申請日2015.10.10

　　公開(公告)日2016.01.13

　　IPC分類號C02F9/06

　　摘要

　　本發(fā)明公開一種光電協(xié)同催化降解污水裝置，包括電解槽及設(shè)于電解槽內(nèi)的石英管、紫外燈和電極板，石英管豎立穿過電極板，且石英管的上端端部向上穿出電解槽外，電極板包括若干片陽極板和若干片陰極板，各陽極板與各陰極板平放設(shè)置，并呈由上而下間隔排列，且兩陰極板之間具有一陽極板，石英管緊配合穿過各陽極板和各陰極板，陽極板表面涂覆有具有電催化活性的金屬氧化物涂層，陰極板涂覆有具有光催化活性的半導(dǎo)體光催化劑涂層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，其可將光化學(xué)氧化技術(shù)、光催化氧化技術(shù)和電催化技術(shù)集于一體，且三者之間能夠相互協(xié)同效應(yīng)，具有降解速度快，效率高，結(jié)構(gòu)簡易，制作成本低，易維護的優(yōu)點。

　　權(quán)利要求書

　　1.一種光電協(xié)同催化降解污水裝置，包括電解槽及設(shè)于電解槽內(nèi)的石英管、紫外燈和電極板，該紫外燈豎立于該石英管內(nèi)，該電解槽上設(shè)置有污水進口和處理水出口;其特征在于：上述石英管豎立穿過上述電極板，且上述石英管的上端端部向上穿出上述電解槽外，上述電極板包括若干片陽極板和若干片陰極板，各陽極板與各陰極板平放設(shè)置，并呈由上而下間隔排列，且兩陰極板之間具有一陽極板，上述石英管緊配合穿過各上述陽極板和各上述陰極板，上述陽極板表面涂覆有具有電催化活性的金屬氧化物涂層，上述陰極板涂覆有具有光催化活性的半導(dǎo)體光催化劑涂層。

　　2.如權(quán)利要求1所述的光電協(xié)同催化降解污水裝置，其特征在于：上述石英管設(shè)置有若干個，上述紫外燈相應(yīng)設(shè)置有若干個，并與上述石英管一一相對應(yīng)設(shè)置，各上述紫外燈通過導(dǎo)線并聯(lián)在一起與外界電源電連接，上述污水進口處于各陽極板中最底層的陽極板與各陰極板中最底層的陰極板之間，上述處理水出口處于上述電極板的上方。

　　3.如權(quán)利要求1所述的光電協(xié)同催化降解污水裝置，其特征在于：上述陽極板與上述陰極板上均設(shè)有若干個通孔。

　　4.如權(quán)利要求3所述的光電協(xié)同催化降解污水裝置，其特征在于：上述陽極板與上述陰極板均為網(wǎng)孔板。

　　5.如權(quán)利要求1所述的光電協(xié)同催化降解污水裝置，其特征在于：上述石英管的下端端面呈閉合狀，并與上述電解槽的內(nèi)底面相接觸，上述石英管的上端端部緊配合穿出上述電解槽外與電解槽固定配合，各上述陽極板通過第一導(dǎo)線并聯(lián)在一起，且該第一導(dǎo)線伸出上述電解槽的頂部外與外界直流電源的正極電連接，各上述陰極板通過第二導(dǎo)線并聯(lián)在一起，且該第二導(dǎo)線伸出上述電解槽的頂部外與外界直流電源的負極電連接。

　　6.如權(quán)利要求1所述的光電協(xié)同催化降解污水裝置，其特征在于：上述電解槽的上端端面呈敞開狀，上述電極板的一側(cè)豎立有其上端端部伸出上述電解槽外的連接陽極板，上述電極板的相對側(cè)豎立有其上端端部伸出上述電解槽外的連接陰極板，各上述陽極板均與上述連接陽極板連接在一起，各上述陰極板均與上述連接陰極板連接在一起，上述連接陽極板的上端端部通過連接導(dǎo)線與外界直流電源的陽極電連接，上述連接陰極板的上端端部通過另一連接導(dǎo)線與外界直流電源的陰極電連接。

　　7.如權(quán)利要求1所述的光電協(xié)同催化降解污水裝置，其特征在于：上述金屬氧化物涂層為含有RuO2的復(fù)合金屬氧化物涂層或者含有 IrO2的多元氧化物涂層，上述半導(dǎo)體光催化劑涂層為Cu2O、ZnO、 SnO2或TiO2中的一種氧化物涂層，或者上述半導(dǎo)體光催化劑涂層為由Cu2O、ZnO、SnO2或TiO2中的兩種或兩種以上氧化物組成的復(fù)合涂層。

