光電催化氧化處理水中有機(jī)物的裝置
專利匯可以提供光電催化氧化處理水中有機(jī)物的裝置專利檢索，專利查詢，專利分析的服務(wù)。并且一種光電催化 氧 化處理 水 中有機(jī)物的裝置，屬于環(huán)境化工光催化氧化 水處理 技術(shù)領(lǐng)域。具體來說是一種 流化床 光電催化有機(jī)水處理裝置。該反應(yīng)裝置主要由 鈦 基氧化物 陽(yáng)極 6、空氣氧 電極 陰極 7、TiO2/C流化顆粒8、紫外燈 光源 9、 恒電位儀 直流電源10、空氣分布板3、殼體11等構(gòu)成。此裝置不僅利用陽(yáng)極的氧化作用、空氣氧電極陰極的還原作用，而且利用 電場(chǎng) 所產(chǎn)生的·OH、H2O2、OH-等活性基團(tuán)與光、光催化發(fā)生協(xié)同作用，在TiO2流化顆粒的劇烈擾動(dòng)下深入床層內(nèi)部，使體系的·OH濃度提高并趨于均勻，同時(shí)流化床顆粒表面的TiO2在光照下也在源源不斷產(chǎn)生·OH，且TiO2顆粒表面不斷更新，反應(yīng)體系有機(jī)協(xié)調(diào)，降解反應(yīng)全面展開。這一新穎反應(yīng)裝置高效、快速適合含較高濃度、難降解有機(jī)污染物的處理，不產(chǎn)生二次污染，也可將多個(gè)反應(yīng)裝置 串聯(lián) 使用，機(jī)動(dòng)靈活。，下面是光電催化氧化處理水中有機(jī)物的裝置專利的具體信息內(nèi)容。
1光電催化氧化處理水中有機(jī)物的裝置，是一種主要用于流化床光電催化有機(jī)水處理體系的反應(yīng)裝置，其特征在于它是由鈦基氧化物TiO2/SnO2/Ti陽(yáng)極(6)、空氣氧電極陰極(7)、TiO2/C流化顆粒(8)、紫外燈光源(9)、恒電位儀直流電源(10)、空氣分布板(3)、殼體(11)、廢水入口(4)、廢水出口(5)、空氣入口(1)、顆粒填充物(2)、絲網(wǎng)板(12)構(gòu)成；整體多孔空氣分布板(3)位于裝置的下部，其與殼體構(gòu)成一空氣分配室，空氣分配室內(nèi)裝有顆粒填充物(2)，該空氣分配室有一空氣入口(1)與外部相通；空氣氧電極陰極(7)與鈦基氧化物陽(yáng)極(6)相對(duì)而立且各自靠近裝置的器壁；紫外燈光源(9)置于陰陽(yáng)極之間，也就是裝置的中間；空氣氧電極和鈦基氧化物電極上分別有電接頭與恒電位儀直流電源(10)相連接，電極室上部放置一防止TiO2/C光催化顆粒帶出器外的絲網(wǎng)板(12)。
2按照權(quán)利要求1所述的光電催化氧化處理水中有機(jī)物的裝置，其特征是所述的陰電極為空氣氧電極陰極(7)，它是由催化層和導(dǎo)電骨架構(gòu)成，催化層由活性炭、金屬氧化物、石墨粉和聚四氟乙烯組成，其中金屬氧化物為TiO2、ZnO、MnO2的一種或它們的結(jié)合，催化層中活性炭含量70-85％，金屬氧化物含量2-10％，石墨粉含量5-15％，聚四氟乙烯含量5-10％；導(dǎo)電骨架為鎳網(wǎng)或渡銀銅網(wǎng)。
3按照權(quán)利要求1所述的光電催化氧化處理水中有機(jī)物的裝置，其特征是陰陽(yáng)兩電極之間的距離為4-15cm。
4按照權(quán)利要求1所述的光電催化氧化處理水中有機(jī)物的裝置，其特征是紫外燈光源的波長(zhǎng)為254nm。
5按照權(quán)利要求1所述的光電催化氧化處理水中有機(jī)物的裝置，其特征是所用的TiO2/C流化顆粒(8)的粒徑為1～2mm。
6按照權(quán)利要求1所述的光電催化氧化處理水中有機(jī)物的裝置，其特征是空氣分布板(3)為陶瓷材料，其內(nèi)孔徑為15～50μm。
7按照權(quán)利要求1所述的光電催化氧化處理水中有機(jī)物的裝置，其特征是電極室上部放置的絲網(wǎng)板(12)的網(wǎng)孔小于TiO2/C流化顆粒的粒徑。
光電催化氧化處理水中有機(jī)物的裝置
