专利名称：高效消除空气或水中环境污染物的复合光催化反应系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光催化及其环境污染治理技术领域。具体地说，本发明涉及一种高效消除空气或水中环境污染物的复合光催化反应系统。
背景技术：
以半导体氧化物为基础的光催化技术在洁净能源、环境保护和新材料等方面有广泛的应用背景和重大意义。然而，TiO2光催化剂量子效率太低，对太阳能的利用率不高，而其它的半导体，如CdS、ZnO等易于光腐蚀因而稳定性差，这些问题严重制约着光催化技术的大规模广泛应用。为改善光催化剂和光催化过程的效率，国内外进行了大量的探索研究。对半导体光催化剂进行了包括掺杂各种金属和非金属元素、复合第二种半导体甚至第三种半导体、在载体上的负载化、改变酸性、制造晶格缺陷、使之颗粒纳米化等等广泛的改性、修饰和制备研究；也对光催化过程进行了附加各种外场，如电场、微波场、超声波场和等离子体场等以强化催化剂光吸收率、光生载流子分离效率和延长其寿命为目的的探索。这些方法都不同程度地使光催化剂的物化性能及其光催化过程的效率有所改善，但效果仍不尽人意。从实际应用的角度来看，以TiO2基光催化剂为例，提高污染物的光催化转化率和催化剂在光催化过程的活性稳定性是光催化技术大规模工业应用必须要解决的最关键的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种可以持久地、高效地和方便地用于对空气和水中各种无机的和有机的微量污染物的光催化消除的高效消除空气或水中环境污染物的复合光催化反应系统。
本发明的技术方案如下，其特征在于它包括制氢反应器和污染物光催化分解反应器，制氢反应器和污染物光催化分解反应器之间用管道耦合构成，在水分解制氢反应器之前还设有与空气或氧气或含污染物的气源相通的管道。
本发明的系统能使光催化剂对环境污染物的光催化分解效率和活性稳定性有大幅度的提高。本发明人在世界上首次发现，在气相光催化反应中用含有少量氢气的氢-氧气的混合气代替氧气或空气作为氧化剂、在悬浮液光催化中改氧气或空气曝气为氢气-氧气混合气曝气提供光催化过程所需要的氧化剂，可以大幅度提高污染物的光催化转化率和稳定性。
对气体污染物以光催化剂颗粒作为固定床、对溶液中的污染物将光催化剂颗粒悬浮在溶液中。气体污染物的光催化分解以含有污染物的氢-氧混合气或氢-空气混合做载气，溶液中的污染物的光催化分解以氢气-氧气混合气鼓泡曝气。依据光催化剂的光响应能力，采用紫外光或采用可见光作光源照射催化剂床或悬浮液，混合气或水溶液中的污染物将被高效地分解，并且过程将保持长久的高活性和稳定性。
载气和曝气中加入少量氢气而导致光催化过程效率和稳定性提高的机制尚未完全搞清，据初步研究认为这很可能与催化剂的结构和组成、氧气和氢气在催化剂表面的解离吸附等有关。在光催化过程中，催化剂在操作温度下有效地解离吸附氧气和氢气分子，被吸附在催化剂表面的氢原子和氧原子由于非常活泼易于接受半导体光照后产生的光生电子和空穴，以致形成羟基自由基和超氧自由基，降低了光生电子和空穴的复合率，加速污染物的分解，并使催化剂在光催化过程中不易积聚中间物而具有自再生能力。
虽然在常规的非光催化中，给反应物料中添加氢气很常见且是方便的，但是对于光催化过程，添加氢气会大大增加过程的成本和能耗，这与光催化环境污染治理技术所追求的绿色环保低能耗理念背道而驰。本发明是按照这个发现所发明的一种高效光催化消除空气和水中污染物的耦合光催化反应系统。这种系统无需另外提供氢气气源，反应所需氢气由系统自身产生。
图1为本发明用于空气中污染物消除的复合光催化反应系统的一种结构示意图。
图2为本发明用于溶液中污染物消除的复合光催化反应系统的一种结构示意图。
图3为本发明用于溶液中污染物消除的复合光催化反应系统的一种结构示意图。
图4为本发明用于溶液中污染物消除的复合光催化反应系统的另一种结构示意图。
图5为本发明所用复合光催化系统中的三种光催化制氢单元的结构示意6为本发明所用复合光催化系统中的电解水制氢单元的结构示意图标号说明1—含有污染物的空气；2—净化后的空气；3—光源；4—制氢单元；5—导管；6—石英玻璃管；7—电源；8—氧气或空气曝气管；9—直流电源；10—接污染物光催化反应单元；11—光催化剂；12—光催化剂+含污染物水溶液；13—(光解水催化剂+光催化污染物分解催化剂+污染物水溶液)或(双功能催化剂+污染物水溶液)；14—光解水催化剂+水溶液；15—电极；16—光催化剂膜；17—含污染物水溶液；18—水溶液；19—镀膜电极1和镀膜电极2；20—金属电极1；21—电极2；22—电解质+水溶液。
