申請(qǐng)日2016.05.31

　　公開(kāi)(公告)日2016.08.10

　　IPC分類號(hào)C02F1/32; C02F1/72; C02F101/38

　　摘要

　　間歇式光催化能量收集反應(yīng)器及利用其處理廢水的方法，涉及一種光催化反應(yīng)器及利用其處理廢水的方法。是要解決現(xiàn)有光催化處理廢水的方法光催化降解有機(jī)物效率低的問(wèn)題。該反應(yīng)器包括殼體、陽(yáng)極室、陰極室、質(zhì)子交換膜、光陽(yáng)極、石英玻璃、攪拌裝置、對(duì)電極、電容和轉(zhuǎn)換器，殼體中間設(shè)有質(zhì)子交換膜，殼體上位于陽(yáng)極室一端設(shè)有光陽(yáng)極，位于陰極室一端設(shè)有對(duì)電極，光陽(yáng)極與對(duì)電極通過(guò)外電路相連。方法：廢水由陽(yáng)極室進(jìn)水口進(jìn)入反應(yīng)器，開(kāi)啟攪拌裝置，對(duì)光陽(yáng)極進(jìn)行紫外光照射，處理后的水再通過(guò)陽(yáng)極室進(jìn)水孔排出。本發(fā)明提高了光生空穴與電子的分離效率，可有效地同步提高系統(tǒng)產(chǎn)能及廢水中難降解有機(jī)物分解、礦化效率。本發(fā)明用于廢水處理領(lǐng)域。

　　摘要附圖

 

　　權(quán)利要求書(shū)

　　1.間歇式光催化能量收集反應(yīng)器，其特征在于該反應(yīng)器包括殼體(1)、陽(yáng)極室(2)、陰極室(3)、質(zhì)子交換膜(4)、光陽(yáng)極(5)、石英玻璃(6)、攪拌裝置(7)、對(duì)電極(8)、電容(9)和轉(zhuǎn)換器(10)，

　　殼體(1)中間設(shè)有質(zhì)子交換膜(4)，質(zhì)子交換膜(4)將殼體(1)內(nèi)腔室分為陽(yáng)極室(2)和陰極室(3)，殼體(1)上位于陽(yáng)極室(2)一端設(shè)有光陽(yáng)極(5)，殼體(1)上位于陰極室(3)一端設(shè)有對(duì)電極(8)，光陽(yáng)極(5)外罩有石英玻璃(6)，陽(yáng)極室(2)內(nèi)底部設(shè)有攪拌裝置(7)，殼體(1)上位于陽(yáng)極室(2)一側(cè)設(shè)有陽(yáng)極室進(jìn)水口(2-1)，殼體(1)上位于陰極室(3)一側(cè)設(shè)有陰極室進(jìn)水口(3-1)，光陽(yáng)極(5)與對(duì)電極(8)通過(guò)外電路相連，外電路中設(shè)有電容(9)，電容(9)兩側(cè)連接一個(gè)轉(zhuǎn)換器(10)。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的間歇式光催化能量收集反應(yīng)器，其特征在于所述殼體(1)為平置的圓柱體或長(zhǎng)方體。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的間歇式光催化能量收集反應(yīng)器，其特征在于所述光陽(yáng)極(5)為n型半導(dǎo)體光催化材料或負(fù)載活性物質(zhì)的n型半導(dǎo)體光催化材料，光陽(yáng)極(5)中負(fù)載活性物質(zhì)一側(cè)面向石英玻璃;所述負(fù)載的活性物質(zhì)是能夠?qū)Π雽?dǎo)體光催化改性以增加光催化效能的物質(zhì)。

　　4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的間歇式光催化能量收集反應(yīng)器，其特征在于所述對(duì)電極(8)為石墨陰極。

　　5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的間歇式光催化能量收集反應(yīng)器，其特征在于所述外電路中還設(shè)有保護(hù)電阻(11)，所述保護(hù)電阻(11)與電容(9)串聯(lián)。

