiO2凝胶；

将已涂覆有TiO2凝胶石英玻璃片Ⅱ放在马沸炉中进行烧结。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述马沸炉的温度范围是400℃～

600℃。

说明书

一种TiO2光催化消解装置及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及环保技术领域，特别涉及一种用于处理含有磷、氮等物质的废水的TiO2光催化消解装置及其制备方法。

背景技术

[0002] 目前，水体富营养化备受人们的关注，它所导致的水质恶化严重影响人们的生产和生活，水体富营养化主要是由于磷、氮等营养物质大量进入水体，从而使水体变质，而含磷废水主要来自生活污水，生活污水中的磷能够以有机磷、无机磷的形式存在，这种以不同形式存在的磷增加了处理的难度，处理这些含磷物质的方法主要有化学氧化和焚烧等方法，但是这两种方法不同程度地存在着或效率低，不能彻底将污染物无害化，易产生二次污染；或使用范围窄，仅适合特定的污染物；或能耗高，不适合大规模推广等方面的缺陷。因而，开发高效、低能耗、适用范围广和有深度氧化能力的有机污染物清除技术一直是环保技术追求的目标。

[0003] 光催化技术利用半导体氧化物材料在光照下表面能受激活化的特性，利用光能可有效地氧化分解有机物、还原重金属离子、杀灭细菌和消除异味。光催化技术可利用太阳能在室温下发生反应，比较经济；光催化剂TiO2：自身无毒、无害、无腐蚀性，可反复使用；可将有机污染物完全矿化成H2O和无机离子，无二次污染。

[0004] 光催化性是纳米半导体的独特性能之一。纳米半导体材料在光的照射下，通过把光能转化为化学能，促进化合物的合成或使化合物降解。

[0005] TiO2光催化的主要原理是：当能量大于TiO2禁带宽度的光照射半导体时，其-价带上的电子受光激发跃迁到导带，在导带形成光生电子(e)，在价带上产生空穴(h+)。
由于半导体导带与价带能带间存在禁带，光生电子和空穴在复合前有足够长的寿命，它们能在电场作用下或通过扩散的方式运动，与吸附在半导体催化剂粒子表面上的物质发生氧化还原反应，或者被表面晶格缺陷俘获。光生电子和空穴在催化剂粒子内部或表面也可能直接复合。空穴能够同吸附在催化剂粒子表面的OH-或者H2O发生能量和电荷交换，产生·OH，·OH是一种活性很高的粒子，能够无选择地氧化多种有机物并使之矿化，通常被认为是光催化反应体系中的主要氧化剂。光生电子也能够与O2发生作用生成HO2·和O2·等活性氧类，这些活性氧自由基也能参与氧化还原反应。

[0006] TiO2作为一种光催化剂以其廉价、无毒，在水溶液中稳定等优点，成为最有开发前途的绿色环保型催化剂。然而，粉体TiO2光催化剂存在分离困难、易凝聚和不适于流动体系等缺点，难以投入实际应用。

[0007] 目前应用的普通负载型TiO2光催化消解装置采用单面光照，接受紫外光强度低，并且，普通负载型TiO2光催化消解装置由于废水与TiO2的接触面积有限，致使光催化消解时间较长，光催化消解的效率较低。

发明内容

[0008] 为了解决上述问题，本发明提出了一种能够提高接受紫外光强度，并且，能够增加废水与TiO2的接触面积，从而缩短光催化消解时间，提高光催化消解效率的TiO2光催化消解装置及其制备方法。

[0009] 为了实现上述目的，本发明提供的TiO2光催化消解装置的技术方案如下： [0010] 本发明提供的TiO2光催化消解装置包括：

[0011] 石英玻璃片Ⅰ，所述石英玻璃片Ⅰ具有连通的凸起部，所述凸起部涂覆有TiO2，所述涂覆有TiO2的区域的一端处开设有作为进液孔的通孔，所述涂覆有TiO2的区域的另一端处开设有作为出液孔的通孔；

