[发明专利]光电协同催化降解污水装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种污水处理装置，特别是涉及一种将光化学氧化技术、光催化氧化技术和电催化氧化技术于一体并形成协同效应的光电协同催化降解污水装置。

背景技术

日前，生活污水和工业废水的种类和排放量日益增多，成分更加复杂，其中含有许多难降解有机物，如酚、烷基苯磺酸、氯苯酚、农药、多氯联苯、多环芳烃、硝基芳烃化合物、染料及腐殖酸等。其中有些有机物具有致癌、致畸、致突变等作用，对环境和人类有巨大的危害；因此，处理这类难以生物降解的有机废水成为我们面临的严峻挑战。

世界性的环境污染与生态破坏使人们对高效、节能、无二次污染的环境治理技术给予极大的关注。近年来，光催化氧化技术和电催化氧化技术作为有毒或难生物降解的有机污染物的处理方法引起了国内外学者持续的关注^，这两种技术都具有结构简单、操作条件容易控制、氧化能力强、无二次污染等优点，成为当前环境污染控制领域中最为活跃的两个研究热点，并显示出广阔的应用前景。

光催化技术是在半导体光催化剂的作用下，利用光能将污染物分解为无毒或毒性较低的物质的过程。基本原理是：当半导体光催化剂受到能量大于禁带宽度的光照射时，其价带上的电极受到激发，越过禁带进入导带，在价带上留下带正电的空穴，此光生空穴具有极强氧化性，可以夺取水中的电子，生产氧化性很强的羟基自由基，羟基自由基能够对电极表面附近的有机污染物进行无选择性的氧化，而且能发生所谓的“电化学燃烧”过程将有机物彻底氧化为CO₂和水；但在实际应用中，光催化氧化过程需要通入电子捕获剂，用于捕获光生电子，才能有效快速氧化降解有机物，常用的电子捕获剂是氧气。

从工程角度出发，光催化处理有机废水通常采用两种反应系统：

一种是悬浮光催化剂水处理系统，即将粉体状光催化剂材料分散于污水中，再施加光辐射，因光催化剂与有机污染物接触面积大，表现出良好的光催化氧化效率，多数情况下可以将有机物彻底矿化。然而，悬浮相粉体材料存在着难以回收、容易中毒等缺点；这些缺点使得该体系难以成为一项实用的技术。

另一种是固定化系统，即将光催化剂固化到适当载体上，再施加以光辐射，该系统还可借助于外加电场提高光催化反应效率；其原理是：在光催化体系中外加电场可以在光电极内部产生一个电位梯度，使得光生电子在电场作用下迁移到对电极，载流子得以分离，减少“电子-空穴”的重新复合，这样就能在半导体中维持较高的空穴浓度，有利于充分发挥光生空穴的氧化作用，从而提高光催化反应的效率。固定化技术克服了悬浮相体系中光催化剂难回收的缺点，并借助外电场来抑制“电子-空穴”的简单复合，相对来说实用性更强。但负载后催化剂的比表面积减小而带来的量子效应和表面和界面效应减弱等问题仍悬而未决。

电催化技术是指在外电场的作用下使电极、电解质界面上的电荷转移加速反应的一种催化作用，所选用的电极材料在通电过程中具有催化剂的作用，从而改变电极反应速率或反应方向，而其本身并不发生质的变化；即电催化作用包含电极反应和催化作用两个方面，因此电催化电极必需同时具有这两种功能：①能导电和比较自由地传递电子；②能对反应底物进行有效的催化活化作用。

在电催化过程必可避免阳极有氧气的析出，在单一的电催化氧化降解有机物中，氧气的析出被认为是副反应，浪费电能；因为阳极电解析出的氧气的氧化能力远不如羟基自由基、双氧水和臭氧，因此，阳极析出的氧气大部分析出到空气中，这就是等于浪费电能。为了抑制析氧副反应的发生，通常采用高析氧过电位的电极材料，如没有电催化活性的二氧化锡/钛基阳极，二氧化铅阳极，或者是掺杂硼的金刚石电极材料；这类材料的析氧过电位高，因此能有效减少析氧副反应发生，提高了电解效率。但这类材料的阳极的使用导致槽压高，实际能耗还是很高，因此并没有根本上解决能耗的问题。另外，电催化主要是将有机物降解成小分子的有机物，很难将有机物彻底降解成二氧化碳和水。

光化学氧化也是常用的一种有机废水处理方法。光化学氧化是在光的作用下发生的化学反应。光化学反应需要有机分子吸收特定波长的电磁辐射，受激发、产生分子激发态，之后才会发生化学变化到另外一个稳态，或者变成引发热反应的中间化学产物。光化学氧化技术存在以下不足：(1)在紫外光照射下，某些有机物能直接分解成小分子有机物或者是二氧化碳和水，但只能针对少部分有机物才有效，且光降解有机物的效率较低；(2)通常，光化学氧化技术需要加入臭氧、过氧化氢等作为氧化剂，过氧化氢在紫外光照射下能转变成氧化性能更强的羟基自由基，使污染物在紫外光照射下氧化分解。