　　6.利用權(quán)利要求1所述的間歇式光催化能量收集反應(yīng)器處理廢水的方法，其特征在于該方法按以下步驟進(jìn)行：

　　廢水由陽(yáng)極室進(jìn)水口(2-1)進(jìn)入反應(yīng)器，由陰極室進(jìn)水口(3-1)向陰極室(3)內(nèi)加入磷酸鹽緩沖液，同時(shí)開(kāi)啟攪拌裝置(7)混勻，對(duì)光陽(yáng)極(5)進(jìn)行紫外光照射，使光陽(yáng)極(5)的半導(dǎo)體催化劑電子從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶，廢水在陽(yáng)極室(2)進(jìn)行處理，處理后的水再通過(guò)陽(yáng)極室進(jìn)水孔(2-1)排出，磷酸鹽緩沖液由陰極室進(jìn)水口(3-1)排出。

　　7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的處理廢水的方法，其特征在于使用150W氙燈對(duì)光陽(yáng)極(5)進(jìn)行紫外光照射。

　　8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的處理廢水的方法，其特征在于廢水在陽(yáng)極室(2)的水力停留時(shí)間為2h-24h。

　　說(shuō)明書(shū)

　　間歇式光催化能量收集反應(yīng)器及利用其處理廢水的方法

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明涉及一種光催化反應(yīng)器及利用其處理廢水的方法。

　　背景技術(shù)

　　工業(yè)化進(jìn)程的不斷加深造成了對(duì)資源與能源的巨大浪費(fèi)，水污染，能源危機(jī)等問(wèn)題凸顯。開(kāi)發(fā)有效的污水處理工藝一直以來(lái)都是環(huán)境保護(hù)工作的重點(diǎn)。然而傳統(tǒng)的污水處理工藝如化學(xué)法、物理法和生物法等工藝仍然存在高能耗、高成本和工藝復(fù)雜等問(wèn)題。更為重要的是，現(xiàn)有的污水處理工藝是以單純的去除為目的，而污水中蘊(yùn)含的豐富的化學(xué)能則被忽視，僅以去除為目的工藝流程也造成了巨大的能源浪費(fèi)。發(fā)展一種清潔、高效的并能最大程度的回收有用能源與資源的可持續(xù)廢水資源化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有機(jī)物化學(xué)能的綜合利用具有重要的意義。

　　高級(jí)氧化技術(shù)通過(guò)產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基(OH·)來(lái)氧化有機(jī)污染物，具有氧化能力強(qiáng)、氧化速度快和處理效率高等優(yōu)點(diǎn)。其中，半導(dǎo)體光催化氧化技術(shù)作為高級(jí)氧化技術(shù)的一種，其可以在室溫下將水、空氣和土壤中的有機(jī)污染物完全氧化，被認(rèn)為是最具前途的高級(jí)氧化技術(shù)之一，與傳統(tǒng)的污染物處理方法相比具有綠色、節(jié)能、高效、無(wú)二次污染和污染物降解徹底等優(yōu)點(diǎn)。光催化氧化反應(yīng)是光反應(yīng)和催化反應(yīng)的有機(jī)結(jié)合，是在光和催化劑共同作用下的光化學(xué)反應(yīng)，而高效的光催化劑是該技術(shù)的關(guān)鍵所在。與此同時(shí)，廢水中的有機(jī)污染物也是重要的能源。在有機(jī)物被催化氧化的同時(shí)，其自身數(shù)量可觀的化學(xué)能也將被釋放。因此，如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)廢水的處理和資源化利用是當(dāng)前水處理技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