具体实施例方式如图1、2和3所示，本发明包括制氢反应器和污染物光催化分解反应器，由制氢反应器和污染物光催化分解反应器构成复合光催化反应系统，在水分解制氢反应器之前还设有与空气或氧气或含污染物的气源相通的管道。
制氢反应器是一个电解水制氢系统或光催化水分解制氢系统或两电极产氢系统，所述的两电极产氢系统是将电极表面涂有光催化剂，构成一个两电极光催化产氢系统。制氢反应器为污染物光催化分解反应器提供所需要的微量氢气，两个反应器通过一个前置的气源连接，这个气源可以是空气或氧气或含有污染物的空气。
如图1、2和3所示，这种复合光催化反应系统，可以是一个全光催化耦合反应系统，由光催化自供氢单元和光催化污染物分解单元组成。前一个单元为光催化水分解制氢系统，它为后一个分解污染物的光催化反应单元提供所需要的氢气。所用催化剂可能是两种组成和结构不同的化合物，一种用于光催化分解水制氢，另一种用于光催化分解污染物；此时，两个独立的电解水产氢单元和光催化分解污染物单元之间通过管道连接。
如图4所示，这种复合光催化反应系统也可以是一个单一的耦合系统，所用催化剂为兼具两种性能的双功能光催化剂或两种催化剂的混合物，它们在水溶液中同时起光解水和降解有机物的作用(图4A)；这个系统也可由附着有双功能光催化剂的电极构成，水电解和有机物光催化分解同时进行(图4B)。
这种复合光催化反应系统也可以是一个电解水产氢单元和光催化分解污染物单元构成的耦合反应系统，两个单元也可合而为一，也可分列组合。对合而为一的系统，产氢和污染物光催化分解发生在同一个反应器内；而对分列组合系统，电解系统独立地为光催化污染物分解系统提供氢气，此时，相互独立的电解水产氢单元和光催化分解污染物单元之间通过管道连接。
无论上述那种工作方式，都能够达到对污染物的高效光催化消除的效果，既可以用于空气中污染物的消除，也可用于水中污染物的消除。
实施例1将一种光催化剂加入水溶液中或将其作为膜负载在电极材料上置于水溶液中，将光源置于溶液中或容器外围装上光源，构成一个光催化水分解系统。其特征功能是对水光催化光分解系统中的催化剂施加太阳光或波长200～800nm的人工光源，使水在催化剂的表面分解产生氢气和氧气。这种光催化制氢单元可以有多种结构。如图5所示的光催化制氢单元为悬浮液体系，即将光催化剂加入水中，用紫外光或可见光从管外或管内照射使水分解成氢气和氧气。还可以采用涂有光催化剂的电极体系，作为光催化制氢单元。
将另一种光催化剂装入石英玻璃反应器或负载在其它载体上并加装光源(人工紫外光或可见光源，太阳光)构成气相光催化反应单元(见图1)；或将催化剂颗粒(负载化的或非负载化的)加入含污染物的溶液中并加上光源构成液相光催化反应单元，见图2和图3。该单元的特征和功能是对催化剂施加太阳光或波长200～800nm的人工光源，使气相或水中的污染物光催化分解；所述的光催化反应器中的光催化剂可以为二氧化钛、经过渡金属(如Fe、Co、Ni、Pt、Pd、Ru、Rh等)掺杂修饰的二氧化钛、与其它氧化物复合的固体、被负载化的二氧化钛和膜；也可以为其它的光催化剂，如CdS、ZnO、Fe2O3、SnO2、ZrO2及其改性的复合物。该污染物光催化分解系统也可以有多种结构。对气体中的污染物，催化剂可采用填充固定床式装填，也可以采用薄膜化负载在多孔陶瓷、活性碳、活性碳纤维、玻璃纤维等材料催化剂并以平板式、多层式排布。光源可安装在外部也可安装在内部照射催化剂。
对气体污染物，所需要的载气由一个空气压缩泵、空气钢瓶、氧气钢瓶和前一个单元供给，即让含有污染物的空气或氧气流通过第一个单元带出由该单元所生成的氢气和氧气得到一个含有少量氢气的氢-氧-污染物混合气，它将作为第二单元的载气通过第二个单元，使其中的污染物和氢气发生光催化反应而消除。对溶液中的污染物，如水中的污染物，第二个单元为液相光催化反应单元，载气也由一个空气压缩泵、空气钢瓶、氧气钢瓶和前一个单元供给，它通过第一个单元时形成含有少量氢气的氧气或空气，该载气作为第二单元溶液的曝气气体。
由气源和上述两个单元将构成的复合光催化系统可用于对气相和溶液所含污染物的高效光催化处理。污染物包括含在空气中的和含在水中的各种有机的和无机的污染物，如醛、酚、醇、醚、烷烃、芳烃、杂环化合物、染料、农药、军用毒剂、氧化氮、氧化硫等等。
实施例2在一个装有含少量电解质的水溶液中插入两根铂电极组成一个常见的电解水装置，施加一定的电压使水电解产生氢气和氧气，根据需要构成一个符合第二单元需要的制氢单元。这个装置的特征和功能是能方便地控制氢气和氧气的释放量，而且产生的气体能够被方便地由前置的气体带进光催化污染物分解单元。
