專利名稱：可見光增強電催化降解有機廢水的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光催化技術(shù)處理有機廢水技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可見光增強電催化降解有機廢水的裝置及方法。
背景技術(shù)：
隨著我國工業(yè)的發(fā)展，有機廢水的排放量日益增加，光催化氧化技術(shù)是有機廢水處理的新技術(shù)、新方法。光催化氧化技術(shù)是在污染體系中投加一定量的光敏半導(dǎo)體材料，同時結(jié)合一定量的光輻射，使光敏半導(dǎo)體在光的照射下激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對，吸附在半導(dǎo)體上的溶解氧、水分子等與電子-空穴作用，產(chǎn)生· HO等氧化性極強的自由基，再通過與有 機污染物之間的羥基加和、取代、電子轉(zhuǎn)移等使有機污染物全部或接近全部礦化降解。但是光催化氧化技術(shù)在實際應(yīng)用中存在諸多的不足及制約因素目前主要使用的光催化劑是二氧化鈦，二氧化鈦的禁帶寬度為3. 2ev,由于光激發(fā)的能量需要大于或等于禁帶，因此需要高能量的紫外光激發(fā)；光激發(fā)所產(chǎn)生的電子-空穴對極易復(fù)合，光催化的量子效率很低(一般小于0.1%);有機物分子需要吸附在光催化劑表面進行反應(yīng)，而有機廢水中有機物種類復(fù)雜，現(xiàn)有的光催化劑選擇吸附性差。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種可見光增強電催化降解有機廢水的裝置及方法，實現(xiàn)可見光光催化，并且可以選擇性吸附有機物分子，實現(xiàn)選擇性光催化。本發(fā)明公開了一種可見光增強電催化降解有機廢水的裝置，包括有機廢水容器、光電陽極、陰極和直流電源，所述有機廢水容器上設(shè)有入水口和出水口，所述光電陽極和陰極位于有機廢水容器內(nèi)，所述光電陽極包括導(dǎo)電基底和安裝在導(dǎo)電基底上的硅片，硅片緊貼導(dǎo)電基底的一面設(shè)有金屬鍍層，另一面設(shè)有微米或納米孔道，所述光電陽極的導(dǎo)電基底與直流電源的正極連接，所述陰極與直流電源的負極連接。進一步，所述導(dǎo)電基底上設(shè)有固定槽，所述硅片與固定槽可拆卸式連接。進一步，所述硅片的孔道孔徑范圍為20ηπΓ 5 μ m。進一步，所述陰極為導(dǎo)電玻璃陰極。進一步，所述光電陽極和陰極分別位于有機廢水容器的背面和正面。進一步，所述有機廢水容器的頂部設(shè)有攪拌裝置。進一步，所述有機廢水容器的底部設(shè)有曝氣裝置，所述曝氣裝置通過管道與送氣裝置連通。本發(fā)明還公開了使用上述裝置降解有機廢水的方法，以可見光照射所述光電陽極激發(fā)光電子和空穴，同時通過直流電源對光電陽極施加電壓，使光電陽極在電場偏壓協(xié)同作用下進行光催化降解有機廢水。進一步，根據(jù)需要優(yōu)先選擇吸附的目標污染物的尺寸大小，在所述光電陽極上設(shè)置具有相應(yīng)孔道孔徑的硅片。
進一步，所述可見光為太陽光，直流電源對光電陽極施加的電壓在1.2V以下，降解有機廢水時對廢水進行攪拌，攪拌速度為50(T2000 r/min。本發(fā)明的有益效果在于
I)本發(fā)明在光電陽極上設(shè)置硅片作為催化基材，硅屬于半導(dǎo)體，帶寬小，僅I. lev，電化學(xué)修飾后為最大帶隙2. lev,均在可見光范圍內(nèi)即有吸收，可見光照射后即能激發(fā)光電子和空穴，進行光催化降解，因此，本發(fā)明采用可見光替代傳統(tǒng)的紫外線激發(fā)光電子和空穴，實現(xiàn)了可見光光催化；
2 )本發(fā)明同時對光電陽極施加電壓，加強了光電陽極對有機廢水中有機粒子的吸附作用，達到了光電協(xié)同降解有機廢水的目的；另外，硅半導(dǎo)體中的電子在電場驅(qū)動下轉(zhuǎn)移更 快，整個體系的能量傳輸率提高，提高了反應(yīng)體系的催化效率；
