申請日2014.01.02
公開(公告)日2014.08.13
IPC分類號C02F1/30; C02F1/72; B01J27/24; C23C14/06; C25D11/26
摘要
本實用新型公開了一種太陽能一體化廢水降解反應(yīng)裝置，包括：帶進(jìn)水口和出水口的反應(yīng)器;插入在所述反應(yīng)器中的氮化碳/二氧化鈦納米管的復(fù)合電極和鎳片電極;以及與所述氮化碳/二氧化鈦納米管的復(fù)合電極和鎳片電極連接的太陽發(fā)電儲電裝置。本實用新型采用具有可見光響應(yīng)性能的氮化碳/二氧化鈦納米管的復(fù)合電極作為光催化劑，并充分利用了太陽光進(jìn)行產(chǎn)電，降低能源功耗問題，在太陽光照射下治理有機(jī)有毒污染物和重金屬反應(yīng)速度快，降解沒有選擇性，無二次污染，且只需要太陽光就可進(jìn)行光電催化降解。本實用新型可應(yīng)用于有機(jī)有毒物質(zhì)和重金屬的降解，工業(yè)廢水治理以及水質(zhì)深度凈化，應(yīng)用廣泛，具有廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求書
1.一種太陽能一體化廢水降解反應(yīng)裝置，其特征在于，包括：
帶進(jìn)水口和出水口的反應(yīng)器;
插入在所述反應(yīng)器中的氮化碳/二氧化鈦納米管的復(fù)合電極和鎳片電極;
以及與所述氮化碳/二氧化鈦納米管的復(fù)合電極和鎳片電極連接的太陽 發(fā)電儲電裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能一體化廢水降解反應(yīng)裝置，其特征在 于，所述的反應(yīng)器為圓筒狀石英反應(yīng)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能一體化廢水降解反應(yīng)裝置，其特征在 于，所述的進(jìn)水口位于所述反應(yīng)器的底部，所述的出水口位于所述反應(yīng)器的 頂部。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太陽能一體化廢水降解反應(yīng)裝置，其特征在 于，所述的進(jìn)水口連接有加壓泵。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太陽能一體化廢水降解反應(yīng)裝置，其特征在 于，所述的加壓泵與進(jìn)水口之間設(shè)有帶吸氣口的水射器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能一體化廢水降解反應(yīng)裝置，其特征在 于，所述的太陽發(fā)電儲電裝置包括：用于將太陽光轉(zhuǎn)化為電能的太陽能電池 組件、用于儲備電能的蓄電池以及控制電能輸出的太陽能控制器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的太陽能一體化廢水降解反應(yīng)裝置，其特征在 于，所述的太陽能電池組件與所述蓄電池連接，所述的蓄電池與所述太陽能 控制器連接。
說明書
一種太陽能一體化廢水降解反應(yīng)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
本實用新型涉及光催化降解有機(jī)物的水處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種太 陽能一體化廢水降解反應(yīng)裝置。
背景技術(shù)
當(dāng)今社會，人類面臨著能源短缺和環(huán)境污染兩大嚴(yán)峻問題。一方面，隨 著能源消耗速率的不斷加快，煤、石油、天然氣等化石資源已面臨枯竭;另 一方面，工業(yè)的發(fā)展造成了工業(yè)廢水排放、溫室氣體產(chǎn)生等諸多環(huán)境污染問 題。在各種環(huán)境問題中，由于用水需求量不斷增長以及部分地區(qū)長期干旱等 原因，可利用淡水資源呈現(xiàn)持續(xù)減少的趨勢，從而顯得水污染治理尤為重要。 根據(jù)污染物質(zhì)化學(xué)特性的不同，廢水種類多樣，主要包括了有機(jī)廢水、無機(jī) 廢水以及混合廢水等。在眾多不同種類廢水中，不乏存在難降解的有機(jī)或無 機(jī)污染物質(zhì)。難降解污染物廢水的共同特點就是毒性大，成份復(fù)雜，化學(xué)需 氧量高，微生物難以降解，對環(huán)境和人體具有嚴(yán)重的危害性，從而受到了廣 泛關(guān)注和研究。
近年來光電催化技術(shù)受到了廣泛關(guān)注和研究，主要因為其具有如下特 點：