[0012] 石英玻璃片Ⅱ，在所述石英玻璃片Ⅱ上，与所述石英玻璃片Ⅰ上涂覆的TiO2区域相对应的区域，涂覆有TiO2；

[0013] 所述石英玻璃片Ⅰ上装设有密封圈；

[0014] 所述石英玻璃片Ⅱ与装设有密封圈的所述石英玻璃片Ⅰ相互契合，于所述相对应涂覆的TiO2区域之间形成流道。

[0015] 作为优选，所述凸起部呈“S”形，余部为凹槽，所述密封圈装设于所述凹槽内。 [0016] 作为优选，所述密封圈的厚度大于所述凹槽，涂覆于所述石英玻璃片Ⅰ上的TiO2，以及，涂覆于所述石英玻璃片Ⅱ上的TiO2的厚度之和。

[0017] 作为优选，所述流道为沿所述“S”形凸起部的“S”形流道。 [0018] 作为优选，所述进液孔上连接有进液管，所述出液孔上连接有出液管。 [0019] 作为优选，所述密封圈由弹性材质制成。

[0020] 为了解决上述问题，基于本发明提供的TiO2光催化消解装置的制备方法包括： [0021] 制备石英玻璃片Ⅰ，所述石英玻璃片Ⅰ具连通的凸起部，所述凸起部涂覆有TiO2，所述涂覆有TiO2的区域的一端处开设有作为进液孔的通孔，所述涂覆有TiO2的区域的另一端处开设有作为出液孔的通孔；

[0022] 制备石英玻璃片Ⅱ，在所述石英玻璃片Ⅱ上，与所述石英玻璃片Ⅰ上涂覆的TiO2区域相对应的区域，涂覆有TiO2；

[0023] 在所述石英玻璃片Ⅰ上装设密封圈；

[0024] 将所述石英玻璃片Ⅱ与装设有密封圈的所述石英玻璃片Ⅰ相互契合，于所述相对应涂覆的TiO2区域之间形成流道。

[0025] 作为优选，所述凸起部呈“S”形，余部为凹槽，所述密封圈装设于所述凹槽内。 [0026] 作为优选，制备所述石英玻璃片Ⅰ的方法包括：

[0027] 清洗原始的石英玻璃片Ⅰ表面；

[0028] 在经过清洗的石英玻璃片Ⅰ表面上涂覆一层光刻胶后曝光、显影，在所述光刻胶上光刻出用于形成所述凹槽的腐蚀区域；

[0029] 用HF腐蚀所述腐蚀区域直至其形成所述凹槽；

[0030] 清洗已经具有凹槽的石英玻璃片Ⅰ表面上的光刻胶；

[0031] 在清洗完表面上光刻胶的石英玻璃片Ⅰ的凸起部再次涂上一层光刻胶后曝光、显影，形成需要涂覆TiO2凝胶的区域；

[0032] 在所述需要涂覆TiO2凝胶的区域涂覆一层TiO2凝胶；

[0033] 将已涂覆有TiO2凝胶的石英玻璃片Ⅰ放在马沸炉中进行烧结。

[0034] 作为优选，制备所述石英玻璃片Ⅱ的方法包括：

[0035] 清洗原始的石英玻璃片Ⅱ表面；

[0036] 在所述石英玻璃片Ⅱ表面涂覆一层光刻胶后曝光、显影，在所述石英玻璃片Ⅱ上，与所述石英玻璃片Ⅰ上涂覆的TiO2区域相对应的区域光刻出需要涂覆TiO2凝胶的区域；

[0037] 在所述需要涂覆TiO2凝胶的区域涂覆一层TiO2凝胶；

[0038] 将已涂覆有TiO2凝胶石英玻璃片Ⅱ放在马沸炉中进行烧结。

[0039] 作为优选，所述马沸炉的温度范围是400℃～600℃。

[0040] 本发明提供的TiO2光催化消解装置及其制备方法的有益效果在于： [0041] 应用本发明提供的TiO2光催化消解装置时，可以在其上下面分别用紫外光照射，增加了光照强度；同时，本发明提供的TiO2光催化消解装置能够增大废水与TiO2的接触面积，从而缩短光催化消解时间，提高光催化消解效率。

