本發(fā)明涉及水處理技術領域，特別涉及一種評價可見光驅動下光催化材料水處理性能的裝置及方法。
背景技術：
近年來，相關利用太陽能在催化上的研究一直是科學研究的熱門，尤其作為太陽光總能量中占比最大的可見光。為了能更好地利用太陽能，很多科研人員致力于研制具有可見光響應的光催化材料。具有可見光響應的光催化材料走向產業(yè)化是一種必然趨勢，也必定對解決目前的環(huán)境問題和能源危機產生深遠意義。
目前，可見光響應的光催化材料的研究已取得很大進展，相關的各類污染物的可見光催化研究也已比較成熟。然而，大多的研究卻只是通過實驗室器皿臨時搭建相應的評測裝置進行實驗研究。這樣就造成了兩個問題：一是不同實驗室搭建的評測裝置不同，不方便不同光催化材料之間的光催化性能比較；二是傳統(tǒng)的評測方法評測效率較低，通常只適用于小范圍的實驗室評測，不能用以實際光催化能力的評估。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種評價可見光驅動下光催化材料水處理性能的裝置及方法。本發(fā)明提供的評價可見光驅動下光催化材料水處理性能的裝置使用簡單方便、評測效率高，且能夠用于不同光催化材料之間的光催化性能的比較。
本發(fā)明提供了一種評價可見光驅動下光催化材料水處理性能的裝置，包括水槽、垂直設置于所述水槽上方的樣品固定架、依次平行于所述樣品固定架設置的濾光片放置架和光源、以及水循環(huán)系統(tǒng)；所述濾光片放置架上放置有紫外濾光片；
所述水循環(huán)系統(tǒng)包括入水管、水泵和滴水管；所述入水管的兩端分別與水槽底部和水泵的入水口連通；所述滴水管的一端與水泵的出水口連通，另一端封堵；所述滴水管平行設置于所述樣品固定架正上方，且所述滴水管與樣品固定架相對的側壁上設置有排水孔。
優(yōu)選的，所述樣品固定架包括底部的限位槽，頂部的樣品測試板插入口以及兩側的支撐桿。
優(yōu)選的，所述濾光片放置架與樣品固定架所在平面的距離為3～10cm。
優(yōu)選的，所述光源與樣品固定架所在平面的距離為5～30cm。
優(yōu)選的，所述光源包括平行設置的燈管。
優(yōu)選的，所述滴水管通過輸水管與水泵的出水口連通，所述輸水管上設有流量調節(jié)閥。
優(yōu)選的，所述排水孔與樣品固定架頂部的距離為1～10cm。
優(yōu)選的，所述排水孔的孔徑為1～10mm。
優(yōu)選的，所述排水孔的分布密度為20～500個/m。
本發(fā)明還提供了一種評價可見光驅動下光催化材料水處理性能的方法，使用上述技術方案所述的裝置，包括以下步驟：
(1)將光催化材料置于樣品固定架上，使所述光催化材料具有催化活性的一面面向光源；
(2)在水槽內放置待處理污水，開啟水泵使待處理污水沿入水管流至滴水管，經排水孔流出，再沿待測光催化材料表面流入水槽，實現(xiàn)待處理污水的循環(huán)流動；
(3)打開光源，使光經紫外濾光片照在光催化材料表面進行光催化反應，測定光催化反應前后待處理污水中污染物濃度。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術取得了以下技術效果：
本發(fā)明提供的評價可見光驅動下光催化材料水處理性能的裝置包括水槽、垂直設置于所述水槽上方的樣品固定架、依次平行于所述樣品固定架設置的濾光片放置架和光源、以及水循環(huán)系統(tǒng)；所述濾光片放置架上放置有紫外濾光片；所述水循環(huán)系統(tǒng)包括入水管、水泵和滴水管；所述入水管的兩端分別與水槽底部和水泵的入水口連通；所述滴水管的一端與水泵的出水口連通，另一端封堵；所述滴水管平行設置于所述樣品固定架正上方，且所述滴水管與樣品固定架相對的側壁上設置有排水孔。本發(fā)明采用水槽盛放待處理污水；采用樣品固定架放置待測光催化材料；采用水泵使待處理污水從水槽沿入水管流至滴水管，經排水孔流出沿待測光催化材料表面流入水槽；光源透過紫外濾光片照在光催化材料表面，實現(xiàn)可見光驅動下光催化材料水處理性能的評價。本發(fā)明提供的評價可見光驅動下光催化材料水處理性能的裝置使用簡單方便，無需根據不同光催化樣品進行組裝，評測效率高，且能夠用于不同光催化材料之間的光催化性能的比較。