技術(shù)領(lǐng)域
技術(shù)背景20世紀(jì)中葉以來，隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，產(chǎn)生了大量的自然界不曾存在的非生命有機(jī)物，其中多數(shù)為難降解有機(jī)物，對(duì)生態(tài)環(huán)境與人類生存構(gòu)成極大威脅。
光激活半導(dǎo)體(通常使用TiO2)價(jià)帶上的光生空穴(Fujishima?A，Honda?K，Nature，1972，238：37～38；Matthews?R.W.J.Catal.1988，111：264-272；Ollis?D?F，Al-Ekabi?H.Amsterdam：Elsevier，1993)，在水中產(chǎn)生氧化能力極強(qiáng)的·OH自由基(標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)2.80eV)，可使水中難于降解的有機(jī)污染物完全礦化，且對(duì)作用物幾乎無選擇性，降解過程可在常溫常壓下進(jìn)行，加之該法毋須添加化學(xué)試劑，無二次污染，故成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外水凈化技術(shù)的研究前沿和開發(fā)熱點(diǎn)。
迄今為止，大量研究揭示出該過程的主要問題之一是量子效率太低，反應(yīng)速率不高。近年來有研究者從光源的合理利用、納米TiO2的制備與摻雜、TiO2固定化等方面進(jìn)行了大量研究，還有采用電化學(xué)輔助的光催化方法，或稱光電催化方法阻止光生電子和空穴發(fā)生簡(jiǎn)單復(fù)合以提高量子效率(Vinodgopal?K，Hotchandani?S?and?Kamat?P?V.J.Phys.Chem.，1993，97(26)：9040-9044；KesselmanJ?M，Lewis?N?S?and?Hoffmann.Environ.Sci.Technol.，1997，31(8)：2298-2305；樊彩梅，孫彥平.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，31(5)：525-527，531)。總的來說基于二氧化鈦的光催化技術(shù)適合于凈化低和/或微污染介質(zhì)(張彭義，余剛，蔣展鵬.環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1998，6(5)：50-56)。
在以往的研究中人們多注重TiO2光陽(yáng)極對(duì)過程量子效率提高的促進(jìn)作用，而對(duì)光電化學(xué)過程陰極的貢獻(xiàn)未引起足夠的重視，致使過程總的反應(yīng)速率得不到提高。近年來有人將空氣氧電極陰極引入到電光化學(xué)體系(蔡乃才，王亞平，王鄂鳳等.應(yīng)用化學(xué)，1999，16(2)：87-89；Tomas?Harrington，Derek?Pletcher.J.ofthe?Electrochem.Society，1999，146(8)：2983-2989)，取得了一些進(jìn)展，但傳質(zhì)問題依然存在，過程反應(yīng)速率還有待提高。
流化床光電催化反應(yīng)裝置利用TiO2/C作為流化顆粒，既能解決光催化劑與水分離困難的問題，同時(shí)利用流化顆粒的劇烈擾動(dòng)使溶液濃度趨于均勻，顆粒表面的傳質(zhì)膜厚度得到有效降低，從而提供巨大的電極活化面積和傳質(zhì)速率以提高光催化量子效率。