[发明专利]基于纳米光催化材料的光声电协同降解有机废水的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于纳米光催化材料的光声电协同作用下来降解有机废水的方法及其装置，属光催化技术处理有机废水及环境保护工程技术领域。

背景技术

近年来，光催化氧化技术已经引起了材料学、化学和环境科学与工程学界的广泛重视，开展了大量的研究。实践证明，利用TiO₂光催化剂的光生空穴或活泼自由基，在常温、常压下就可以将一些毒性大、难生物降解的有机污染物彻底氧化为H₂O、CO₂等小分子。光催化技术不仅能够处理多种有机污染物，而且具有很好的杀菌及抑制病毒活性的作用。已经研究过的用于光催化的催化剂，包括TiO₂、ZnO、CdS、ZnS、AgI等。由于TiO₂催化活性高、化学性质稳定、价格低廉而且使用安全，是一种理想的光催化剂而被广泛研究。

然而，光催化降解有机废水的技术还存在很多问题。首先，使用的催化剂多是颗粒状的粉体，虽然能获得较好的降解效果，但是纳米级的粉体悬浮在处理后的废水中，使得后续的催化剂分离变得困难，催化剂回收的困难也使得粉体光催化技术难以得到实际应用。为了解决催化剂回收的困难，中国专利公开号CN 1565982A、CN 1415557A报道采用流化床方式制作降解装置，但是由于纳米级粉体的团聚现象，其降解率仍然不甚理想。其次，TiO₂催化剂在紫外光照射后，产生的光生空穴和光生电子十分容易复合，使得紫外光的利用率偏低。

近年来，一些新的研究对光催化技术存在的问题进行了改善。为了解决粉体催化剂的回收难题，近来研制的光催化装置选择用溶胶-凝胶法涂膜或粉体粘结成膜方式制备固载在基底材料上的催化剂膜(CN 1563490A、CN 1562776A)。该类型固化催化剂可以有效地进行催化剂的循环利用。同时，通过将固载后的催化剂制备成光电极，光-电协同催化技术得以应用。在光-电协同催化降解中，外加偏压导入的电场可以使光生空穴和电子更为有效的分离，大大提高污染物的降解效果。但新的问题随之而来，由于涂膜或粘结方式制备的催化剂膜与基底结合的并不牢固，在长时间的电压作用下，催化剂膜易开裂、脱落，最终将导致整个催化剂失去活性，降解装置失去效果。同时涂膜和粘结方式制备的催化薄膜反应面积较小，降解效果受到限制。

涂膜型光催化剂容易在电场协同作用下失活外，而且光-电协同主要依靠紫外光激发，在处理色度和浊度比较高的废水的时候，常常受制于体系透光率，使得能到达催化剂的光强较低，无法有效地激发催化剂，导致整个体系降解效率低。近来的研究发现，在无光条件下将超声辐照引入整个体系也能有效地激发光催化剂，对污染物进行降解。引入超声辐照可以有效地降解透光率低的废水，但由于超声辐照会对催化剂膜产生强烈的机械剪切作用，涂膜型光催化剂易从基底上脱落。故超声催化大多仍然使用粉体催化剂，这就使得催化剂循环利用重新又面临困难。为了能有效地整合多能场、充分地发挥出多能场的协同效率，突破光催化降解技术的应用难关，急需设计出新的催化技术。

发明内容

本发明的目的是在一种新的光催化技术基础上，将超声辐照、电场和光催化技术高效的结合，发挥出超声波和电场的特点，对传统的光催化降解进行补强，提出一种多能场作用下降解有机废水的方法及其装置。

本发明一种基于纳米光催化材料的光声电协同降解有机废水的方法。其特征在于：以纯钛箔片为基底，使用阳极氧化方法制备的TiO₂管阵列薄膜的纳米光催化材料作为光电极正极，以不锈钢箔片作为负极，以紫外光照射所述光电极，与此同时使用稳压电源对光电极施加一定电压，并使用探头式超声波发生器在有机废水体系中施加超声辐照，以达到光声电协同作用来降解有机废水，所述紫外光波长为365nm，对光电极施加的电压为0.6～2.0V，超声波的频率为18～30kHz。

本发明一种基于纳米光催化材料的光声电协同降解有机废水的方法所用的专用装置，其特征在于，包括有石英夹套容器，以纯钛箔片为基底，生长有TiO₂管阵列薄膜的纳米光催化材料的光电极正极，不锈钢箔片负极，曝气风帽，超声波探头，紫外灯，直流电源和曝气送气装置；所述的光电极正极和不锈钢箔片负极设置在盛装有有机废水的石英夹套容器中，该正负极通过导线与外面的直流电源的正负极相连接；石英夹套容器的夹套可通入冷却水以调节温度环境；在石英夹套容器的外侧设有紫外灯，以提供光催化紫外光源，其光波波长为365nm，在所述容器的顶部设置有超声探头；在所述容器的底部设置有曝气风帽，并通过管道与曝气送气装置相连接。