[發明專利]二氧化鈦納米管陣列電極光電催化薄層反應器及其應用

無效

• 申請號: 201010197202.1
• 申請日: 2010-06-11
• 公開（公告）號: CN101905142A
• 公開（公告）日: 2010-12-08
• 發明（設計）人: 周保學;白晶;李金花;董超平;蔡偉民
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B01J19/08
• 分類號: B01J19/08;B01J19/12;C02F1/32;C02F101/30
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 毛翠瑩

技術領域

本發明涉及一種二氧化鈦納米管陣列電極光電催化薄層反應器，可應用于降解水體有機污染物，屬于環境污染治理技術領域。

背景技術

納米TiO₂作為一種優良的光催化劑已廣泛應用于催化氧化環境中的有機污染物。研究表明影響光電催化降解有機污染物效率的主要因素有兩個方面，一是催化劑的效率，一是反應器結構的設計。在催化劑研究方面，美國科學家Grimes等(J.Mater.Res.2001，16：3331-3334)和周保學等(J.Mater.Res.2008，43，1880-1884)先后報道了利用金屬鈦陽極氧化的方法在氫氟酸水溶液介質中制備TiO₂納米管陣列薄膜及形成機制。在這種鈦基TiO₂納米管陣列薄膜材料中，光催化劑TiO₂納米管垂直、整齊有序地排列在金屬鈦基體上，有利于光生電荷的分離與傳輸，作為電極材料，能克服現有粉體納米TiO₂薄膜電極穩定性差、光電效率低等技術不足，表現出極高的光電催化降解有機物的性能。在反應器的設計方面，現有光電催化降解有機物技術所使用的反應器，大多屬于傳統的宏觀反應器(大體積反應池)(Quan?X?et?al?Environ.Sci.&Technol.2005，39：3770-3775；Zhang?Z?Het?al?Environ.Sci.&Technol.2007，41：6259-6263)。在傳統的宏觀反應器中，有機分子從溶液傳遞到電極表面距離長、時間長，光照的強度隨溶液濃度的升高而下降，電極面積與溶液體積比較大，因此影響了反應速率。通過將廢水流經傾斜放置的斜面電極，在光電催化的電極表面形成薄的的液層，可以降低液層厚度，提高光電催化效率，但這種設計所形成的液層厚度尚無法有效控制，且目前僅能進行單面光照的光電催化反應(Shankar?M.V.et?al.Journal?of?Chemical?Technologyand?Biotechnology，2004，79，1279-1285；Noorjahan?M.et?al.Journal?ofPhotochemistry?and?Photobiology?A：Chemistry?156(2003)179-187)，效率較低，且處于敞開體系，容易引起空氣污染。通過將滾筒或者轉盤電極部分浸在宏觀反應器中進行旋轉(D.D.Dionysiou，etal.，Environ.Sci.Technol.2002，36，3834-3843)，在電極的旋轉過程中，未浸入液體中的電極部分，其表面形成液層，液層的形成可以提高光電催化反應效率，但是在這種反應器的設計中，僅部分電極面積得到了有效的利用，電極面積利用率低，同時這種設計的滾筒或者轉盤式電極反應器也處于敞開式的反應系統，降解系統極易容易造成空氣污染。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種二氧化鈦納米管陣列電極光電催化薄層反應器，能應用于水體有機污染物的高效處理。

為實現這一目的，本發明通過設計一種具有陽極池和陰極池分離式結構特點的反應器，通過使用高效的雙面TiO₂納米管陣列電極，實現在一個光陽極雙面上進行高效的光電催化反應，通過陽極池薄層反應池的設計，提高有機物向電極表面的快速傳質，減小光在液層中的吸收損失，從而獲得大的催化面積/單位反應體積比，實現有機污染物的高效處理。

本發明的二氧化鈦納米管陣列電極光電催化薄層反應器，由陽極反應池和陰極池組成，陽極反應池為插有雙面鈦基TiO₂納米管陣列光陽極的石英玻璃薄層反應池，陰極池插有鉑電極。陽極反應池和陰極池之間通過管道連通，陽極反應池的進水口通過一個蠕動泵與儲液池相連，陰極池的出水口與儲液池相連，陽極反應池、陰極池與儲液池之間構成循環。陽極反應池及陰極池分別與電源連接。紫外燈布置在陽極反應池的兩側。

在陽極反應池中，雙面鈦基TiO₂納米管陣列薄膜光陽極兩側的液層厚度相同，控制在0.2～2mm厚；紫外光由陽極反應池兩側照射到雙面鈦基TiO₂納米管陣列薄膜光陽極的表面。光電催化反應過程中，儲液池中的溶液通過蠕動泵進入反應器進行循環。