　　從目前光催化反應(yīng)自身化學(xué)能有效利用，以及較為經(jīng)濟(jì)有效且綠色環(huán)保的減少光生空穴電子復(fù)合的角度來(lái)看，還存在著以下幾個(gè)問(wèn)題：a.光催化過(guò)程同時(shí)產(chǎn)生光生電子和空穴，而二者又極易復(fù)合，嚴(yán)重影響光催化降解有機(jī)物的效率;b.光催化降解有機(jī)污染物過(guò)程中化學(xué)能如何利用，怎樣構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)使降解釋放能量得以回收利用，解決現(xiàn)有微生物燃料電池電子傳遞效率緩慢、操作復(fù)雜運(yùn)行條件苛刻、微生物培養(yǎng)和啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題;c.現(xiàn)有技術(shù)中為了提高系統(tǒng)光生電子與空穴的分離效率，多采用對(duì)電極構(gòu)造回路，在回路中使用外接電阻消耗能量，雖然提高了光催化效率，但仍然在一定程度上造成了能量的浪費(fèi);d.光催化過(guò)程中的產(chǎn)能較小難以為一些較大功率設(shè)備供電，使其產(chǎn)能利用成為是待解決的問(wèn)題，更限制了其大型化應(yīng)用。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明是要解決現(xiàn)有光催化處理廢水的方法光催化降解有機(jī)物效率低，化學(xué)能不能得到很好利用的問(wèn)題，提供一種間歇式光催化能量收集反應(yīng)器及利用其處理廢水的方法。

　　本發(fā)明間歇式光催化能量收集反應(yīng)器包括殼體、陽(yáng)極室、陰極室、質(zhì)子交換膜、光陽(yáng)極、石英玻璃、磁力子、對(duì)電極、保護(hù)電阻、電容和轉(zhuǎn)換器，

　　殼體中間設(shè)有質(zhì)子交換膜，質(zhì)子交換膜將殼體內(nèi)腔室分為陽(yáng)極室和陰極室，殼體上位于陽(yáng)極室一端設(shè)有光陽(yáng)極，殼體上位于陰極室一端設(shè)有對(duì)電極，光陽(yáng)極外罩有石英玻璃，以便最大限度的使紫外光透過(guò)，陽(yáng)極室內(nèi)底部設(shè)有攪拌裝置，以加速陽(yáng)極液混勻，殼體上位于陽(yáng)極室一側(cè)設(shè)有陽(yáng)極室進(jìn)水口，殼體上位于陰極室一側(cè)設(shè)有陰極室進(jìn)水口，光陽(yáng)極與對(duì)電極通過(guò)外電路相連，外電路中設(shè)有電容，電容兩側(cè)連接一個(gè)轉(zhuǎn)換器。

　　進(jìn)一步的，所述殼體為平置的圓柱體或長(zhǎng)方體。

　　進(jìn)一步的，所述光陽(yáng)極為n型半導(dǎo)體光催化材料或負(fù)載活性物質(zhì)的n型半導(dǎo)體光催化材料，包括但不限于二氧化鈦，鈣鈦礦等。若為負(fù)載活性物質(zhì)的半導(dǎo)體光催化材料，光陽(yáng)極中負(fù)載活性物質(zhì)一側(cè)面向石英玻璃。

　　負(fù)載的活性物質(zhì)是能夠?qū)Π雽?dǎo)體光催化改性以增加光催化效能的物質(zhì)，例如石墨烯、貴金屬等。

　　進(jìn)一步的，所述對(duì)電極為石墨陰極。

　　進(jìn)一步的，所述外電路中還設(shè)有保護(hù)電阻，所述保護(hù)電阻與電容串聯(lián)。

　　利用上述間歇式光催化能量收集反應(yīng)器處理廢水的方法，按以下步驟進(jìn)行：

　　廢水由陽(yáng)極室進(jìn)水口進(jìn)入反應(yīng)器，由陰極室進(jìn)水口向陰極室內(nèi)加入磷酸鹽緩沖液，同時(shí)開(kāi)啟攪拌裝置混勻，對(duì)光陽(yáng)極進(jìn)行紫外光照射，使光陽(yáng)極的半導(dǎo)體催化劑電子從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶，廢水在陽(yáng)極室進(jìn)行處理，處理后的水再通過(guò)陽(yáng)極室進(jìn)水孔排出，磷酸鹽緩沖液由陰極室進(jìn)水口排出。

