[发明专利]基于二氧化钛纳米管阵列的光电催化反应器

说明书

技术领域

本发明属于环境纳米新功能材料技术领域，具体涉及一种基于二氧化钛纳米管阵列的光电催化反应器。

背景技术

由于二氧化钛催化技术所表现出来的反应条件温和、化学性质稳定、氧化能力强、适用范围广等特点，正受到各国环境科学工作者的关注。其中，纳米二氧化钛以其更高的催化效果更成为了研究热点之一。但是在实际应用中，悬浮态二氧化钛颗粒催化剂的团聚以及使用后分离、回收困难的问题成为了一个主要障碍。此外，悬浮态TiO₂颗粒对光的屏蔽作用也会影响光源的辐照深度，限制了悬浆体系光催化反应器的商业化推广应用。

传统的二氧化钛薄膜多采用溶胶—凝胶法、粘结剂法和化学气相沉积法等制备，不仅制备过程繁琐，而且此类薄膜与入射光子和污染物的接触面积较少，催化效率低，并存在易开裂、脱落及耐酸碱性能差等诸多技术问题。近年来，利用电化学阳极氧化法制得的二氧化钛纳米管阵列引起了人们极大的研究兴趣。其排列规整、高度有序，拥有更大的比表面积和更强的吸附能力，有望表现出更加优异的光电催化性能和光电转化效率。

虽然研究者们在光催化反应机理、催化剂制备和改性等方面做了大量的研究，但是光催化技术的实际应用能力仍然受到光催化反应器有效设计的制约和阻碍。阻碍光催化反应器实际应用的最大的问题依旧是耗费能源较大，而光降解效率低下。

纵观光催化反应器存在的问题，一方面，早期的悬浮相光催化反应器因其非均、稳定性差、易中毒、回收困难等缺点已渐被固定相光催化反应器所取代，而现有反应器大多采用粉体二氧化钛作为催化剂，所以都将重点放在了TiO₂粉末的固定化上。虽然的确有多种固定化的载体及方法，但是将粉末固定化的工艺繁复，增加了时间成本及能源成本、减少了光催化对环境的友好性。另一方面，现有的反应器往往单一利用高功率光源进行催化，这种通过高能耗而达到的处理效果，既没有达到令人满意的效果，又必定在实际应用中受到约束。再者，光催化反应器的效果与光源对污染物的穿透程度也有着很大的关系，除光纤反应器外，普通反应器在这方面皆有欠缺。

本发明基于以上的问题，提出了一种运用新型二氧化钛纳米管材料，联合电催化、溶氧曝气于一体的光催化反应器，在反应器中采用了转盘在催化剂表面产生液膜加速催化降解污染物，取得了很好的光催化效果。同时采用太阳能驱动电机、反射板等进一步降低能耗，最大程度上利用了能量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种催化效果更好，污染物降解率更高，能耗少的基于二氧化钛纳米管阵列的光电催化反应器。

本发明提出的基于二氧化钛纳米管阵列的光电催化反应器，由钛片1、石墨转盘2、紫外灯3、电源4、电动机5、曝气装置6和玻璃容器7组成，其中：钛片1为四片，每片钛片1双面长满二氧化钛纳米管阵列，四片钛片1均匀分布于石墨转盘2上，钛片1的一端固定于石墨转盘2上，电动机5连接石墨转盘2，紫外灯3一端固定于石墨转盘2的圆心处，玻璃容器7底部连接曝气装置6；电动机5连接电源4；四片钛片1和紫外灯3平行布置；石墨转盘2垂直插入玻璃容器7内，钛片1水平布置于玻璃容器7内； 当玻璃容器中装入污染物溶液，开动电动机5，带动石墨转盘2转动，石墨转盘2上的钛片1便跟随一起转动，使钛片1在液面上下之间往复运动，当钛片1从溶液中转动进入空气中，一部分溶液以液膜的形式附着在钛片1上被带入空气，在紫外灯3的照射下，钛片1对附着在其上的液膜中污染物进行降解；且电流会对光催化起到加强的作用，玻璃容器7底部的曝气使整个玻璃容器7中的溶液浓度分布更加均匀，同时曝气能加速二氧化钛阵列中电子和空穴的分离，更加有利于提高降解效率。

本发明提出的二氧化钛纳米管阵列采用阳极氧化法制备得到，制备工艺简单，稳定性好，机械完整性和抗磨损性强，降解效率高且可多次重复使用。具体步骤如下：

1）对高纯度钛片进行预处理，将厚度为0.5mm的钛片裁成尺寸为20cm×2cm的小片，在丙酮及去离子水中先后超声清洗5-10 min，清除附着于样品表面附着的污垢，晾干待用；

2）采用含水有机溶剂体系做电解液，配置丙三醇与水的混合液，并向其中投加质量分数为1.0%氟化铵，磁力搅拌以保证电解液的均匀，丙三醇与水的体积比为170:30；

3）以钛片为阳极，石墨片为阴极，分别与电源的正、负极相连，在电压40V下进行阳极氧化。反应过程中不断搅拌，反应4小时后，去除外加电压，取出氧化后的钛片用丙酮超声清洗15 min去除残留在钛片表面的电解液，再以去离子水冲洗，空气中自然晾干。