附图说明

[0042] 图1a为本发明实施例提供的TiO2光催化消解装置的石英玻璃片Ⅱ在分解后与石英玻璃片Ⅰ相向面的平面示意图；

[0043] 图1b为本发明实施例提供的TiO2光催化消解装置的石英玻璃片Ⅱ在分解后与石英玻璃片Ⅰ相向面的截面示意图；

[0044] 图1c为本发明实施例提供的TiO2光催化消解装置的石英玻璃片Ⅰ在分解后与石英玻璃片Ⅱ相向面的平面示意图；

[0045] 图1d为本发明实施例提供的TiO2光催化消解装置的石英玻璃片Ⅰ在分解后与石英玻璃片Ⅱ相向面的截面示意图；

[0046] 图2为本发明实施例提供的TiO2光催化消解装置的原始石英玻璃片Ⅰ的截面示意图；

[0047] 图3为本发明实施例提供的TiO2光催化消解装置在石英玻璃片Ⅰ表面上涂覆一层光刻胶之后的截面示意图；

[0048] 图4为在本发明实施例提供的TiO2光催化消解装置的石英玻璃片Ⅰ表面上涂覆的光刻胶上光刻出光刻槽之后的截面示意图；

[0049] 图5为在本发明实施例提供的TiO2光催化消解装置的石英玻璃片Ⅰ形成能够用以安放密封圈的凹槽之后的截面示意图；

[0050] 图6为本发明实施例提供的TiO2光催化消解装置在先用丙酮、后用乙醇清洗已经具有凹槽的石英玻璃片Ⅰ表面上的光刻胶之后的截面示意图；

[0051] 图7为本发明实施例提供的TiO2光催化消解装置的石英玻璃片Ⅰ的截面示意图；

[0052] 图8为本发明实施例提供的TiO2光催化消解装置在石英玻璃片Ⅰ的凹槽内装设完密封圈之后的截面示意图；

[0053] 图9为本发明实施例提供的TiO2光催化消解装置的石英玻璃片Ⅱ的截面示意图；

[0054] 图10为本发明实施例提供的TiO2光催化消解装置在石英玻璃片Ⅰ的凹槽内装设完密封圈之后与石英玻璃片Ⅱ相向面的示意图，其中箭头所指为流道方向；

[0055] 图11为本发明实施例提供的TiO2光催化消解装置在石英玻璃片Ⅱ与装设完密封圈的所述石英玻璃片Ⅰ相互契合之后的截面示意图。

具体实施方式

[0056] 为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。 [0057] 本发明实施例提供的TiO2光催化消解装置包括：

[0058] 石英玻璃片Ⅰ1，参见附图1c、附图1d、附图7和附图10，石英玻璃片Ⅰ1具有“S”形凸起部，余部为凹槽4， “S”形凸起部涂覆有TiO25，涂覆有TiO25的区域的一端处开设有作为进液孔9的通孔，涂覆有TiO25的区域的另一端处开设有作为出液孔10的通孔；

[0059] 石英玻璃片Ⅱ6，参见附图1a、附图1b、附图9和附图11，在石英玻璃片Ⅱ6上，与石英玻璃片Ⅰ1上涂覆的TiO2区域相对应的区域，涂覆有TiO27；

[0060] 参见附图8和附图11，石英玻璃片Ⅰ1的凹槽4内装设有由弹性材质制成的密封圈8，密封圈8的厚度大于所述凹槽4，涂覆于所述石英玻璃片Ⅰ1上的TiO25，以及，涂覆于所述石英玻璃片Ⅱ6上的TiO27的厚度之和；

[0061] 参见附图10和附图11，石英玻璃片Ⅱ6与装设有密封圈8的石英玻璃片Ⅰ1相互契合，于相对应涂覆的TiO2区域之间形成流道沿“S”形凸起部的“S”形流道11；

[0062] 参见附图11，进液孔9上连接有进液管12，出液孔10上连接有出液管13。

[0063] 基于本发明实施例提供的TiO2光催化消解装置的制备方法包括： [0064] 步骤10：制备石英玻璃片Ⅰ1，参见附图1a、附图1b、附图1c、附图1d、附图7和附图10，制备石英玻璃片Ⅰ1具有“S”形凸起部，余部为凹槽4， “S”形凸起部涂覆有TiO25，涂覆有TiO25的区域的一端处开设有作为进液孔9的通孔，涂覆有TiO25的区域的另一端处开设有作为出液孔10的通孔；