　　本發(fā)明反應(yīng)器的工作原理：

　　轉(zhuǎn)換器控制電容充放電轉(zhuǎn)換。

　　廢水由陽(yáng)極室進(jìn)水口進(jìn)入反應(yīng)器，同時(shí)開(kāi)啟攪拌裝置混勻，對(duì)光陽(yáng)極進(jìn)行紫外光照射，使光陽(yáng)極接受光能，紫外光使半導(dǎo)體催化劑電子從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶的都可以產(chǎn)生光生空穴和光生電子，通過(guò)光催化反應(yīng)自由基對(duì)表面污染物進(jìn)行降解;電子通過(guò)外電路首先收集在電容中，再由電容反向釋放到陰極;電容通過(guò)轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)控制不斷的在充放電之間轉(zhuǎn)換，形成一種非穩(wěn)態(tài)的電子空穴反應(yīng)狀體，在陰極，電子發(fā)生氧化還原反應(yīng)得已釋放;處理后的水再通過(guò)陽(yáng)極室進(jìn)水孔排出。

　　本發(fā)明的有益效果：

　　本發(fā)明間歇式光催化能量收集反應(yīng)器利用導(dǎo)電性良好的半導(dǎo)體光催化劑光陽(yáng)極(例如α-Fe2O3、TiO2等半導(dǎo)體光催化劑)，以通過(guò)光照產(chǎn)生的光生電子空穴對(duì)產(chǎn)生氧化性自由基為主要?jiǎng)恿�，由于此種半導(dǎo)體材料比表面積極大，氣、液、固三相浮動(dòng)狀態(tài)良好，再加上攪拌作用可以在反應(yīng)器內(nèi)充分、大范圍鋪展、浮動(dòng)，與廢水充分接觸，傳質(zhì)效果好，從而增大廢水的降解程度與速度。本發(fā)明可以在更短的時(shí)間內(nèi)，將廢水中的大分子難降解有機(jī)物分解為小分子易降解的有機(jī)物，最終降解為CO2和H2O，從而使污染物得到較高的去除率和礦化度，并且不易造成催化劑的流失。由于反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且對(duì)催化劑用量和污染物濃度無(wú)過(guò)高要求，因此易于在實(shí)際中放大應(yīng)用從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。本裝置可以通過(guò)加入光電轉(zhuǎn)化效率更高及性能更強(qiáng)的對(duì)電極，進(jìn)一步提高光生電子和空穴產(chǎn)生量和分離效率，可以促使產(chǎn)生大量羥基自由基，從而加快、加深反應(yīng)進(jìn)行的程度，從而使大分子難降解有機(jī)物得到快速?gòu)氐椎厝コ�、礦化。由于本發(fā)明的污染物進(jìn)水可設(shè)置循環(huán)流在保證催化劑充分浮動(dòng)與廢水充分接觸的前提下，節(jié)約了占地面積，而且催化劑采用掛式懸浮，需要更換直接取出即可，方便快捷。由于本發(fā)明采用光陽(yáng)極是掛式懸浮固定在反應(yīng)器內(nèi)，可以根據(jù)實(shí)際要求相應(yīng)增加陽(yáng)極催化劑數(shù)量和有效面積，易于在反應(yīng)器寬度和高度上進(jìn)行一定放大，因此易于實(shí)現(xiàn)間歇式光催化能量收集反應(yīng)器在工業(yè)上的放大應(yīng)用。

　　本發(fā)明反應(yīng)器構(gòu)造合理，廢水處理方法操作方便、可靠，具有催化劑催化性能高、催化劑無(wú)流失、運(yùn)行穩(wěn)定、有機(jī)污染物去除率高、礦化度高、光電轉(zhuǎn)化效率高、不造成二次污染，操作簡(jiǎn)單，適合工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

　　本發(fā)明使系統(tǒng)產(chǎn)能得以收集再利用，并將較低的能量收集在電容中再利用，使反應(yīng)產(chǎn)能供給較大功率反應(yīng)器成為可能，以便光催化產(chǎn)能更好的在實(shí)際中得以應(yīng)用。

　　本發(fā)明利用外電路中的電容負(fù)載，可使整個(gè)電路不斷的在充放電之間轉(zhuǎn)換，在非穩(wěn)態(tài)條件下運(yùn)行，結(jié)合紫外光輻照，提高了光生空穴與電子的分離效率，可以有效地同步提高系統(tǒng)產(chǎn)能及廢水中難降解有機(jī)物分解、礦化效率。