[发明专利]一种染料敏化光电催化降解装置及其应用

说明书

技术领域

本发明属于工业污水处理技术，特别涉及一种染料敏化光电催化降解装置及其应用。

背景技术

很多持久性有机污染物能够致癌、致畸、致突变，对人类生存繁衍和可持续发展构成严重威胁。近年来有机污染物的降解已经引起了人们的高度重视，如何提高对此类物质的降解成为国际上研究最为活跃的领域之一。太阳能是一种清洁可再生能源，开发太阳能降解有机污染物是保护人类赖以生存的生态环境的重要课题。

利用二氧化钛（TiO₂）纳米晶体光解有机污染物一直受到研究者的青睐。主要原因是这种纳米材料具有较高的光催化反应活性并且价格低廉、无毒无害。纳米TiO₂光催化剂在光照的条件下产生强氧化性的自由基（·OH），能彻底降解几乎所有的有机物，并最终生成H₂O、CO₂等小分子，此外，光催化反应还具有反应条件温和，反应设备简单，二次污染小，操作易于控制，催化剂材料易得，运行成本低等优点，因而，应用TiO₂的光催化降解有机物的研究，受到人们的广泛关注，成为国内外最活跃的研究领域之一。但二氧化钛纳米晶的广泛工业应用仍受到两方面的制约。其一，在于二氧化钛对太阳能利用效率低，这是由于TiO₂半导体的导带与价带的间隙较宽（E_g=3.2eV），决定了其只能吸收385nm以下波长的紫外光,而太阳光谱中只有5%为紫外光，因而对太阳光能量的利用率非常低，限制了其在光催化降解有机污染物中的使用。其二，二氧化钛纳米颗粒的分离比较困难，也限制了实际的应用。将二氧化钛制成薄膜是解决催化剂分离的有效方法之一，另外，通过染料敏化将二氧化钛的光催化响应范围拓展到可见光区，但在染料吸收光子产生电子，并生成高活性的氢氧自由基分解污染物的过程中，也会降解染料本身，最终导致敏化TiO₂可见光催化体系失活。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供染料敏化光电催化降解装置及其应用，该降解装置结构新颖、易于实施、降解效率高且使用寿命长。

本发明的技术方案：

一种染料敏化光电催化降解装置，由二氧化钛薄膜电极组件和阳电极构成，二氧化钛薄膜电极组件由玻璃基体、纳米二氧化钛薄膜、染料敏化膜、电解液和对电极组成，附着于玻璃基体上的纳米二氧化钛薄膜设有两个功能区域，即位于可见光照射的上部染料敏化区域和位于待降解有机物的下部降解区域，位于上部染料敏化区域的纳米二氧化钛薄膜用染料敏化并形成染料敏化膜，位于下部降解区域的纳米二氧化钛薄膜为降解电极，染料敏化膜和对电极两端分别用封口胶粘合密封形成夹心层结构，夹心层结构中间充满电解液；对电极和阳电极用导线直接连接，或者通过恒压直流电源间接连接，即对电极连接恒压直流电源的负极，阳电极连接恒压直流电源的正极。

所述对电极为铂、钯、铑金属电极或碳基电极。

所述阳电极为铂、钯、铑金属电极或碳基电极。

一种如所述染料敏化光电催化降解装置的应用，用来降解有机污染物，方法是将降解电极和阳电极分别放入两个降解容器里，或者放入同一个降解容器里。

本发明的工作机理：

为了达到染料不被降解的目的，必须把染料与待降解的有机污染物分开，设置在不同的区域。我们设计将负载在某载体上的TiO₂薄膜分成两区域，区域之一吸附染料，区域之二用来降解有机污染物。当太阳光照射吸附有染料的TiO₂的薄膜，染料吸收光产生激子，将电子注入到TiO₂的导带中，该电子通过TiO₂的导带传输到降解区域，处于TiO₂的导带的电子具有较高的能带，可以与氧气反应生成氧负离子（O₂^·-），氧负离子进一步生成高活性的氢氧自由子（·OH），将有机污染物分解成二氧化碳和水，达到降解有机污染物的目的。给出电子的染料成为带正电荷，如果不能获得一个电子再生，则不再吸收光产生电子，光解反应也将停止。为了使染料不断地吸收光子产生电子，让降解反应持续进行，我们采用与敏化区域面积相当的镀铂导电玻璃（对电极）覆盖其上，夹层用电解液充满后密封，类似于染料敏化TiO₂太阳能电池的结构。对电极与恒压直流电源的负极相连，将电子输送到电解质，被氧化的染料通过电解质的氧化和还原反应获得电子而再生。阳电极与恒压直流电源的正极相连，该电极也具有强氧化性，直接氧化降解污染物，或氧化水生成氢氧自由子（·OH）。