专利名称：可见光增强电催化降解有机废水的装置及方法
技术领域：
本发明属于光催化技术处理有机废水技术领域，具体涉及一种可见光增强电催化降解有机废水的装置及方法。
背景技术：
随着我国工业的发展，有机废水的排放量日益增加，光催化氧化技术是有机废水处理的新技术、新方法。光催化氧化技术是在污染体系中投加一定量的光敏半导体材料，同时结合一定量的光辐射，使光敏半导体在光的照射下激发产生电子-空穴对，吸附在半导体上的溶解氧、水分子等与电子-空穴作用，产生· HO等氧化性极强的自由基，再通过与有 机污染物之间的羟基加和、取代、电子转移等使有机污染物全部或接近全部矿化降解。但是光催化氧化技术在实际应用中存在诸多的不足及制约因素目前主要使用的光催化剂是二氧化钛，二氧化钛的禁带宽度为3. 2ev,由于光激发的能量需要大于或等于禁带，因此需要高能量的紫外光激发；光激发所产生的电子-空穴对极易复合，光催化的量子效率很低(一般小于0.1%);有机物分子需要吸附在光催化剂表面进行反应，而有机废水中有机物种类复杂，现有的光催化剂选择吸附性差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种可见光增强电催化降解有机废水的装置及方法，实现可见光光催化，并且可以选择性吸附有机物分子，实现选择性光催化。本发明公开了一种可见光增强电催化降解有机废水的装置，包括有机废水容器、光电阳极、阴极和直流电源，所述有机废水容器上设有入水口和出水口，所述光电阳极和阴极位于有机废水容器内，所述光电阳极包括导电基底和安装在导电基底上的硅片，硅片紧贴导电基底的一面设有金属镀层，另一面设有微米或纳米孔道，所述光电阳极的导电基底与直流电源的正极连接，所述阴极与直流电源的负极连接。进一步，所述导电基底上设有固定槽，所述硅片与固定槽可拆卸式连接。进一步，所述硅片的孔道孔径范围为20ηπΓ 5 μ m。进一步，所述阴极为导电玻璃阴极。进一步，所述光电阳极和阴极分别位于有机废水容器的背面和正面。进一步，所述有机废水容器的顶部设有搅拌装置。进一步，所述有机废水容器的底部设有曝气装置，所述曝气装置通过管道与送气装置连通。本发明还公开了使用上述装置降解有机废水的方法，以可见光照射所述光电阳极激发光电子和空穴，同时通过直流电源对光电阳极施加电压，使光电阳极在电场偏压协同作用下进行光催化降解有机废水。进一步，根据需要优先选择吸附的目标污染物的尺寸大小，在所述光电阳极上设置具有相应孔道孔径的硅片。
进一步，所述可见光为太阳光，直流电源对光电阳极施加的电压在1.2V以下，降解有机废水时对废水进行搅拌，搅拌速度为50(T2000 r/min。本发明的有益效果在于
I)本发明在光电阳极上设置硅片作为催化基材，硅属于半导体，带宽小，仅I. lev，电化学修饰后为最大带隙2. lev,均在可见光范围内即有吸收，可见光照射后即能激发光电子和空穴，进行光催化降解，因此，本发明采用可见光替代传统的紫外线激发光电子和空穴，实现了可见光光催化；
2 )本发明同时对光电阳极施加电压，加强了光电阳极对有机废水中有机粒子的吸附作用，达到了光电协同降解有机废水的目的；另外，硅半导体中的电子在电场驱动下转移更 快，整个体系的能量传输率提高，提高了反应体系的催化效率；
3)本发明中使用的硅片表面设有微米或纳米孔道，而硅片表面的这种几何形貌结构就充当了分子筛的作用，不同孔道孔径的硅片可以选择性吸附不同尺寸大小的有机物分子，实现了选择性光催化。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中
图I为本发明的可见光增强电催化降解有机废水的装置的结构示意 图2为本发明实施例I中采用电化学阳极氧化方法制备的硅表面形貌场发射扫描电镜(FESEM)照片；
图3为本发明实施例I中采用电化学阳极氧化方法制备的硅表面微米孔道场发射扫描电镜(FESEM)照片；
图4为本发明中采用的硅半导体材料的光/暗电流电化学循环伏安(CV)对比图。
具体实施例方式以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。实施例I
