[实用新型]转盘负载催化剂光电催化降解有机物反应器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种用于降解有机污染物的转盘式光电协同催化反应器。

背景技术

随着经济的飞速发展，传统的生化法和化学法处理废水已不能满足经济发展的需要。近年来出现许多新颖的处理技术，其中以TiO₂为代表的纳米半导体光催化处理废水技术成为了研究的热点，也是最具有工业应用前景的一项技术。

光激活半导体价带上的光生空穴，光催化氧化法由于光生空穴的强氧化性，如二氧化钛，其电位达3.2v，比臭氧的2.07v高得多，能彻底降解有机污染物，使之完全矿化生成二氧化碳和水，而且作用物几乎没有选择性，所以能使许多难以降解的污染物矿化(无机化)。降解过程可在常温常压下进行，不需要添加化学试剂，无二次污染，操作简便，原材料和能耗低等优点而受到关注。但由于光生空穴极易复合失去活性，量子效率低，限制了它的应用。同时，二氧化钛的价带与导带间的能级差，决定了其吸收波长处于近紫外光区。

绝大多数光催化方面的研究是在悬浮液体系中进行，悬浮液体系在使用过程中存在催化剂难以分离与回收困难的问题，实际上已成为二氧化钛等为基础的光催化剂方法难以商业化的原因之一。

大量的研究关注于提高二氧化钛光催化的效率。而这一过程的主要问题是量子效率太低，通常只有百分之几的数量级上。光激活半导体导带上的光生电子和价带上的光生空穴，除分别与催化剂表面吸附中心上吸附态的有机物进行化学反应外，总会发生简单复合，反应与复合的竞争，决定了过程的量子效率，可见提高量子效率的根本途径在于阻止光生电子和空穴发生简单复合。

如果把表面覆盖二氧化钛薄膜的导体作为光电极，在外加电场的作用下半导体内光生电子和空穴(载流子)会被更加有效的分离，这一电场增强效应明显地减少了简单复合。当对光催化剂施加电压时，所形成的Schottky势垒的电场，能使光生电子和空穴以电迁移的方式向相反的方向移动，实现分离，其中一部分可在简单复合之前抵达半导体表面进行化学反应。

一般的负载型催化剂，光需要通过溶液才能到达催化剂表面，溶液、尤其是有色溶液存在对光吸收、从而严重影响催化降解效果等问题。

发明内容

本实用新型目的是提供一种转盘负载催化剂光电催化降解有机物反应器，它装备有导电多孔材料上负载复合半导体光催化剂的多孔转盘阳极和具有电催化氧气还原生成过氧化氢的颗粒活性炭作为阴极，优化的催化剂可使用可见光作为光源。

更具体地说，阳极采用负载具有光电催化活性的多孔导电材料的转盘、具有对氧气电催化还原成过氧化氢作用的负极特征的活性炭作为阴极；驱动转盘转动的电机、安装在容器里的紫外或可见光源、提供电压的相关电源所构成。光电协同催化降解溶液中的有机污染物。

光电催化反应器：具有氧化作用的正极特性的阳极，多孔导电材料上负载有复合半导体光催化剂；具有对氧催化还原作用的负极特性的活性炭阴极，阳极、阴极之间用含有待降解有机废水和导电性无机盐的电解质溶液分隔；用来为电极提供直流偏压(0～10V)的电源；安装在电极正对面的紫外或可见光源及相关电源。

本实用新型还包含了制备光电催化剂以及把催化剂负载到多孔导电材料，采用电泳、溶胶-凝胶、电化学氧化等方法把所需数量的催化剂固定在多孔导电材料上。本实用新型还提供了促使流体通过光电催化反应器时增加与催化剂接触以使反应充分。

二氧化钛价带与导带间的能级差，决定了其吸收处于近紫外光区，因此，通常光催化剂的光源选用紫外灯，本实用新型通过用二氧化钛等半导体复合，使吸收光谱移至可见光区，因此可以选用可见光源，也可以利用太阳光。

具有微孔结构高表面积的载体，能优先吸附流体中的有机物，阳极、阴极同时参与光电协同催化降解有机物的反应，使降解效率大大提高。

在阳极方面，由于在电场的作用下，使光生空穴和光生电子得以分离，同时降低了吸附在电极表面和内部有机物降解反应的活化能，使阳极的降解效率大大提高。

反应器的阳极载体由多孔导电材料构成，多孔材料包括泡沫镍、乙炔黑与石墨粉加上聚四氟乙烯粘结的多孔石墨纤维、多孔石墨板或多孔活性炭纤维；多孔材料表面和内部负载具有光电催化降解有机物活性的催化剂。

阳极上负载的催化剂包括有过渡金属Ti、Fe，稀土金属La、Ce，贵金属Pt、Ag的一种氧化物、多种金属盐复配所得的金属氧化物半导体、掺氮的二氧化钛半导体；与上述半导体复合得光电催化剂。