3)本發(fā)明中使用的硅片表面設(shè)有微米或納米孔道，而硅片表面的這種幾何形貌結(jié)構(gòu)就充當(dāng)了分子篩的作用，不同孔道孔徑的硅片可以選擇性吸附不同尺寸大小的有機物分子，實現(xiàn)了選擇性光催化。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，其中
圖I為本發(fā)明的可見光增強電催化降解有機廢水的裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖2為本發(fā)明實施例I中采用電化學(xué)陽極氧化方法制備的硅表面形貌場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)照片；
圖3為本發(fā)明實施例I中采用電化學(xué)陽極氧化方法制備的硅表面微米孔道場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)照片；
圖4為本發(fā)明中采用的硅半導(dǎo)體材料的光/暗電流電化學(xué)循環(huán)伏安(CV)對比圖。
具體實施例方式以下將參照附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。實施例I
圖I為本發(fā)明的可見光增強電催化降解有機廢水的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，本實施例的可見光增強電催化降解有機廢水的裝置，包括有機廢水容器I、光電陽極、陰極2和直流電源3，所述有機廢水容器I上設(shè)有入水口 4和出水口 5，所述光電陽極和陰極2位于有機廢水容器I內(nèi)，所述光電陽極包括導(dǎo)電基底6和安裝在導(dǎo)電基底6上的娃片7,娃片7緊貼導(dǎo)電基底6的一面設(shè)有金屬鍍層，另一面設(shè)有微米孔道，所述光電陽極的導(dǎo)電基底6與直流電源3的正極連接，所述陰極2與直流電源3的負極連接。本實施例中，所述導(dǎo)電基底6上設(shè)有固定槽，所述硅片7與固定槽可拆卸式連接，方便更換硅片7 ;導(dǎo)電基底6可以為金屬板，如不銹鋼板、鎳板、銅板等。本實施例中，所述陰極2為導(dǎo)電玻璃陰極；所述光電陽極和陰極2分別位于有機廢水容器I的背面和正面。本實施例中，所述有機廢水容器I的頂部設(shè)有攪拌裝置8 ;所述有機廢水容器I的底部設(shè)有曝氣裝置9，所述曝氣裝置9通過管道與送氣裝置10連通。
本實施例中，硅片7 —面的金屬鍍層是采用真空離子鍍將金屬鋁均勻鍍于硅片的表面，硅片7另一面的微米孔道是采用電化學(xué)陽極氧化方法制備的，具體制備過程為將硅片夾于有O圈設(shè)計的單面陽極氧化反應(yīng)器中，倒入體積比為1:7:10的氫氟酸、過氧化氫和無水乙醇混合反應(yīng)液，鉬電極為對電極，構(gòu)成兩電極電化學(xué)反應(yīng)體系，電流密度50mA/cm2，氧化陽極時間為20分鐘，形成的孔道孔徑約為I μ m，其微觀照片圖2和圖3所示。通過控制電化學(xué)陽極氧化過程中的反應(yīng)時間、催化劑濃度和電流密度，可制備不同孔道孔徑的硅片，控制孔道孔徑從納米級到微米級(20ηπΓ 5 μ m),實現(xiàn)選擇性吸附。使用本實施例的裝置降解有機廢水的方法，以可見光照射所述光電陽極激發(fā)光電子和空穴，同時通過直流電源對光電陽極施加電壓，使光電陽極在電場偏壓協(xié)同作用下進行光催化降解有機廢水。降解模擬廢水為濃度O. 2M · Γ1苯酚和O. 2M · Γ1四乙酸二氨基乙烯的混合物，光照條件為太陽光，直流電源對光電陽極施加的電壓為O. 8V，降解有機廢水時對廢水進行攪拌，攪拌速度為1000 r/min，反應(yīng)時間lh，四乙酸二氨基乙烯降解效率93%，苯酚降解效率 85%。實施例2