這樣空氣氧電極陰極還原反應(yīng)產(chǎn)生的H2O2、·OH、OH-等活性基團(tuán)與鈦基氧化物陽(yáng)極氧化反應(yīng)產(chǎn)生的·OH在TiO2流化顆粒的劇烈擾動(dòng)下能深入床層內(nèi)部，使體系的·OH濃度趨于均勻，同時(shí)流化床顆粒表面的TiO2在光照下也在源源不斷產(chǎn)生·OH，且TiO2顆粒表面不斷更新，反應(yīng)體系有機(jī)協(xié)調(diào)，降解反應(yīng)全面展開，使這一新穎反應(yīng)裝置高效、快速適合含較高濃度有機(jī)污染物，特別是含難降解有機(jī)物、毒性抑制物廢水(醫(yī)院污水)的處理。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明光電催化氧化處理水中有機(jī)物的裝置，是一種主要用于流化床光電催化有機(jī)水處理體系的反應(yīng)裝置，它是由鈦基氧化物TiO2/SnO2/Ti陽(yáng)極6、空氣氧電極陰極7、TiO2/C流化顆粒8、紫外燈光源9、恒電位儀直流電源10、空氣分布板3、殼體11、廢水入口4、廢水出口5、空氣入口1、顆粒填充物2、絲網(wǎng)板12構(gòu)成；整體多孔空氣分布板3位于裝置的下部，其與殼體構(gòu)成一空氣分配室，空氣分配室內(nèi)裝有顆粒填充物2，該空氣分配室有一空氣入口1與外部相通；空氣氧電極陰極7與鈦基氧化物陽(yáng)極6相對(duì)而立且各自靠近裝置的器壁；紫外燈光源9置于陰陽(yáng)極之間，也就是裝置的中間；空氣氧電極和鈦基氧化物電極上分別有電接頭與恒電位儀直流電源10相連接，電極室上部放置一防止TiO2/C光催化顆粒帶出器外的絲網(wǎng)板12。
如上所述的陰電極為空氣氧電極陰極7，它是由催化層和導(dǎo)電骨架構(gòu)成，催化層由活性炭、金屬氧化物、石墨粉和聚四氟乙烯組成，其中金屬氧化物為TiO2、ZnO或MnO2的一種或它們的結(jié)合，催化層中活性炭含量70-85％，金屬氧化物含量2-10％，石墨粉含量5-15％，聚四氟乙烯含量5-10％；導(dǎo)電骨架為鎳網(wǎng)或渡銀銅網(wǎng)。
如上所述的陰陽(yáng)兩電極之間的距離為4-15cm。
如上所述的紫外燈光源的波長(zhǎng)為254nm。
如上所述的TiO2/C流化顆粒8的粒徑為1～2mm；空氣分布板3為陶瓷材料，其內(nèi)孔徑為15～50μm；電極室上部放置的絲網(wǎng)板12的網(wǎng)孔小于TiO2/C流化顆粒的粒徑。
上述本發(fā)明光電催化氧化處理水中有機(jī)物的裝置可在殼體下部設(shè)置進(jìn)水口，上部設(shè)置出水口，以便于連續(xù)處理有機(jī)廢水。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)水中有機(jī)物處理的過程是：含有機(jī)物廢水從進(jìn)水口送入到該光電化學(xué)反應(yīng)裝置，加入TiO2/C流化顆粒，與此同時(shí)啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)從空氣入口鼓入壓縮空氣，并調(diào)節(jié)空氣流量。其次打開紫外燈，接通直流電源，在紫外光及電場(chǎng)的聯(lián)合作用下，有機(jī)污染物被氧化降解成無毒無害的CO2、H2O、無機(jī)離子等。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為：將流化床光催化反應(yīng)器與電化學(xué)反應(yīng)器合二為一，不僅使反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)緊湊和合理，更重要的是電化學(xué)反應(yīng)和光催化反應(yīng)能有機(jī)結(jié)合，源源不斷產(chǎn)生所需的強(qiáng)氧化性·OH自由基，而且此種反應(yīng)裝置反應(yīng)、傳質(zhì)非常協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)高效降解水中有機(jī)物。具體優(yōu)點(diǎn)為：1)陽(yáng)極有兩大作用：其一，捕獲光生電子，生產(chǎn)·OH；其二，直接電化學(xué)氧化水中有機(jī)污染物。
