[发明专利]一种用于高效评价光电催化反应效率的水力波轮盘反应器

说明书

技术领域

本发明装置涉及一种用于高效光电催化联用技术评价研究的水力波轮盘反应器，主要用于光催化、电催化以及光电催化联用中光催化剂活性测试、动力学因素考察以及反应机理分析。

背景介绍

随着我国社会经济的快速发展，工业化和城市化程度的不断提高，我国水资源短缺与水污染问题日益突出，严重影响了人民的生活质量和身体健康，制约着我国社会、经济和环境可持续协调发展。目前常见的水污染控制手段包括有化学法、吸附法、生物法等。可见光催化技术因具有二次污染少、反应条件温和、操作简便、能耗低等优点而倍受关注，是水污染控制化学技术领域中一项重要的高级氧化技术。随着环境与能源问题的凸显，直接利用太阳能中可见光催化进行水处理被认为是价廉、高效、环境友好的技术之一。

近年来，可见光催化剂由于具有较强的太阳能吸收利用能力，逐渐成为新型光催化剂的研究热点。光催化剂作为半导体，具有特殊的外层电子结构，在紫外光照射下可以产生“空穴”效应。可见光催化剂在可见光波长范围内有明显的吸收，光催化活性较好，性质稳定。通过调节制备和改性方法，可以显著提高其可见光吸收能力，抑制光生电子和空穴复合，从而进一步提高其光催化性能。然而，现有可见光催化剂的光利用效率不高，光能转化率较差，而且现有的多种可见光催化剂为粉末材料，经过水处理应用之后，无法回收利用。因此，可见光催化剂在水污染控制领域的实际应用受到一定限制。

迄今为止，大量研究揭示出制约可见光催化过程中光能转化效率的主要问题之一是量子效率太低，反应速率不高。近年来有研究者从光源的合理利用、光催化剂的制备与掺杂、催化剂固定化等方面进行了大量研究。此外，还有采用电化学辅助的光催化方法，或称光电催化方法，以阻止光生电子和空穴发生简单复合以提高量子效率。外加电场的存在可延长TiO₂的空穴电子复合时间，增强“空穴”效应，增加紫外光利用率，从而生成较多的氢氧自由基。但是在以往的研究中，人们多注重TiO₂光阳极对光催化过程量子效率提高的促进作用，而很少关注其对光电催化传质过程的促进作用。目前，光电催化处理污水存在的问题有：1)光催化剂粒径一般为纳米级，在水处理过程中，若将光催化剂投入污水中应用，处理后很难将催化剂与水分离；2)曝气、紫外灯和电解电源的使用导致处理过程中存在一定能耗；3)由于传质动力学限制，在电极表面会产生浓差极化，降低光电效率；此外，其主要问题还在于，4)液固界面的传质和透光阻力依然较大，光能利用效率和产物扩散过程反应速率还有待提高。

水力波轮盘光电催化反应装置利用固定化光催化剂的波轮盘兼做光催化和电催化的反应介质，能解决光催化剂与水分离困难的问题；同时由于波轮盘面可滚动于水面的特点，在波轮盘面上构造一层极薄的水膜，使得光催化剂表面的传质膜厚度得到有效降低，从而提供光电极活化面积和传质速率以提高光催化量子效率。此外，波轮盘可以直接通电构成电催化阳极，一方面不断产生氢氧自由基使之用于降解污染物，另一方面与光催化体系协同，强化光催化处理污染物的效率。因此，该反应装置适用于含持久性有机污染物，特别是难降解痕量有机污染物工业污水的高效模拟处理，以此对光催化、电催化以及光电催化联用中光催化剂活性进行快速测试评价。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效评价光电催化反应效率的水力波轮盘反应器，即一种光电催化处理水中有机污染物的装置，它是利用光催化、电催化的联合作用实现对水中有机污染物的高效降解。这样的联合作用能提高降解过程所需的氢氧自由基浓度，进而提高有机污染物的降解效率。该光电化学反应装置可有效地将水中有机污染物降解为毒性较低的小分子有机物或无机物，处理迅速、净化效率高，且无二次污染问题。

本发明的技术方案是：一种处理难降解有机污染物的光电催化装置，包括一体式反应槽、负载光催化剂波轮盘及其固定化金属管、固定电极板、氙灯光源、恒电位仪直流电源、进水管、出水管以及金属导线等；所述的一体式反应槽为聚四氟乙烯材质；所述的负载光催化剂波轮盘及其固定化金属管和固定电极板材质为纯钛；所述的氙灯光源为市售型号，管状，功率500瓦，波长范围为340-1900nm；反应时，含有污染物的反应液由进水管流过一体式反应槽，带动波轮盘转动，在光电催化的共同作用下，实现水质净化，净化后的反应液由出水口流出。