光催化污染物分解单元与实施例1相同。
用于这一复合光催化反应系统的电解水制氢单元采用图6所示的常规电解水装置。
实施例3如图4所示，对溶液中污染物的光催化分解，可以采用一个单一的反应器，同时将一种光解水的光催化剂、污染物分解的光催化剂悬浮在含有污染物的水溶液中，从外部或内部用紫外光或可见光照射悬浮液，由光解水催化剂产生的氢气和氧气被污染物光催化过程所利用；也可以采用双功能光催化剂，用同样的方式使污染物快速分解；还可以采用电极系统，将光催化剂涂覆在电极表面，施加一定的偏压和光照，使体系光催化产氢过程和污染物光催化分解过程相耦合，达到高效分解污染物的目的。
权利要求
1.一种高效消除空气或水中环境污染物的复合光催化反应系统，其特征在于它包括水分解制氢反应器和污染物光催化分解反应器，是将水分解制氢反应器和污染物光催化分解反应器耦合构成，在水分解制氢反应器之前还设有与含污染物的空气或氧气气源相通的管道。
2.根据权利要求1所述的高效消除空气或水中环境污染物的复合光催化反应系统，其特征在于对溶液中污染物的光催化分解，可以采用一个单一的反应器，同时将一种光解水的光催化剂和污染物分解的光催化剂共同悬浮在含有污染物的水溶液中，从溶液内或容器外部用紫外光或可见光照射悬浮液，由光解水催化剂产生的氢气和氧气被污染物光催化过程所利用；或者采用双功能光催化剂，以同样的方式光催化分解污染物；或者采用电极系统，将光催化剂涂覆在电极表面，施加偏压和光照，将光催化产氢过程和污染物光催化分解过程相耦合。
3.根据权利要求1所述的高效消除空气或水中环境污染物的复合光催化反应系统，其特征在于将水分解制氢反应器和污染物光催化分解反应器分为两个独立的单元，在水分解制氢反应器和污染物光催化分解反应器之间采用管道连接。
4.根据权利要求1和3所述的高效消除空气或水中环境污染物的复合光催化反应系统，其特征在于水分解反应器是一个电解水制氢系统或光催化水分解制氢系统或两电极产氢系统，所述的两电极产氢系统是将电极表面涂有光催化剂，构成一个两电极光催化产氢系统。
5.根据权利要求4所述的高效消除空气或水中环境污染物的复合光催化反应系统，其特征在于所述的污染物光催化分解反应器包括石英玻璃管或容器、光源、固体光催化剂和含有污染物的水溶液；将固体光催化剂悬浮于含有污染物的液体中，并置于石英玻璃管或容器中，光源安置在含有污染物的液体的中心，从侧面或上部照射含有污染物的液体；石英玻璃管或容器带有一个气体出口和入口。
6.根据权利要求4所述的高效消除空气或水中环境污染物的复合光催化反应系统，其特征在于所述的污染物光催化分解反应器包括外管、石英玻璃管、光源、光催化剂、气体污染物；光催化剂被装入所述的石英玻璃管内，或将光催化剂负载在载体上置于所述的石英玻璃管；光源外置于石英玻璃管外和外管内，光波通过石英玻璃管照射气体污染物，石英玻璃管带有气体出口和入口。
7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的高效消除空气或水中环境污染物的复合光催化反应系统，其特征在于所述的光催化剂是二氧化钛或由Fe或Co或Ni或Pt或Pd或Ru或Rh中的一种或一种以上的过渡金属掺杂修饰的二氧化钛固体，或者InVO3、SnCdS固体，或在金属基底上所负载的这些催化剂的膜或电极材料。
8.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7所述的高效消除空气或水中环境污染物的复合光催化反应系统，其特征在于所述的光源是太阳光和波长为200～800nm的人工光源，人工光源包括各种形状的汞灯、荧光灯。
全文摘要
本发明涉及一种高效消除空气或水中环境污染物的复合光催化反应系统。它能大幅度提高光催化剂对环境污染物的光催化分解效率和活性稳定性。它包括水分解制氢反应器和污染物光催化分解反应器，是将水分解制氢反应器单元和污染物光催化分解反应器单元耦合构成，在水分解制氢反应器之前还设有空气或氧气与含污染物的气源相通的管道。前一个单元为光催化水分解制氢系统，它为后一个分解污染物的光催化反应单元提供所需要的氢气，两个系统可以合而为一，也可以分列耦合。本发明能够达到对污染物的高效光催化消除的效果，既可以用于空气中污染物的消除，也可用于水中污染物的消除。
文档编号B01J8/02GK1695784SQ200510018500
公开日2005年11月16日 申请日期2005年3月30日 优先权日2005年3月30日
发明者付贤智, 王绪绪, 李旦振, 刘平, 戴文新 申请人:福州大学