附圖說明
為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發(fā)明實施例提供的評價可見光驅動下光催化材料水處理性能的裝置的示意圖；
圖中，1為水槽，2為樣品固定架，3為濾光片放置架，4為光源，5為入水管，6為水泵，7為滴水管，8為排水孔，9為限位槽，10為樣品測試板插入口，11為支撐桿，12為輸水管，13為流量調節(jié)閥，14為吹風冷卻裝置，15為紫外濾光片；
圖2為本發(fā)明實施例2中光催化材料降解亞甲基藍的效果圖；
圖3為本發(fā)明實施例3中光催化材料降解亞甲基藍的效果圖。
具體實施方式
本發(fā)明提供了一種評價可見光驅動下光催化材料水處理性能的裝置，包括水槽、垂直設置于所述水槽上方的樣品固定架、依次平行于所述樣品固定架設置的濾光片放置架和光源、以及水循環(huán)系統(tǒng)；所述濾光片放置架上放置有紫外濾光片；所述水循環(huán)系統(tǒng)包括入水管、水泵和滴水管；所述入水管的兩端分別與水槽底部和水泵的入水口連通；所述滴水管的一端與水泵的出水口連通，另一端封堵；所述滴水管平行設置于所述樣品固定架正上方，且所述滴水管與樣品固定架相對的側壁上設置有排水孔。
如圖1所示，本發(fā)明提供的評價可見光驅動下光催化材料水處理性能的裝置包括水槽1。本發(fā)明對所述水槽的形狀和尺寸沒有特殊的限定，根據使用條件進行調整即可。在本發(fā)明中，所述水槽優(yōu)選為長方體；所述水槽的長優(yōu)選為0.3～2m，更優(yōu)選為0.5～1.5m；所述水槽的寬優(yōu)選為0.1～0.8m，更優(yōu)選為0.3～0.6m；所述水槽的高優(yōu)選為0.05～0.5m，更優(yōu)選為0.1～0.3m。在本發(fā)明中，所述水槽用于盛放待處理污水；優(yōu)選的，所述水槽的側壁上設有體積刻度，所述刻度可以控制加水量，記錄總水處理量。
如圖1所示，本發(fā)明提供的評價可見光驅動下光催化材料水處理性能的裝置包括垂直設置于所述水槽1上方的樣品固定架2。本發(fā)明對所述樣品固定架與水槽的距離沒有特殊的限定，根據實際需要進行調整即可。在本發(fā)明中，所述樣品固定架底端與水槽頂部的距離優(yōu)選為0～20cm，更優(yōu)選為5～15cm，最優(yōu)選為8～12cm。
在本發(fā)明的一個實施例中，所述樣品固定架2包括底部的限位槽9，頂部的樣品測試板插入口10以及兩側的支撐桿11。具體的，所述樣品固定架2為方形框架，所述框架的底部為限位槽9，框架的頂部為樣品測試板插入口10，框架的兩側為支撐桿11。本發(fā)明對所述樣品固定架的尺寸沒有特殊的限定，保證水流經樣品后全部落入水槽即可。在本發(fā)明中，所述樣品固定架2用于放置待測光催化材料的樣品；所述樣品由樣品測試板插入口10插入樣品固定架2，通過限位槽9與兩側的支撐桿11固定。
本發(fā)明對所述樣品固定架在水槽上方的固定方式沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的機械固定方式即可。在本發(fā)明的實施例中，所述樣品固定架通過支架固定于水槽上方。本發(fā)明對所述支架固定的方式沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的機械固定方式即可。在本發(fā)明的實施例中，所述固定為焊接固定。
如圖1所示，本發(fā)明提供的評價可見光驅動下光催化材料水處理性能的裝置包括依次平行于所述樣品固定架2設置的濾光片放置架3和光源4。在本發(fā)明中，所述濾光片放置架3與樣品固定架所在平面的距離優(yōu)選為3～10cm，更優(yōu)選為5～8cm，最優(yōu)選為6～7cm。