　　8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種電極板，其特征在于：上述復(fù)合金屬氧化物涂層為RuO2-TiO2復(fù)合金屬氧化物涂層、RuO2-TiO2-SnO2復(fù)合金屬氧化物涂層、RuO2-SnO2復(fù)合金屬氧化物涂層、RuO2-Ta2O5復(fù)合氧化物涂層中的一種;上述多元氧化物涂層為IrO2-TiO2二元氧化物涂層、IrO2-TiO2-SnO2三元氧化物涂層、IrO2-SnO2二元氧化物涂層、 IrO2-Ta2O2二元氧化物涂層中的一種。

　　說明書

　　光電協(xié)同催化降解污水裝置

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明涉及一種污水處理裝置，特別是涉及一種將光化學(xué)氧化技術(shù)、光催化氧化技術(shù)和電催化氧化技術(shù)于一體并形成協(xié)同效應(yīng)的光電協(xié)同催化降解污水裝置。

　　背景技術(shù)

　　日前，生活污水和工業(yè)廢水的種類和排放量日益增多，成分更加復(fù)雜，其中含有許多難降解有機物，如酚、烷基苯磺酸、氯苯酚、農(nóng)藥、多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴、硝基芳烴化合物、染料及腐殖酸等。其中有些有機物具有致癌、致畸、致突變等作用，對環(huán)境和人類有巨大的危害;因此，處理這類難以生物降解的有機廢水成為我們面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。

　　世界性的環(huán)境污染與生態(tài)破壞使人們對高效、節(jié)能、無二次污染的環(huán)境治理技術(shù)給予極大的關(guān)注。近年來，光催化氧化技術(shù)和電催化氧化技術(shù)作為有毒或難生物降解的有機污染物的處理方法引起了國內(nèi)外學(xué)者持續(xù)的關(guān)注，這兩種技術(shù)都具有結(jié)構(gòu)簡單、操作條件容易控制、氧化能力強、無二次污染等優(yōu)點，成為當前環(huán)境污染控制領(lǐng)域中最為活躍的兩個研究熱點，并顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

　　光催化技術(shù)是在半導(dǎo)體光催化劑的作用下，利用光能將污染物分解為無毒或毒性較低的物質(zhì)的過程。基本原理是：當半導(dǎo)體光催化劑受到能量大于禁帶寬度的光照射時，其價帶上的電極受到激發(fā)，越過禁帶進入導(dǎo)帶，在價帶上留下帶正電的空穴，此光生空穴具有極強氧化性，可以奪取水中的電子，生產(chǎn)氧化性很強的羥基自由基，羥基自由基能夠?qū)﹄姌O表面附近的有機污染物進行無選擇性的氧化，而且能發(fā)生所謂的“電化學(xué)燃燒”過程將有機物徹底氧化為CO2和水;但在實際應(yīng)用中，光催化氧化過程需要通入電子捕獲劑，用于捕獲光生電子，才能有效快速氧化降解有機物，常用的電子捕獲劑是氧氣。

　　從工程角度出發(fā)，光催化處理有機廢水通常采用兩種反應(yīng)系統(tǒng)：

　　一種是懸浮光催化劑水處理系統(tǒng)，即將粉體狀光催化劑材料分散于污水中，再施加光輻射，因光催化劑與有機污染物接觸面積大，表現(xiàn)出良好的光催化氧化效率，多數(shù)情況下可以將有機物徹底礦化。然而，懸浮相粉體材料存在著難以回收、容易中毒等缺點;這些缺點使得該體系難以成為一項實用的技術(shù)。

　　另一種是固定化系統(tǒng)，即將光催化劑固化到適當載體上，再施加以光輻射，該系統(tǒng)還可借助于外加電場提高光催化反應(yīng)效率;其原理是：在光催化體系中外加電場可以在光電極內(nèi)部產(chǎn)生一個電位梯度，使得光生電子在電場作用下遷移到對電極，載流子得以分離，減少“電子-空穴”的重新復(fù)合，這樣就能在半導(dǎo)體中維持較高的空穴濃度，有利于充分發(fā)揮光生空穴的氧化作用，從而提高光催化反應(yīng)的效率。固定化技術(shù)克服了懸浮相體系中光催化劑難回收的缺點，并借助外電場來抑制“電子-空穴”的簡單復(fù)合，相對來說實用性更強。但負載后催化劑的比表面積減小而帶來的量子效應(yīng)和表面和界面效應(yīng)減弱等問題仍懸而未決。