2)空氣氧電極有兩大作用：生產(chǎn)H2O2、OH-及新生態(tài)的氧。
3)空氣氧電極與光聯(lián)合作用生產(chǎn)·OH，4)TiO2流化顆粒的作用：①?gòu)?fù)極子，每個(gè)顆粒本身就是一個(gè)微電池，進(jìn)行氧化-還原反應(yīng)；②富集有機(jī)物和O2；③生產(chǎn)·OH且與空氣氧電極聯(lián)合生產(chǎn)·OH，；④消除傳質(zhì)的影響。
因此，本發(fā)明能快速?gòu)氐兹コ杏袡C(jī)物，且毋須添加化學(xué)試劑，無二次污染，無固液分離問題，處理效率高，是一全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)進(jìn)行有機(jī)水處理的裝置。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的光電催化氧化處理水中有機(jī)物的反應(yīng)器的一種具體實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明光電催化反應(yīng)器的一個(gè)縱向結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
圖中的標(biāo)號(hào)為：1空氣入口，2顆粒填充物，3空氣分布板，4廢水入口，5廢水出口，6鈦基氧化物陽(yáng)極，7空氣氧電極陰極，8TiO2/C流化顆粒，9紫外燈光源，10恒電位儀直流電源，11反應(yīng)器殼體，12絲網(wǎng)板。
具體實(shí)施方式
對(duì)苯酚水溶液進(jìn)行處理。設(shè)置條件為：15W紫外燈光源，TiO2/C光催化流化顆粒的粒度1mm，P25?TiO2的濃度1.0g/L，空氣流量為0.3m3/h，TiO2/SnO2/Ti為陽(yáng)極，空氣氧電極為陰極，陰陽(yáng)兩電極之間距離5cm，電極面積20cm2，電流密度15mA/cm2。經(jīng)過1小時(shí)的光電催化反應(yīng)，50mg/L，120mL苯酚水溶液COD的去除率為95.6％。
實(shí)施方式2按實(shí)施方式1的裝置結(jié)構(gòu)和處理過程，對(duì)水溶性腐殖酸溶液進(jìn)行處理。設(shè)置條件為：15W紫外燈光源，TiO2/C光催化流化顆粒的粒度1.5mm，P25?TiO2的濃度1.5g/L，空氣流量為0.5m3/h，TiO2/SnO2/Ti為陽(yáng)極，空氣氧電極為陰極，陰陽(yáng)兩電極之間距離8cm，電極面積20cm2，電流密度15mA/cm2。經(jīng)過1小時(shí)的光電催化反應(yīng)，20mg/L，120mL水溶性腐殖酸溶液COD的去除率為86.2％，脫色率100％。
實(shí)施方式3按實(shí)施方式1的裝置結(jié)構(gòu)和處理過程，對(duì)甲酸水溶液進(jìn)行處理。設(shè)置條件為：15W紫外燈光源，TiO2/C光催化流化顆粒的粒度2mm，P25?TiO2的濃度0.8g/L，空氣流量為0.6m3/h，TiO2/SnO2/Ti為陽(yáng)極，空氣氧電極為陰極，陰陽(yáng)兩電極之間距離15cm，電極面積20cm2，電流密度15mA/cm2。經(jīng)過1小時(shí)的光電催化反應(yīng)，460mg/L，120mL甲酸水溶液COD的去除率為96.8％，脫色率100％。
實(shí)施方式4按實(shí)施方式1中的裝置結(jié)構(gòu)、處理過程和設(shè)置條件，將同樣的兩個(gè)裝置串聯(lián)起來對(duì)苯酚水溶液進(jìn)行處理。
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