一种用于有机污水处理的光驱动阴极电Fenton反应器的制作方法

本实用新型属于光电化学协同处理有机污染污水技术领域，具体地说是一种用于有机污水处理的光驱动阴极电Fenton反应器。

背景技术：

随着人类化学工业的发展，导致大量有机污染物进入水体，这给环境工作者提出了新的挑战。高级氧化技术可以破坏大部分有机污染物的分子结构，使其毒性降低，实现含有机废水的有效处置。但是大部分高级氧化技术存在能耗物耗较高的缺点，在实际应用中受到经济因素制约。因此，开发经济节约型水处理新技术，经济、高效处置有机废水已经成为水环境保护领域迫切需要解决的难题。

阴极电芬顿技术被认为是具有发展潜力的水处理技术之一，该技术可以降解矿化大部分有机污染物。目前存在的电芬顿反应器仍多采用电能输入的模式来达到有机物降解的目的，即仍未摆脱以能源输入来消耗有机污染物的模式，其能耗与物耗节约优势并不突出。

技术实现要素：

本实用新型涉及一种用于有机污水处理的光驱动阴极电Fenton反应器，该反应器无需外加直流电源，仅靠太阳光（模拟太阳光）光激发即可保证反应器中电流和电压，用以驱动阴极电芬顿反应顺利进行，同时阳极同样具备光催化降解有机污染物效能。

本实用新型的技术方案是：

用于有机污水处理的光驱动阴极电Fenton反应器包括反应池，在反应池上部横向放置有光催化阳极，在反应池底横向中间位置设有处气室，在处气室上部设有扩散阴极，曝气气泵通过管路与处气室连通，在管路上装有流量计和控制阀门，在反应池底连接有进水管，所述光催化阳极和气体扩散阴极之间通过导线连接，在导线上装有电流电压检测及调节装置，在反应池上部中间位置设置有光源，在反应池上部一侧设有出水堰，在出水堰下面设有出水管。

本实用新型的有益效果是：

本申请的反应器无需外加直流电源，仅靠太阳光（模拟太阳光）光激发即可保证反应器中电流和电压，用以驱动阴极电芬顿反应顺利进行，同时阳极同样具备光催化降解有机污染物效能，对有机污染物的处理具有高效迅速、节能降耗的特点。

附图说明

图1为本申请反应器的主视图。

图2为本申请反应器的侧视图。

图3为本申请反应器的俯视图。

图中，1-反应池；2-光催化阳极；3-阳极连接板；4-气体扩散阴极；5-处气室；6-进水管；7-出水堰；8-出水管；9-控制阀门；10-流量计；11-曝气气泵；12-电流电压检测及调节装置；13-光源；14-导线；水质监测电极15。

具体实施方式

为了解决上述缺陷，发明人发明创造了本申请所述污水处理装置。采用阳极表面处理法制备的表面刻蚀二氧化钛纳米管阵列钛板，这种光催化材料作为阳极，泡沫金属材料（泡沫铁、泡沫铜、泡沫镍等）作为阴极，构建原电池，实现光能驱动阴极电芬顿电池系统，该系统不需要外加直流电源，靠光能即可驱动，同时阳极同样具有光催化效果，实现光电协同对有机污染物有效降解。该技术目前具有明显的节能优势，应用前景广阔。