本實施例的可見光增強電催化降解有機廢水的裝置與實施例I的區(qū)別在于硅片7 —面的金屬鍍層是采用真空離子鍍將金屬鋁均勻鍍于硅片的表面，硅片7另一面的納米孔道是采用電化學(xué)陽極氧化方法制備的，具體制備過程為將硅片夾于有O圈設(shè)計的單面陽極氧化反應(yīng)器中，倒入體積比為1:7:6的氫氟酸、過氧化氫和無水乙醇混合反應(yīng)液，鉬電極為 對電極，構(gòu)成兩電極電化學(xué)反應(yīng)體系，電流密度30mA/cm2，氧化陽極時間為3分鐘，形成的孔道孔徑約為20nm。使用本實施例的裝置降解有機廢水的方法與實施例I相同，降解模擬廢水為濃度O. 2M · L-1苯酚和O. 2M · L-1六氯聯(lián)苯的混合物，光照條件為太陽光，直流電源對光電陽極施加的電壓為O. 8V，降解有機廢水時對廢水進行攪拌，攪拌速度為1000 r/min，反應(yīng)時間lh，苯酚降解效率92%，六氯聯(lián)苯降解效率76%。實施例3
本實施例的可見光增強電催化降解有機廢水的裝置與實施例I的區(qū)別在于硅片7 —面的金屬鍍層是采用真空離子鍍將金屬鋁均勻鍍于硅片的表面，硅片7另一面的納米孔道是采用電化學(xué)陽極氧化方法制備的，具體制備過程為將硅片夾于有O圈設(shè)計的單面陽極氧化反應(yīng)器中，倒入體積比為1:10:6的氫氟酸、過氧化氫和無水乙醇混合反應(yīng)液，鉬電極為對電極，構(gòu)成兩電極電化學(xué)反應(yīng)體系，電流密度40mA/cm2，氧化陽極時間為5分鐘，形成的孔道孔徑約為200nm。使用本實施例的裝置降解有機廢水的方法與實施例I相同，降解模擬廢水為濃度O. 2M -L-1六氯聯(lián)苯，光照條件為太陽光，直流電源對光電陽極施加的電壓為I. 2V，降解有機廢水時對廢水進行攪拌，攪拌速度為600 r/min，反應(yīng)時間lh，六氯聯(lián)苯降解效率92%。實施例4
本實施例的可見光增強電催化降解有機廢水的裝置與實施例I的區(qū)別在于硅片7 —面的金屬鍍層是采用真空離子鍍將金屬鋁均勻鍍于硅片的表面，硅片7另一面的納米孔道是采用電化學(xué)陽極氧化方法制備的，具體制備過程為將硅片夾于有O圈設(shè)計的單面陽極氧化反應(yīng)器中，倒入體積比為1:7:6的氫氟酸、過氧化氫和無水乙醇混合反應(yīng)液，鉬電極為對電極，構(gòu)成兩電極電化學(xué)反應(yīng)體系，電流密度30mA/cm2，氧化陽極時間為3分鐘，形成的孔道孔徑約為20nm。使用本實施例的裝置降解有機廢水的方法與實施例I相同，降解模擬廢水為濃度O. SM -L-1苯酚，光照條件為太陽光，直流電源對光電陽極施加的電壓為O. 8V，降解有機廢水時對廢水進行攪拌，攪拌速度為800 r/min,反應(yīng)時間2h，苯酚降解效率97%。本發(fā)明在光電陽極上設(shè)置硅片作為催化基材，硅屬于半導(dǎo)體，帶寬小，僅I. lev,電化學(xué)修飾后為最大帶隙2. lev,均在可見光范圍內(nèi)即有吸收，可見光照射后即能激發(fā)光電子和空穴，進行光催化降解，因此，本發(fā)明采用可見光替代傳統(tǒng)的紫外線激發(fā)光電子和空穴，實現(xiàn)了可見光光催化。本發(fā)明同時對光電陽極施加電壓，加強了光電陽極對有機廢水中有機粒子的吸附作用，達到了光電協(xié)同降解有機廢水的目的；另外，硅半導(dǎo)體中的電子在電場驅(qū)動下轉(zhuǎn)移更快，整個體系的能量傳輸率提高(如圖4所示，光電流較暗電流增加了 80倍，證明在可見光 照射下，電子轉(zhuǎn)移的能量提高了 80倍)，提高了反應(yīng)體系的催化效率。本發(fā)明中使用的硅片表面設(shè)有微米或納米孔道，而硅片表面的這種幾何形貌結(jié)構(gòu)就充當(dāng)了分子篩的作用，不同孔道孔徑的硅片可以選擇性吸附不同尺寸大小的有機物分子，根據(jù)需要優(yōu)先選擇吸附的目標污染物的尺寸大小，在光電陽極上設(shè)置具有相應(yīng)孔道孔徑的硅片，實現(xiàn)了選擇性光催化。