在本發(fā)明中，所述濾光片放置架上放置有紫外濾光片。在本發(fā)明中，所述紫外濾光片的濾除波長上限優(yōu)選包括380nm、400nm或420nm。在本發(fā)明中，所述紫外濾光片能夠濾除紫外光，得到可見光。在本發(fā)明中，所述濾光片放置架的尺寸優(yōu)選不小于樣品固定架的尺寸，以保證照在樣品上的光都經濾光片過濾。更優(yōu)選的，所述濾光片放置架長于樣品固定架2～5cm，寬于樣品固定架2～5cm。
在本發(fā)明中，所述光源與樣品固定架所在平面的距離優(yōu)選為5～30cm，更優(yōu)選為8～20cm，最優(yōu)選為10～15cm。本發(fā)明對所述光源的種類沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的用于光催化的光源即可。在本發(fā)明的實施例中，所述光源包括平行設置的燈管；所述燈管可具體地包括氙燈、白熾燈、鹵素燈、日光燈、鏑燈、汞燈和led燈中的一種。在本發(fā)明中，所述燈管的瓦數(shù)優(yōu)選為5～2000w，更優(yōu)選為10-1000w，最優(yōu)選為50～500w。本發(fā)明對所述燈管的數(shù)量沒有特殊的限定，根據實際需要進行調整即可。在本發(fā)明中，所述燈管的數(shù)量優(yōu)選為1～200根，更優(yōu)選為5～100根，最優(yōu)選為10～50根。在本發(fā)明的實施例中，當所屬燈管的數(shù)量為3根以上時，所述燈管呈等距均勻分布。
在本發(fā)明的一個實施例中，所述燈管上方設有吹風冷卻裝置14。本發(fā)明對所述吹風冷卻裝置與燈管的距離沒有特殊的限定，根據實際需要進行調整即可。在本發(fā)明中，所述吹風冷卻裝置與燈管的距離優(yōu)選為5～30cm，更優(yōu)選為10～25cm，最優(yōu)選為15～20cm。在本發(fā)明中，所述吹風冷卻裝置用于向燈管吹風，促進燈管散熱。
如圖1所示，本發(fā)明提供的評價可見光驅動下光催化材料水處理性能的裝置包括水循環(huán)系統(tǒng)；所述水循環(huán)系統(tǒng)包括入水管5、水泵6和滴水管7；所述入水管5的兩端分別與水槽底部和水泵6的入水口連通；所述滴水管7的一端與水泵6的出水口連通，另一端封堵；所述滴水管7平行設置于所述樣品固定架2的正上方，且所述滴水管7與樣品固定架2相對的側壁上設置有排水孔8。在本發(fā)明中，所述水循環(huán)系統(tǒng)使待處理污水循環(huán)流動；所述水泵使水槽中的待處理污水經入水管流入滴水管，然后從所述滴水管的排水孔流出，經樣品表面流入水槽。
本發(fā)明對所述滴水管的尺寸沒有特殊的限定，根據實際需要進行調整即可。在本發(fā)明中，所述滴水管的直徑優(yōu)選為1～10cm，更優(yōu)選為1.5～6cm，最優(yōu)選為2～4cm。
在本發(fā)明中，所述排水孔與樣品固定架頂部的距離優(yōu)選為1～10cm，更優(yōu)選為2～8cm，最優(yōu)選為4～6cm。在本發(fā)明中，所述排水孔的孔徑優(yōu)選為1～10mm，更優(yōu)選為2～8mm，最優(yōu)選為4～6mm。在本發(fā)明中，所述排水孔的分布密度優(yōu)選為20～500個/m，更優(yōu)選為50～400個/m，最優(yōu)選為100～300個/m。在本發(fā)明中，所述排水孔保證水流均勻流過待測光催化材料樣品表面。
在本發(fā)明的一個實施例中，所述滴水管7通過輸水管12與水泵6的出水口連通。在本發(fā)明的一個實施例中，所述輸水管12上設有流量調節(jié)閥13。在本發(fā)明中，所述流量調節(jié)閥用于調節(jié)待處理污水的流量，記錄穩(wěn)定循環(huán)的水流量。
本發(fā)明還提供了一種評價可見光驅動下光催化材料水處理性能的方法，使用上述技術方案所述的裝置，包括以下步驟：
(1)將光催化材料置于樣品固定架上，使所述光催化材料具有催化活性的一面面向光源；