图I为本发明的可见光增强电催化降解有机废水的装置的结构示意图，如图所示，本实施例的可见光增强电催化降解有机废水的装置，包括有机废水容器I、光电阳极、阴极2和直流电源3，所述有机废水容器I上设有入水口 4和出水口 5，所述光电阳极和阴极2位于有机废水容器I内，所述光电阳极包括导电基底6和安装在导电基底6上的娃片7,娃片7紧贴导电基底6的一面设有金属镀层，另一面设有微米孔道，所述光电阳极的导电基底6与直流电源3的正极连接，所述阴极2与直流电源3的负极连接。本实施例中，所述导电基底6上设有固定槽，所述硅片7与固定槽可拆卸式连接，方便更换硅片7 ;导电基底6可以为金属板，如不锈钢板、镍板、铜板等。本实施例中，所述阴极2为导电玻璃阴极；所述光电阳极和阴极2分别位于有机废水容器I的背面和正面。本实施例中，所述有机废水容器I的顶部设有搅拌装置8 ;所述有机废水容器I的底部设有曝气装置9，所述曝气装置9通过管道与送气装置10连通。
本实施例中，硅片7 —面的金属镀层是采用真空离子镀将金属铝均匀镀于硅片的表面，硅片7另一面的微米孔道是采用电化学阳极氧化方法制备的，具体制备过程为将硅片夹于有O圈设计的单面阳极氧化反应器中，倒入体积比为1:7:10的氢氟酸、过氧化氢和无水乙醇混合反应液，钼电极为对电极，构成两电极电化学反应体系，电流密度50mA/cm2，氧化阳极时间为20分钟，形成的孔道孔径约为I μ m，其微观照片图2和图3所示。通过控制电化学阳极氧化过程中的反应时间、催化剂浓度和电流密度，可制备不同孔道孔径的硅片，控制孔道孔径从纳米级到微米级(20ηπΓ 5 μ m),实现选择性吸附。使用本实施例的装置降解有机废水的方法，以可见光照射所述光电阳极激发光电子和空穴，同时通过直流电源对光电阳极施加电压，使光电阳极在电场偏压协同作用下进行光催化降解有机废水。降解模拟废水为浓度O. 2M · Γ1苯酚和O. 2M · Γ1四乙酸二氨基乙烯的混合物，光照条件为太阳光，直流电源对光电阳极施加的电压为O. 8V，降解有机废水时对废水进行搅拌，搅拌速度为1000 r/min，反应时间lh，四乙酸二氨基乙烯降解效率93%，苯酚降解效率 85%。实施例2
本实施例的可见光增强电催化降解有机废水的装置与实施例I的区别在于硅片7 —面的金属镀层是采用真空离子镀将金属铝均匀镀于硅片的表面，硅片7另一面的纳米孔道是采用电化学阳极氧化方法制备的，具体制备过程为将硅片夹于有O圈设计的单面阳极氧化反应器中，倒入体积比为1:7:6的氢氟酸、过氧化氢和无水乙醇混合反应液，钼电极为 对电极，构成两电极电化学反应体系，电流密度30mA/cm2，氧化阳极时间为3分钟，形成的孔道孔径约为20nm。使用本实施例的装置降解有机废水的方法与实施例I相同，降解模拟废水为浓度O. 2M · L-1苯酚和O. 2M · L-1六氯联苯的混合物，光照条件为太阳光，直流电源对光电阳极施加的电压为O. 8V，降解有机废水时对废水进行搅拌，搅拌速度为1000 r/min，反应时间lh，苯酚降解效率92%，六氯联苯降解效率76%。实施例3
本实施例的可见光增强电催化降解有机废水的装置与实施例I的区别在于硅片7 —面的金属镀层是采用真空离子镀将金属铝均匀镀于硅片的表面，硅片7另一面的纳米孔道是采用电化学阳极氧化方法制备的，具体制备过程为将硅片夹于有O圈设计的单面阳极氧化反应器中，倒入体积比为1:10:6的氢氟酸、过氧化氢和无水乙醇混合反应液，钼电极为对电极，构成两电极电化学反应体系，电流密度40mA/cm2，氧化阳极时间为5分钟，形成的孔道孔径约为200nm。使用本实施例的装置降解有机废水的方法与实施例I相同，降解模拟废水为浓度O. 2M -L-1六氯联苯，光照条件为太阳光，直流电源对光电阳极施加的电压为I. 2V，降解有机废水时对废水进行搅拌，搅拌速度为600 r/min，反应时间lh，六氯联苯降解效率92%。实施例4
本实施例的可见光增强电催化降解有机废水的装置与实施例I的区别在于硅片7 —面的金属镀层是采用真空离子镀将金属铝均匀镀于硅片的表面，硅片7另一面的纳米孔道是采用电化学阳极氧化方法制备的，具体制备过程为将硅片夹于有O圈设计的单面阳极氧化反应器中，倒入体积比为1:7:6的氢氟酸、过氧化氢和无水乙醇混合反应液，钼电极为对电极，构成两电极电化学反应体系，电流密度30mA/cm2，氧化阳极时间为3分钟，形成的孔道孔径约为20nm。使用本实施例的装置降解有机废水的方法与实施例I相同，降解模拟废水为浓度O. SM -L-1苯酚，光照条件为太阳光，直流电源对光电阳极施加的电压为O. 