[实用新型]光电协同催化降解污水装置

说明书

技术领域

本实用新型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。