[發明專利]基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應機理的水處理裝置

無效

• 申請號: 201210014154.7
• 申請日: 2012-01-18
• 公開（公告）號: CN102583638A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 周向俊;劉和義;李濤;劉金強;楊晨;陳炎
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: C02F1/32
• 分類號: C02F1/32;C02F1/72
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

技術領域

本發明屬于有機污染物廢水處理領域，特別是一種基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應機理的水處理裝置。

背景技術

有關二氧化鈦光催化技術的研究已近40年，且幾年得到了長足的發展。與該技術的領先國家相比，我國在納米二氧化鈦的加工與應用方面還存在不小的差距。但我國的鈦資源豐富，居全球之首，其儲量占全球的45%，而納米二氧化鈦的用途又極為廣泛，存在廣闊的市場前景，因此，盡快開發出高附加值的納米二氧化鈦相關產品并將其應用是極為必要和迫切的。

半導體光催化劑大多是n型半導體材料，都具有區別于金屬或絕緣物質的特別的能帶結構，即在價帶和導帶之間存在一個禁帶。由于半導體的光吸收閾值與帶隙具有式K=1240/Eg(eV)的關系，因此常用的寬帶隙半導體的吸收波長閾值大都在紫外區域。在紫外光照射下，光子能量高于半導體吸收閾值的光照射半導體，半導體的價帶電子發生帶間躍遷，即從價帶躍遷到導帶，從而產生光生電子(e-)和空穴(h+)。此時吸附在納米顆粒表面的溶解氧俘獲電子形成超氧負離子，而空穴將吸附在催化劑表面的氫氧根離子和水氧化成氫氧自由基。而超氧負離子和氫氧自由基是世界公認的強氧化劑，能快速無選擇性地將絕大多數的有機物氧化至最終產物CO₂和H₂O₂，甚至對一些無機物也能徹底分解，并可迅速殺滅水中的細菌和病毒，且不帶來二次污染。半導體光催化氧化操作簡單，能耗低，經濟效益與環境效益顯著，所以在水處理領域潛力巨大，應用前景廣闊。

工業中實際的水處理過程復雜，工作環境惡劣。因而對半導體光催化劑的性能有很高的要求。在眾多的半導體光催化劑中，二氧化鈦因其優良的光催化性質、良好的化學穩定性以及抗腐蝕、無毒無害、沒有二次污染等一系列優點，在工業水處理方面顯示出十分誘人的前景，備受重視和關注。

二氧化鈦傳統的應用形態主要為納米粉、薄膜和負載，但均存在難以克服的缺陷。如納米粉雖然在水中可以與液體接觸充分，但反應后與水分離回收難度大；薄膜和負載雖然解決了反應后回收難的問題，但其比表面積和活性低、易脫落，因此極大限制了二氧化鈦的實際應用。作為二氧化鈦的一種新型應用形態，納米晶二氧化鈦纖維為解決上述實際應用過程的難題提供了一種可行的方案。纖維具有彈性模量大，塑性形變小，強度高等特點。其長徑比極大的纖維形態優勢，可以方便地設計出以纖維為載體的填充式反應器。在紫外燈的光照下，水直接流經纖維發生光催化反應，反應后直接分離。纖維的本體即為二氧化鈦納米晶粒和納米氣孔共存的多晶體組織，因其納米尺度的特點，故比表面積大，光催化活性高。與此同時，纖維在水中呈分散交織的三維分布狀態，水在流動的過程中與紫外光透過間隙反應，接觸面積大，催化效率高，所以納米晶二氧化鈦纖維的應用有望實現高效連續的動態水處理工藝，創造良好的經濟與環境效益，具有重要的實際應用價值。發明專利CN.200410024265.1和CN.201010144227.5揭示了納米晶二氧化鈦纖維的制備方法，并已經得到授權，有效解決了材料的來源問題。

但要實現高效連續的動態納米晶二氧化鈦纖維光催化處理，首先要進行光催化反應器的結構創新優化設計，使之對納米晶二氧化鈦纖維有很好的催化效果，然后以反應器為主體，系統組合成一種高效穩定的循環水處理工藝。

進行納米晶二氧化鈦光催化反應器的結構創新優化設計和高效的循環水處理工藝時，需重點考慮以下幾個問題：①如何最大限度地利用紫外光，降低光的損耗，實現光在反應器均勻照射液面；②如何保證反應器中不同時刻的水流在光催化下程度一致，使其處理均勻；③如何有效地降低水流在反應器內與纖維接觸時的速度，延緩光催化反應時間，同時避免纖維因水流過急而斷碎、流失；④如何設計出結構簡單、低成本的反應器，使之具有較強的實際應用性。