(2)在水槽內放置待處理污水，開啟水泵使待處理污水沿入水管流至滴水管，經排水孔流出，再沿待測光催化材料表面流入水槽，實現(xiàn)待處理污水的循環(huán)流動；
(3)打開光源，使光經紫外濾光片照在光催化材料表面進行光催化反應，測定光催化反應前后待處理污水中污染物濃度。
本發(fā)明將光催化材料置于樣品固定架上，使所述光催化材料具有催化活性的一面面向光源。本發(fā)明對所述光催化材料的種類沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的光催化材料即可。在本發(fā)明中，所述光催化材料優(yōu)選為膜狀材料、纖維織物狀材料、板材或片材。在本發(fā)明中，所述光催化材料優(yōu)選由樣品測試板插入口插入樣品固定架，通過限位槽與兩側的支撐桿固定。
光催化材料的放置完成后，本發(fā)明在水槽內放置待處理污水，開啟水泵使待處理污水沿入水管流至滴水管，經排水孔流出，再沿待測光催化材料表面流入水槽，實現(xiàn)待處理污水的循環(huán)流動。本發(fā)明對所述待處理污水的量沒有特殊的限定，根據實際需要進行調整即可。在本發(fā)明中，所述待處理污水的體積優(yōu)選為0.5～500l，更優(yōu)選為1～300l，最優(yōu)選為10～100l。
本發(fā)明對所述待處理污水中污染物的種類沒有特殊的限定，根據實際需要進行選擇即可。在本發(fā)明中，所述待處理污水中的污染物優(yōu)選包括染料、藥物、個人護理用品和有機農藥中的一種或多種。本發(fā)明對所述待處理污水中污染物的濃度沒有特殊的限定，根據實際需要進行選擇即可。在本發(fā)明中，所述待處理污水中污染物的摩爾濃度優(yōu)選為10-6～10-3mol/l，更優(yōu)選為10-5～10-4mol/l。
在本發(fā)明中，所述待處理污水優(yōu)選在水泵的作用下通過輸水管流入滴水管。本發(fā)明優(yōu)選通過流量調節(jié)閥調節(jié)待處理污水的流量。本發(fā)明對所述待處理污水的流量沒有特殊的限定，使水流能夠均勻流過光催化材料表面為準。在本發(fā)明中，所述待處理污水的流量優(yōu)選為0.1～20l/min，更優(yōu)選為0.5～15l/min，最優(yōu)選為1～10l/min。
待處理污水循環(huán)流動后，本發(fā)明打開光源，使光經紫外濾光片照在光催化材料表面進行光催化反應，測定光催化反應前后待處理污水中污染物濃度。本發(fā)明對所述污染物濃度的測定方法沒有特殊的限定，采用本領域技術人員熟知的測定物質濃度的方法即可。在本發(fā)明中，所述污染物濃度的測定優(yōu)選包括紫外可見分光光度計測定法、高效液相色譜分析法、高效液相色譜-質譜聯(lián)用分析法、氣相色譜-質譜聯(lián)用法、化學需氧量測定法、生物需氧量測定法、總有機碳含量測定法和滴定法中的一種或多種。在本發(fā)明中，通過測定一定量待處理污水在光催化反應一段時間前后污染物的濃度，來評價光催化材料的水處理性能。
為了進一步說明本發(fā)明，下面結合實施例對本發(fā)明提供的評價可見光驅動下光催化材料水處理性能的裝置及方法進行詳細地描述，但不能將它們理解為對本發(fā)明保護范圍的限定。
實施例1：
本實施例中評價可見光驅動光催化材料水處理性能的裝置包括水槽、垂直設置于所述水槽上方的樣品固定架、依次平行于所述樣品固定架設置的濾光片放置架和光源、以及水循環(huán)系統(tǒng)；所述濾光片放置架上放置有紫外濾光片；所述水循環(huán)系統(tǒng)包括入水管、水泵和滴水管；所述入水管的兩端分別與水槽底部和水泵的入水口連通；所述滴水管的一端與水泵的出水口連通，另一端封堵；所述滴水管平行設置于所述樣品固定架正上方，且所述滴水管與樣品固定架相對的側壁上設置有排水孔。
水槽上設有液面刻度。樣品固定架為一底部設有限位槽、頂部設有樣品測試板插入口且所在平面與水平面垂直的40cm×50cm方形框架。樣品固定架的一側的濾光片放置架上放置的濾光片為400納米，可濾掉400納米以下的紫外光。