一、光電催化反應(yīng)中，導(dǎo)帶電子被轉(zhuǎn)移至陰極，體系中不需另外加入電 子捕獲劑，可節(jié)約成本。
二、半導(dǎo)體電極相比于分散在反應(yīng)體系中的半導(dǎo)體粉末，抗反射能力好， 能充分利用光能。
三、光電催化使空穴的氧化作用及電子的還原作用能夠在不同空間上進(jìn) 行得以實現(xiàn)，有利于提升催化劑表面羥基自由基的產(chǎn)生速度。
而光電催化的關(guān)鍵在于開發(fā)高效穩(wěn)定的半導(dǎo)體光催化劑。TiO2是目前光 電催化領(lǐng)域研究較多的一種光催化劑，因其具有催化效率高、對環(huán)境無害等 優(yōu)勢，因此在光電催化領(lǐng)域備受關(guān)注，而且TiO2被認(rèn)為是目前研究最深入、 最廣泛的一種光催化材料。但目前的大多數(shù)光催化劑都面臨這樣同樣的問 題：
一、由于其禁帶寬度(Eg=3.0～3.2eV)較寬，只能對太陽光中占總量約4% 的紫外光進(jìn)行吸收和利用，在催化降解污染物產(chǎn)氫上，對占太陽能量43%的 可見光(400～750nm)部分并未發(fā)揮作用。
二、價帶和導(dǎo)帶的電位很難同時滿足各種催化反應(yīng)的電位需要。
三、電子空穴易復(fù)合，量子效率很低。
因此，太陽能光電催化降解污染物產(chǎn)氫的關(guān)鍵在于開發(fā)并研制高效、穩(wěn) 定的、同時協(xié)同電化學(xué)促進(jìn)光電分離，光催化和光電轉(zhuǎn)化效率高的新型可見 光催化材料。
而類石墨相氮化碳(g-C3N4)能在犧牲介質(zhì)存在的情況下和可見光作用 下催化光解水析氫(即光解水制氫)，也能在可見光作用下活化CO2并催化 苯氧化為苯酚。且與其他的半導(dǎo)體相比，g-C3N4能夠吸收可見光，化學(xué)穩(wěn)定 性和熱穩(wěn)定性強(qiáng)，此外還具有無毒、來源豐富、制備成型工藝簡單等特點， 成為目前光催化領(lǐng)域研究的新寵。
同時，在電催化過程中，需要外接電源，可在某些基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展緩慢的 地區(qū)，用電十分緊張。如需大量、連續(xù)地降解廢水，所需要的電量也是一個 不可忽視的問題。而如果采用太陽光電池板來代替外接電源產(chǎn)電的話，將可 以大大減少甚至不需要外接用電，而且很好地利用起了太陽能這種清潔能 源，節(jié)約成本，降低能耗。
實用新型內(nèi)容
本實用新型提供了一種太陽能一體化廢水降解反應(yīng)裝置，將氮化碳/二氧 化鈦納米管的復(fù)合電極應(yīng)用到廢水處理裝置中，氮化碳/二氧化鈦納米管的復(fù) 合電極能夠?qū)梢姽忭憫?yīng)，并充分利用了太陽光進(jìn)行產(chǎn)電，降低能源功耗問 題，該裝置對廢水具有良好的降解能力。
一種太陽能一體化廢水降解反應(yīng)裝置，包括：
帶進(jìn)水口和出水口的反應(yīng)器;
插入在所述反應(yīng)器中的氮化碳/二氧化鈦納米管的復(fù)合電極和鎳片電極;
以及與所述氮化碳/二氧化鈦納米管的復(fù)合電極和鎳片電極連接的太陽 發(fā)電儲電裝置。
使用時，廢水從進(jìn)水口通入到反應(yīng)器中，氮化碳/二氧化鈦納米管的復(fù)合 電極具有可見光響應(yīng)性能，同時以太陽發(fā)電儲電裝置作為電源，產(chǎn)生弱電壓， 形成光電催化體系，使氮化碳/二氧化鈦納米管的復(fù)合電極能在水體系的太陽 光照射下，在其表面產(chǎn)生光生電子-空穴對，在降解有機(jī)污染物時空穴產(chǎn)生 強(qiáng)氧化性的羥基自由基(·OH)，這種·OH氧化性能極強(qiáng)，對有機(jī)污染物的摧 毀大，因此，它使水中的難以降解有機(jī)物和其他有機(jī)污染物礦化。同時能消 滅水中的細(xì)菌，具有極強(qiáng)的消毒性能，而其電子能還原水中的重金屬等污染 物質(zhì)。太陽發(fā)電儲電裝置為直流電源，可降低光催化氧化反應(yīng)中電子-空穴 對的復(fù)合率，有效提高光催化氧化反應(yīng)效率。
作為優(yōu)選，所述的反應(yīng)器為圓筒狀石英反應(yīng)器，反應(yīng)器中因不斷產(chǎn)生氧 化劑并進(jìn)行強(qiáng)氧化和還原反應(yīng)，因此，反應(yīng)器的材料要選擇抗氧化還原的石 英制成。
作為優(yōu)選，所述的進(jìn)水口位于所述反應(yīng)器的底部，所述的出水口位于所 述反應(yīng)器的頂部，廢水從反應(yīng)器由下至上進(jìn)入，與氮化碳/二氧化鈦納米管的 復(fù)合電極充分接觸，這樣的水流形式要求石英容器為圓筒狀為佳。