8V，降解有机废水时对废水进行搅拌，搅拌速度为800 r/min,反应时间2h，苯酚降解效率97%。本发明在光电阳极上设置硅片作为催化基材，硅属于半导体，带宽小，仅I. lev,电化学修饰后为最大带隙2. lev,均在可见光范围内即有吸收，可见光照射后即能激发光电子和空穴，进行光催化降解，因此，本发明采用可见光替代传统的紫外线激发光电子和空穴，实现了可见光光催化。本发明同时对光电阳极施加电压，加强了光电阳极对有机废水中有机粒子的吸附作用，达到了光电协同降解有机废水的目的；另外，硅半导体中的电子在电场驱动下转移更快，整个体系的能量传输率提高(如图4所示，光电流较暗电流增加了 80倍，证明在可见光 照射下，电子转移的能量提高了 80倍)，提高了反应体系的催化效率。本发明中使用的硅片表面设有微米或纳米孔道，而硅片表面的这种几何形貌结构就充当了分子筛的作用，不同孔道孔径的硅片可以选择性吸附不同尺寸大小的有机物分子，根据需要优先选择吸附的目标污染物的尺寸大小，在光电阳极上设置具有相应孔道孔径的硅片，实现了选择性光催化。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种可见光增强电催化降解有机废水的装置，其特征在于包括有机废水容器(I)、光电阳极、阴极(2)和直流电源(3)，所述有机废水容器(I)上设有入水口(4)和出水口(5)，所述光电阳极和阴极(2)位于有机废水容器(I)内，所述光电阳极包括导电基底(6)和安装在导电基底(6)上的娃片(7),娃片(7)紧贴导电基底(6)的一面设有金属镀层,另一面设有微米或纳米孔道，所述光电阳极的导电基底(6)与直流电源(3)的正极连接，所述阴极(2)与直流电源(3)的负极连接。
2.根据权利要求I所述的可见光增强电催化降解有机废水的装置，其特征在于所述导电基底(6 )上设有固定槽，所述硅片(7 )与固定槽可拆卸式连接。
3.根据权利要求2所述的可见光增强电催化降解有机废水的装置，其特征在于所述硅片(7)的孔道孔径范围为20nnTl5iim。
4.根据权利要求I所述的可见光增强电催化降解有机废水的装置，其特征在于所述阴极(2)为导电玻璃阴极。
5.根据权利要求I所述的可见光增强电催化降解有机废水的装置，其特征在于所述光电阳极和阴极(2 )分别位于有机废水容器(I)的背面和正面。
6.根据权利要求I所述的可见光增强电催化降解有机废水的装置，其特征在于所述有机废水容器(I)的顶部设有搅拌装置(8)。
7.根据权利要求I所述的可见光增强电催化降解有机废水的装置，其特征在于所述有机废水容器(I)的底部设有曝气装置(9 )，所述曝气装置(9 )通过管道与送气装置(10 )连通。
8.使用权利要求I至7任意一项所述的装置降解有机废水的方法，其特征在于以可见光照射所述光电阳极激发光电子和空穴，同时通过直流电源(3 )对光电阳极施加电压，使光电阳极在电场偏压协同作用下进行光催化降解有机废水。
9.根据权利要求8所述的降解有机废水的方法，其特征在于根据需要优先选择吸附的目标污染物的尺寸大小，在所述光电阳极上设置具有相应孔道孔径的硅片(7)。
10.根据权利要求9所述的降解有机废水的方法，其特征在于所述可见光为太阳光，直流电源(3)对光电阳极施加的电压在I. 2V以下，降解有机废水时对废水进行搅拌，搅拌速度为 500 2000 r/min。
全文摘要
本发明公开了一种可见光增强电催化降解有机废水的装置及方法；本发明的装置包括有机废水容器、光电阳极、阴极和直流电源，所述有机废水容器上设有入水口和出水口，所述光电阳极和阴极位于有机废水容器内，所述光电阳极包括导电基底和安装在导电基底上的硅片，硅片紧贴导电基底的一面设有金属镀层，另一面设有微米或纳米孔道，所述光电阳极的导电基底与直流电源的正极连接，所述阴极与直流电源的负极连接；本发明的使用上述装置降解有机废水的方法，以可见光照射所述光电阳极激发光电子和空穴，同时通过直流电源对光电阳极施加电压，使光电阳极在电场偏压协同作用下进行光催化降解有机废水。本发明实现了可见光光催化和选择性光催化。
文档编号C02F1/72GK102730788SQ20121023878
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月11日 优先权日2012年7月11日
发明者乔雷, 张胜涛, 畅航 申请人:重庆三众环保投资顾问有限公司