濾光片放置架的另一側設有與其所在平面平行的1根燈管，燈管的兩端分別與樣品固定架兩側邊固定，燈管為500w的氙燈。燈管與樣品固定架所在平面的距離為10cm。燈管上方15cm處設有吹風冷卻裝置。
滴水管與一水泵的輸出口通過輸水管連通，水泵的輸入口與伸入所述水槽底部的入水管連通。輸水管上設有流量調節(jié)閥。滴水管的側壁設有一排與樣品測試板插入口相對應的排水孔。排水孔的孔徑為5mm，孔的分布密度為100個/米。
實施例2：
使用實施例1中的裝置，對負載2wt％石墨相氮化碳的光催化無紡布進行水處理性能評價：
截取測試板大小的光催化材料，夾持固定于測試板上，具有催化活性的一面面向燈管；
水槽內放置2×10-5mol/l濃度的亞甲基藍水溶液5l，開啟水泵及調節(jié)流量調節(jié)閥至8l/min，滴水管均勻將水流至樣品測試板上并順著其表面流下；
待流速穩(wěn)定后，接通燈管，取樣，通過紫外可見分光光度計測定光催化反應一定時間前后的污染物含量，得到降解效果隨時間變化曲線如圖2所示。圖2用于評價負載2wt％石墨相氮化碳的光催化無紡布在可見光驅動下的水處理性能。
實施例3：
將實施例1中的評價裝置中的濾光片更換為420nm，濾掉420納米以下的紫外光，對負載2wt％氮摻雜二氧化鈦的光催化無紡布進行水處理性能評價：
截取測試板大小的該光催化材料，夾持固定于測試板上，具有催化活性的一面面向燈管；
水槽內放置2×10-5mol/l濃度的亞甲基藍水溶液7l，開啟水泵及調節(jié)流量調節(jié)閥至8l/min，均勻將水流至樣品測試板上并順著其表面流下；
待流速穩(wěn)定后，接通燈管，取樣，通過紫外可見分光光度計測定光催化反應一定時間前后的污染物含量，得到降解效果隨時間變化曲線如圖3所示。圖3用于評價負載2wt％氮摻雜二氧化鈦的光催化無紡布在可見光驅動下的水處理性能。
實施例4：
將實施例1中的評價裝置中的燈管更換為100w的白熾燈，濾光片更換為380nm，濾掉380納米以下的紫外光，對負載3wt％的石墨相氮化碳的光催化泡沫鎳進行水處理性能評價：
截取測試板大小的該光催化材料，夾持固定于測試板上，具有催化活性的一面面向燈管；
水槽內放置2×10-5mol/l濃度的亞甲基藍水溶液3l，開啟水泵及調節(jié)流量調節(jié)閥至8l/min，均勻將水流至樣品測試板上并順著其表面流下；
待流速穩(wěn)定后，接通燈管，取樣，通過紫外可見分光光度計測定光催化反應一定時間前后的污染物含量，經測定得6.5小時的降解率達89％。
實施例5：
將實施例1中的評價裝置中的燈管更換為300w的氙燈，濾光片更換為380nm，濾掉380納米以下的紫外光，對負載3wt％的石墨相氮化碳的光催化纖維網進行水處理性能評價：
截取測試板大小的該光催化材料，夾持固定于測試板上，具有催化活性的一面面向燈管；
水槽內放置2×10-5mol/l濃度的磺胺氯噠嗪水溶液4l，開啟水泵及調節(jié)流量調節(jié)閥至8l/min，均勻將水流至樣品測試板上并順著其表面流下；
待流速穩(wěn)定后，接通燈管，取樣，通過紫外可見分光光度計測定光催化反應一定時間前后的污染物含量，經測定得3wt％的石墨相氮化碳的光催化纖維網15小時的降解率達91％。
實施例6：
采用實施例1中的評價裝置對負載3wt％的石墨相氮化碳的光催化纖維網進行水處理性能評價：
截取測試板大小的該光催化材料，夾持固定于測試板上，具有催化活性的一面面向燈管；
水槽內放置2×10-5mol/l濃度的羅丹明b水溶液5l，開啟水泵及調節(jié)流量調節(jié)閥至8l/min，均勻將水流至樣品測試板上并順著其表面流下；
待流速穩(wěn)定后，接通燈管，取樣，通過紫外可見分光光度計測定光催化反應一定時間前后的污染物含量，經測定得7.5小時的降解率達94％。
從以上實施例可以看出，本發(fā)明提供的評價可見光驅動下光催化材料水處理性能的裝置使用簡單方便，無需根據不同光催化樣品進行組裝，評測效率高，且能夠用于不同光催化材料之間的光催化性能的比較。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。