進(jìn)一步優(yōu)選，所述的進(jìn)水口連接有加壓泵，從而保證廢水可以從反應(yīng)器 由下至上進(jìn)入。
再進(jìn)一步優(yōu)選，所述的加壓泵與進(jìn)水口之間設(shè)有帶吸氣口的水射器，加 壓泵的作用在于增加進(jìn)水的壓力，滿足水射器所需要的壓力，使水射器能正 常工作。水射器能在吸氣口處產(chǎn)生一個負(fù)壓，使得可以在進(jìn)水的同時吸入 O2，增加水中的溶解氧含量，提高光催化氧化效率。吸氣口的作用在于能吸 收空氣，將吸收的空氣導(dǎo)入廢水反應(yīng)中，提高含氧量。
作為優(yōu)選，所述的太陽發(fā)電儲電裝置包括：用于將太陽光轉(zhuǎn)化為電能的 太陽能電池組件(陣列)、用于儲備電能的蓄電池以及控制電能輸出的太陽 能控制器。所述的太陽能電池組件與所述蓄電池連接，所述的蓄電池與所述 太陽能控制器連接，所述的太陽能控制器控制電能的輸出。太陽發(fā)電儲電裝 置可采用現(xiàn)有技術(shù)。
一種氮化碳/二氧化鈦納米管的復(fù)合電極的制備方法，通過物理氣相沉積 的方法將類石墨相氮化碳(g-C3N4)納米顆粒負(fù)載至二氧化鈦納米管 (TiO2-NTs)上，得到具有可見光響應(yīng)性能的氮化碳/二氧化鈦納米管的復(fù)合 電極。
一種氮化碳/二氧化鈦納米管的復(fù)合電極的制備方法，包括以下步驟：
1)采用陽極氧化法制備二氧化鈦納米管電極(即TiO2-NTs電極);
2)將三聚氰胺的粉末升溫到500℃～700℃，煅燒1～3h，冷卻后經(jīng)研 磨得到氮化碳顆粒;
3)在保護(hù)氣體的氛圍下，升溫至550℃～750℃，采用保護(hù)氣體將氮化 碳顆粒吹落負(fù)載到二氧化鈦納米管電極上，在550℃～750℃煅燒保持20 min～60min，得到氮化碳/二氧化鈦納米管的復(fù)合電極。
步驟1)中，作為優(yōu)選，所述的陽極氧化法包括：以氟化銨(NH4F)和 草酸二水(C2H2O4·2H2O)的水溶液為電解液，以鈦片為陽極，鎳片為陰極， 陽極和陰極之間的電極距離1～5cm，外加電壓10～30V，攪拌，電解1～3h， 得到二氧化鈦納米管電極。
步驟2)中，作為優(yōu)選，將三聚氰胺的粉末以1～5℃/min的升溫速率升 溫到500℃～700℃，從而有利于分解研磨后得到細(xì)小均勻的氮化碳顆粒。
步驟3)中，作為優(yōu)選，采用保護(hù)氣體將氮化碳顆粒吹落負(fù)載到二氧化 鈦納米管電極上，在管式反應(yīng)器中進(jìn)行。所述的管式反應(yīng)器包括：帶有進(jìn)氣 口和出氣口的石英管以及包裹在所述石英管上的管式爐。所述進(jìn)氣口和出氣 口位于所述石英管兩端。將氮化碳顆粒置于所述石英管內(nèi)的中部，將二氧化 鈦納米管電極置于所述石英管內(nèi)靠近出氣口的位置，從進(jìn)氣口通入保護(hù)氣 體，然后通過管式爐對石英管加熱，加熱至550℃～750℃煅燒保持20min～60 min，之后冷卻，關(guān)閉保護(hù)氣體。所述的保護(hù)氣體的流量為50～150mL/min。 所述的保護(hù)氣體采用氮氣或者惰性氣體，作為優(yōu)選，所述的保護(hù)氣體為氮氣。
進(jìn)一步優(yōu)選，所述二氧化鈦納米管電極與所述石英管的軸向成40°～50 的夾角，更進(jìn)一步優(yōu)選為45°，有利于氮化碳顆粒均勻吹落負(fù)載到二氧化鈦 納米管電極上。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下優(yōu)點：
一、氮化碳/二氧化鈦納米管的復(fù)合電極的制備方法，通過物理氣相沉積 的方法將類石墨相氮化碳(g-C3N4)納米顆粒負(fù)載至二氧化鈦納米管 (TiO2-NTs)上，得到具有可見光響應(yīng)性能的氮化碳/二氧化鈦納米管的復(fù)合 電極，g-C3N4在TiO2-NTs電極上形成的薄膜不容易脫落，穩(wěn)定性好。該制 備方法步驟簡潔，易操作，成本低。
二、本實用新型太陽能一體化廢水降解反應(yīng)裝置，采用具有可見光響應(yīng) 性能的氮化碳/二氧化鈦納米管的復(fù)合電極作為光催化劑，并充分利用了太陽 光進(jìn)行產(chǎn)電，降低能源功耗問題，在太陽光照射下治理有機(jī)有毒污染物和重 金屬反應(yīng)速度快，降解沒有選擇性，無二次污染，且只需要太陽光就可進(jìn)行 光電催化降解。本實用新型太陽能一體化廢水降解反應(yīng)裝置可應(yīng)用于有機(jī)有 毒物質(zhì)和重金屬的降解，工業(yè)廢水治理以及水質(zhì)深度凈化，應(yīng)用廣泛，具有 廣闊的應(yīng)用前景。
