[发明专利]一种灵敏的便携式光电催化化学需氧量传感器

说明书

本发明属于环境监测装置技术领域，公开了一种灵敏的便携式光电催化化学需氧量传感器。所述传感器由光源套管、三电极套装和容积为0.1～1L的反应池三部分构成，光源套管和三电极套装竖直插入反应池内；所述光源套管内设置LED紫外灯并在侧面设置透明窗口用于透光；所述三电极套装内设置三个孔道分别插入参比电极、对电极和氢化的TiO₂纳米阵列薄膜工作电极，工作电极的孔道侧面开设反应孔，反应孔与光源套管上的透明窗口正对。本发明以氢化的TiO₂纳米阵列作为光催化剂、内置LED紫外灯为光源，具有光电响应强、光生载流子复合率低和转移速度快的优点。且内置紫外光源体积小，便于携带，避免了紫外光源对操作者的损伤。

技术领域

本发明属于环境监测装置技术领域，具体涉及一种灵敏的便携式光电催化化学需氧量传感器。

背景技术

水资源是自然界不可或缺的部分，是世上一切物种的生命起源以及赖以生存的重要基础。我国是地球上水资源严重缺乏的国家之一，尽管淡水丰富，可是人均占有量还不到世界平均水平的四分之一。20世纪以来，由于我国人口的不断增长以及城市化、工业化的迅猛发展，不断有生活污水以及工业废水排入到河海中，大量的营养元素和有机污染物导致水体中浮游生物急剧繁殖，导致水质严重污染和恶化，从而导致生态平衡系统破坏。特别是珠三角和长三角地区，人口密度大、工业发展迅速，从而造成水资源污染尤其严重，给了人们一次严重的警告，水质监测的问题得到前所未有的关注。化学需氧量(COD)是用化学氧化法测定水样中还原性物质的量。将每升水样所消耗的氧化剂的量折算成需要的氧的质量，以mg/L为单位，能反映水体受有机物污染的程度，是废水处理中一个重要的水质指标，是水质监测分析中最常规测定的项目。在河流污染和工业废水性质的研究以及废水处理厂的运行管理中，它是一个重要的而且能够较快测定的物理量。目前常规测定COD的方法主要有高锰酸钾法或重铬酸钾法。但上述这些方法在操作过程中往往需要大量的实验药品、过程繁琐，费时且还可能对环境造成二次污染。近年来，为解决上述问题，人们提出了许多COD测定新方法，如化学发光技术、流动注射技术、臭氧氧化法、电化学法、光催化法和光电催化氧化法等等。由于光催化在常温常压下即可进行，不产生二次污染，且设备简单，催化剂可以回收重复使用。目前，光催化法一直是水处理研究的热点。

水中有机物在光催化剂表面被羟基自由基氧化的同时，反应体系中一些反应物(电子捕获剂)或生成物的浓度将发生变化，根据这些物质浓度的变化，便可测出水中COD的含量。基于此原理，发展出了一些新的光催化氧化体系来测定COD。Zhang Shanqing等人(Sensors and Actuators:B Chemical,2009,141(2):634)在ITO上生长TiO₂薄膜作为光催化电极，这种便携的，成本低廉和环境友好型的电极材料可以用于COD检测，具有快速，高效和准确的特点。TiO₂电极是光电催化氧化法测定COD的关键因素。随后周保学等发明了一种短TiO₂纳米管阵列光电催化化学需氧量传感器的制备方法(CN101509886A)，由于纳米管与基底的结合力强，光生电荷复合低，传输快，有利于提高钛基纳米管阵列传感器的稳定性、工作寿命和光电催化性能，因而有利于提高测定方法的稳定性和重现性。由于TiO₂只在紫外光下有响应，紫外光作为激发光源，在操作过程中紫外光对人体有一定的辐射损伤。张声森等公开了一种氢化的TiO₂纳米棒阵列应用于可见光光电催化化学需氧量传感器的制备方法(ZL201410570773.3)，检测COD的范围为0～300mg/L。但是在可见光下氢化的TiO₂对一些难降解的有机物不能完全矿化，产生的误差会比较大。目前光电催化氧化法测定COD的光源都是置于光电池之外，这种外置式的光源一般都需要大型的光源发生器提供，如氙灯，这样会导致大部分的光能被浪费掉，在操作过程中氙灯发出的紫外光对人体有一定的辐射损伤。而且，利用大型的氙灯作为光源特别不适合野外作业。

发明内容

为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种灵敏的便携式光电催化化学需氧量传感器。