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過參照本發(fā)明的優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了描述，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細節(jié)上對其做出各種各樣的改變，而不偏離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種可見光增強電催化降解有機廢水的裝置，其特征在于包括有機廢水容器(I)、光電陽極、陰極(2)和直流電源(3)，所述有機廢水容器(I)上設(shè)有入水口(4)和出水口(5)，所述光電陽極和陰極(2)位于有機廢水容器(I)內(nèi)，所述光電陽極包括導(dǎo)電基底(6)和安裝在導(dǎo)電基底(6)上的娃片(7),娃片(7)緊貼導(dǎo)電基底(6)的一面設(shè)有金屬鍍層,另一面設(shè)有微米或納米孔道，所述光電陽極的導(dǎo)電基底(6)與直流電源(3)的正極連接，所述陰極(2)與直流電源(3)的負極連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可見光增強電催化降解有機廢水的裝置，其特征在于所述導(dǎo)電基底(6 )上設(shè)有固定槽，所述硅片(7 )與固定槽可拆卸式連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可見光增強電催化降解有機廢水的裝置，其特征在于所述硅片(7)的孔道孔徑范圍為20nnTl5iim。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可見光增強電催化降解有機廢水的裝置，其特征在于所述陰極(2)為導(dǎo)電玻璃陰極。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可見光增強電催化降解有機廢水的裝置，其特征在于所述光電陽極和陰極(2 )分別位于有機廢水容器(I)的背面和正面。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可見光增強電催化降解有機廢水的裝置，其特征在于所述有機廢水容器(I)的頂部設(shè)有攪拌裝置(8)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可見光增強電催化降解有機廢水的裝置，其特征在于所述有機廢水容器(I)的底部設(shè)有曝氣裝置(9 )，所述曝氣裝置(9 )通過管道與送氣裝置(10 )連通。
8.使用權(quán)利要求I至7任意一項所述的裝置降解有機廢水的方法，其特征在于以可見光照射所述光電陽極激發(fā)光電子和空穴，同時通過直流電源(3 )對光電陽極施加電壓，使光電陽極在電場偏壓協(xié)同作用下進行光催化降解有機廢水。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的降解有機廢水的方法，其特征在于根據(jù)需要優(yōu)先選擇吸附的目標污染物的尺寸大小，在所述光電陽極上設(shè)置具有相應(yīng)孔道孔徑的硅片(7)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的降解有機廢水的方法，其特征在于所述可見光為太陽光，直流電源(3)對光電陽極施加的電壓在I. 2V以下，降解有機廢水時對廢水進行攪拌，攪拌速度為 500 2000 r/min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可見光增強電催化降解有機廢水的裝置及方法；本發(fā)明的裝置包括有機廢水容器、光電陽極、陰極和直流電源，所述有機廢水容器上設(shè)有入水口和出水口，所述光電陽極和陰極位于有機廢水容器內(nèi)，所述光電陽極包括導(dǎo)電基底和安裝在導(dǎo)電基底上的硅片，硅片緊貼導(dǎo)電基底的一面設(shè)有金屬鍍層，另一面設(shè)有微米或納米孔道，所述光電陽極的導(dǎo)電基底與直流電源的正極連接，所述陰極與直流電源的負極連接；本發(fā)明的使用上述裝置降解有機廢水的方法，以可見光照射所述光電陽極激發(fā)光電子和空穴，同時通過直流電源對光電陽極施加電壓，使光電陽極在電場偏壓協(xié)同作用下進行光催化降解有機廢水。本發(fā)明實現(xiàn)了可見光光催化和選擇性光催化。
文檔編號C02F1/72GK102730788SQ20121023878
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月11日
發(fā)明者喬雷, 張勝濤, 暢航 申請人:重慶三眾環(huán)保投資顧問有限公司