　　電催化技術(shù)是指在外電場的作用下使電極、電解質(zhì)界面上的電荷轉(zhuǎn)移加速反應(yīng)的一種催化作用，所選用的電極材料在通電過程中具有催化劑的作用，從而改變電極反應(yīng)速率或反應(yīng)方向，而其本身并不發(fā)生質(zhì)的變化;即電催化作用包含電極反應(yīng)和催化作用兩個方面，因此電催化電極必需同時具有這兩種功能：①能導(dǎo)電和比較自由地傳遞電子;②能對反應(yīng)底物進行有效的催化活化作用。

　　在電催化過程必可避免陽極有氧氣的析出，在單一的電催化氧化降解有機物中，氧氣的析出被認為是副反應(yīng)，浪費電能;因為陽極電解析出的氧氣的氧化能力遠不如羥基自由基、雙氧水和臭氧，因此，陽極析出的氧氣大部分析出到空氣中，這就是等于浪費電能。為了抑制析氧副反應(yīng)的發(fā)生，通常采用高析氧過電位的電極材料，如沒有電催化活性的二氧化錫/鈦基陽極，二氧化鉛陽極，或者是摻雜硼的金剛石電極材料;這類材料的析氧過電位高，因此能有效減少析氧副反應(yīng)發(fā)生，提高了電解效率。但這類材料的陽極的使用導(dǎo)致槽壓高，實際能耗還是很高，因此并沒有根本上解決能耗的問題。另外，電催化主要是將有機物降解成小分子的有機物，很難將有機物徹底降解成二氧化碳和水。

　　光化學(xué)氧化也是常用的一種有機廢水處理方法。光化學(xué)氧化是在光的作用下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。光化學(xué)反應(yīng)需要有機分子吸收特定波長的電磁輻射，受激發(fā)、產(chǎn)生分子激發(fā)態(tài)，之后才會發(fā)生化學(xué)變化到另外一個穩(wěn)態(tài)，或者變成引發(fā)熱反應(yīng)的中間化學(xué)產(chǎn)物。光化學(xué)氧化技術(shù)存在以下不足：(1)在紫外光照射下，某些有機物能直接分解成小分子有機物或者是二氧化碳和水，但只能針對少部分有機物才有效，且光降解有機物的效率較低;(2)通常，光化學(xué)氧化技術(shù)需要加入臭氧、過氧化氫等作為氧化劑，過氧化氫在紫外光照射下能轉(zhuǎn)變成氧化性能更強的羥基自由基，使污染物在紫外光照射下氧化分解。

　　綜上所述，各種方法單一使用時均存在一定的局限性。因此，如何將各氧化技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用并形成協(xié)同效應(yīng)，保證水質(zhì)處理效果,是當今難降解有機物廢水處理的研究方向。

　　現(xiàn)市出上出現(xiàn)了采用光化學(xué)氧化和電催化氧化協(xié)同處理的裝置，如中國發(fā)明專利，2004年2月25日公開的公開號為CN1477061A的光電協(xié)同高效凈化飲用水的技術(shù)及裝置，其包括有集成的光解電解的一體化反應(yīng)器、紫外燈、作為電解陽板的網(wǎng)孔材料的內(nèi)筒筒體和作為電解陰極的反應(yīng)器的外筒筒體，利用紫外燈發(fā)出的紫外光的光解和電極電解的聯(lián)合作用，通過產(chǎn)生具有協(xié)同增效作用的凈水效應(yīng)，可迅速有效降解水中的有機污染物。然而，經(jīng)實驗表明，該裝置對污水的處理效果還是不太理想;從實施例二可以看出，該裝置對有機碳的去除率以及對五氯酚的處理效果都較低;并受該裝置的整體結(jié)構(gòu)限制，存在以下幾個技術(shù)問題：(1)采用圓筒套圓筒的結(jié)構(gòu)，單個電解槽中能夠受到光照的陽極面積受限，僅為圓柱形陽極的內(nèi)表面;(2)所選用的陽極材料為單一功能的材料，如二氧化釕/鈦基電極、二氧化鉛/ 鈦基電極為電催化陽極，不具有光催化活性;二氧化鈦/鈦基電極為惰性電極，具有光催化性能，而不具備電催化活性;(3)陰極采用不銹鋼或石墨材料，沒有光催化性能;因此公開號為CN1477061A的專利所公開的該設(shè)備的處理效果略差。

　　有鑒于此，本發(fā)明人對上述問題進行深入研究，遂于本案產(chǎn)生。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明的目的在于提供一種光電協(xié)同催化降解污水裝置，其可將光化學(xué)氧化技術(shù)、光催化氧化技術(shù)和電催化氧化技術(shù)于一體，并使之形成協(xié)同效應(yīng)，具有降解速度快，效率高，結(jié)構(gòu)簡易的優(yōu)點。