[0065] 石英玻璃片Ⅰ1的具体制备方法包括：

[0066] 步骤101：参见附图2，清洗原始的石英玻璃片Ⅰ1表面；

[0067] 步骤102：参见附图3，在经过清洗的石英玻璃片Ⅰ1表面上涂覆一层光刻胶2后曝光、显影，参见附图4，在所述光刻胶上光刻出用于形成凹槽4的腐蚀区域3；

[0068] 步骤103：参见附图5，用HF腐蚀所述腐蚀区3直至其形成能够用以安放密封圈8的凹槽4；

[0069] 步骤104：参见附图6，先用丙酮、后用乙醇清洗已经具有凹槽4的石英玻璃片Ⅰ1表面上的光刻胶；

[0070] 步骤105：在清洗完表面上光刻胶的石英玻璃片Ⅰ1的凸起部再次涂上一层光刻胶后曝光、显影，形成需要涂覆TiO2凝胶的区域；

[0071] 步骤106：应用提拉法在所述需要涂覆TiO2凝胶的区域涂覆一层TiO2凝胶，该TiO2凝胶可以采用溶胶—凝胶法制取；

[0072] 步骤107：将已涂覆有TiO2凝胶石英玻璃片Ⅰ1放在400℃～600℃的马沸炉中进行烧结，形成如图7所示的涂覆有TiO25的石英玻璃片Ⅰ。

[0073] 步骤20：制备石英玻璃片Ⅱ6，参见附图1和附图9，在所述石英玻璃片Ⅱ6上，与所述石英玻璃片Ⅰ1上涂覆的TiO25区域相对应的区域，涂覆有TiO27；

[0074] 石英玻璃片Ⅱ6的具体制备方法包括：

[0075] 步骤201：清洗原始的石英玻璃片Ⅱ6表面；

[0076] 步骤202：在所述石英玻璃片Ⅱ6表面涂覆一层光刻胶后曝光、显影，在所述石英玻璃片Ⅱ6上，与所述石英玻璃片Ⅰ1上涂覆的TiO25区域相对应的区域光刻出需要涂覆TiO2凝胶的区域；

[0077] 步骤203：应用提拉法在所述需要涂覆TiO2凝胶的区域应用提拉法涂覆一层TiO2凝胶，该TiO2凝胶可以采用溶胶—凝胶法制取；

[0078] 步骤204：将已涂覆有TiO2凝胶石英玻璃片Ⅱ6放在400℃～600℃的马沸炉中进行烧结，形成如图9所示的涂覆有TiO27的石英玻璃片Ⅱ。

[0079] 步骤30：参见附图8和附图11，在所述石英玻璃片Ⅰ1的凹槽内装设由弹性材质制成的密封圈8，所述密封圈8的厚度大于所述凹槽4、涂覆于所述石英玻璃片Ⅰ1上的TiO25、涂覆于所述石英玻璃片Ⅱ6上的TiO27的厚度之和；

[0080] 步骤40：参见附图11，将所述石英玻璃片Ⅱ6与装设完密封圈8的所述石英玻璃片Ⅰ1相互契合，于所述相对应涂覆的TiO25和7区域之间形成流道11。

[0081] 在进液孔9上连接进液管12，在出液孔10上连接出液管13。

[0082] 应用本发明提供的TiO2光催化消解装置时，在该装置上下两面分别安置紫外光源，如图10和图11所示，含有磷、氮等物质的废水利用进液管12，通过进液口9进入“S”形流道11，最后通过出液口10进入出液管13。由于流道11呈“S”形，废水在其中的流程较长，并且，由于“S”形流道11上下两面均涂覆有TiO2，废水与TiO2发生光催化消解反应的时间较短，效率较大。

[0083] 由于本发明提供的TiO2光催化消解装置可以在其上下面分别用紫外光照射，增加了光照强度；同时，本发明提供的TiO2光催化消解装置能够增大废水与TiO2的接触面积，从而缩短光催化消解时间，提高光催化消解效率。

[0084] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。