　　為了達成上述目的，本發(fā)明的解決方案是：

　　一種光電協(xié)同催化降解污水裝置，包括電解槽及設(shè)于電解槽內(nèi)的石英管、紫外燈和電極板，該紫外燈豎立于該石英管內(nèi)，該電解槽上設(shè)置有污水進口和處理水出口;上述石英管豎立穿過上述電極板，且上述石英管的上端端部向上穿出上述電解槽外，上述電極板包括若干片陽極板和若干片陰極板，各陽極板與各陰極板平放設(shè)置，并呈由上而下間隔排列，且兩陰極板之間具有一陽極板，上述石英管緊配合穿過各上述陽極板和各上述陰極板，上述陽極板表面涂覆有具有電催化活性的金屬氧化物涂層，上述陰極板涂覆有具有光催化活性的半導(dǎo)體光催化劑涂層。

　　上述石英管設(shè)置有若干個，上述紫外燈相應(yīng)設(shè)置有若干個，并與上述石英管一一相對應(yīng)設(shè)置，各上述紫外燈通過導(dǎo)線并聯(lián)在一起與外界電源電連接，上述污水進口處于各陽極板中最底層的陽極板與各陰極板中最底層的陰極板之間，上述處理水出口處于上述電極板的上方。

　　上述陽極板與上述陰極板上均設(shè)有若干個通孔。

　　上述陽極板與上述陰極板均為網(wǎng)孔板。

　　上述石英管的下端端面呈閉合狀，并與上述電解槽的內(nèi)底面相接觸，上述石英管的上端端部緊配合穿出上述電解槽外與電解槽固定配合，各上述陽極板通過第一導(dǎo)線并聯(lián)在一起，且該第一導(dǎo)線伸出上述電解槽的頂部外與外界直流電源的正極電連接，各上述陰極板通過第二導(dǎo)線并聯(lián)在一起，且該第二導(dǎo)線伸出上述電解槽的頂部外與外界直流電源的負極電連接。

　　上述電解槽的上端端面呈敞開狀，上述電極板的一側(cè)豎立有其上端端部伸出上述電解槽外的連接陽極板，上述電極板的相對側(cè)豎立有其上端端部伸出上述電解槽外的連接陰極板，各上述陽極板均與上述連接陽極板連接在一起，各上述陰極板均與上述連接陰極板連接在一起，上述連接陽極板的上端端部通過連接導(dǎo)線與外界直流電源的陽極電連接，上述連接陰極板的上端端部通過另一連接導(dǎo)線與外界直流電源的陰極電連接。

　　上述金屬氧化物涂層為含有RuO2的復(fù)合金屬氧化物涂層或者含有IrO2的多元氧化物涂層，上述半導(dǎo)體光催化劑涂層為Cu2O、ZnO、 SnO2或TiO2中的一種氧化物，或它們中的兩種或兩種以上氧化物組成的復(fù)合涂層。

　　上述復(fù)合金屬氧化物涂層為RuO2-TiO2復(fù)合金屬氧化物涂層、 RuO2-TiO2-SnO2復(fù)合金屬氧化物涂層、RuO2-SnO2復(fù)合金屬氧化物涂層、RuO2-Ta2O5復(fù)合氧化物涂層中的一種;上述多元氧化物涂層為 IrO2-TiO2二元氧化物涂層、IrO2-TiO2-SnO2三元氧化物涂層、 IrO2-SnO2二元氧化物涂層、IrO2-Ta2O2二元氧化物涂層中的一種。

　　本發(fā)明的光電協(xié)同催化降解污水裝置，當污水行走至陽極板與陰極板之時，能夠得到紫外線的光線，陽極板析出的氧氣部分被紫外線照射后變成臭氧，臭氧氧化性強，能將有機物降解;且陰極板表面具有光催化活性，在紫外光的照射下能夠產(chǎn)生光生“電子-空穴”對，陽極生成的未被轉(zhuǎn)變成臭氧的氧氣繼續(xù)上升而與陰極板接觸，并與光生電子反應(yīng)生成雙氧水，雙氧水的氧化性也很強，能將有機物降解;同時，在紫外線的照射下，雙氧水能進一步轉(zhuǎn)變成氧化性更強的羥基自由基，即光生空穴能與水或者是氫氧根離子反應(yīng)生成羥基自由基，羥基自由基能將有機物徹底的礦化而變成二氧化鈦和水;由此可知，本發(fā)明的裝置，其可將光化學(xué)氧化技術(shù)、光催化氧化技術(shù)和電催化技術(shù)集于一體，且三者之間能夠相互協(xié)同效應(yīng)，具有降解速度快，效率高，結(jié)構(gòu)簡易，制作成本低，易維護的優(yōu)點;且石英管穿過陰、陽極板，使每一陰、陽極板的正反面均能夠被紫外光輻射，提高了光催化氧化的效果。