下面结合附图对本申请进行详细说明，

用于有机污水处理的光驱动阴极电Fenton反应器包括反应池1，在反应池1上部横向放置有光催化阳极2，在反应池1左、右两个相对的侧壁上固定有阳极连接板3，所述光催化阳极2设置在两块阳极连接板3之间。在反应池底横向中间位置设有处气室5，在处气室5上部设有扩散阴极4，阴极极板略大于气室上部开口，通过粘接方式固定于气室上部。曝气气泵11通过管路与处气室5连通，在管路上装有流量计10和曝气流量控制阀门9，在反应池1底连接有进水管6。所述光催化阳极和气体扩散阴极之间通过导线连接，在导线上装有电流电压检测及调节装置12（电流及电压调节及检测装置可以是可调电阻串联电流计与并联电压计，或可调电阻并联电化学工作站等模式，用于测量与调节光电流和电压大小。）在反应池上部中间位置设置有光源13（可以选择太阳光、氙灯、高压汞灯、路灯等光源），在反应池上部一侧设有出水堰7，在出水堰下面设有出水管8。待处理污水通过反应器池底部进水管6进入反应池，经过反应净化后从另一侧池顶出水堰7溢出，并通过出水管8出水。

所述光催化阳极2与反应池水表面的距离小等于0.5m。

所述反应池1中的污水内可放置有水质监测电极15（pH计、氧化还原电位计、溶解氧测定仪、离子选择性电极等）。

上述光催化阳极2是指采用阳极氧化法手段，将表面刻蚀为二氧化钛纳米管阵列的金属钛板，以及通过各种手段进行金属、非金属元素改性的二氧化钛纳米管阵列钛板。气体扩散阴极4是指各类泡沫金属材料，包含泡沫铁、泡沫铜、泡沫镍等金属单质材料，以及以泡沫金属为基础，表面涂有碳纳米管材料、碳纳米线材料、石墨烯材料等涂层的复合电极材料。

在模拟太阳光光源或太阳光13辐照下，位于池体上部的光催化阳极2吸收光子能量，从基态发生跃迁，跃迁至激发态，同时产生电子和空穴对。空穴对会与溶液中的氢氧根离子或者有机物发生吸电子反应，氢氧根离子可以转化为具有强氧化性的羟基自由基。该自由基可以与各类有机污染物发生反应，最终使其降解。而直接与空穴对接触的有机污染物，被夺取电子以后也会形成不稳定的有机物自由基，进而最终被氧化降解。

而光激发产生的电子，则通过导线14被传递至气体扩散阴极4，在阴极表面，与曝气气体中的氧气发生氧还原反应，生成过氧化氢。产生的过氧化氢与溶液中的亚铁离子发生芬顿反应，生成强氧化性的羟基自由基，对有机污染物进行氧化降解。同时，阴极表面也会发生铁离子还原为亚铁离子的电还原反应，这也会使得溶液中亚铁离子浓度得以维持，进而维持芬顿反应的持续高效进行。

因为光激发电子迁移产生电流和电压通过检测及调节装置11进行控制，主要检测电流大小，通过改变电阻调节反应器中光激发阳极和气体扩散阴极电压，实现有效控制。

气泵11供给加压空气，采用控制阀门9调节气量，通过流量计10计量曝气量，使加压空气通入反应器池底中间处气室5，并通过气体扩散阴极4曝气，进入待处理废水中。因为气体扩散阴极4和气室位于反应器池体底部中间部分，其气体上升过程中，会带动气室上部废水上升，因而池底部两边废水会补充至中部，进而推动池中废水形成中间上升两边下降的旋流流态，进而提高质量传递效果，促进废水中的污染物与光催化阳极表面、气体扩散阴极表面的接触提高降解效果。

反应过程中可以选择对待处理废水的pH值、氧化还原电位、溶解氧、不同离子浓度进行在线监测，分别采用pH计、氧化还原电位计、溶解氧测定仪和离子选择性电极3进行测定，进而更加精确控制电流、电压、曝气量、光照强度和进出水流速等控制参数，以使其降解效果最佳。

本权利要求反应器可以实现模拟太阳光或实际太阳光为光源，激发产生电流，驱动阴极电芬顿反应，无需外加直流电源，仅靠光照即可实现光与电芬顿技术联合处理水中有机污染物的目的。

光催化阳极横向放置于反应池表面水下0.5m以上，以提升模拟光源或实际太阳光辐照激发光催化剂的效果。除了阳极光激发产生电子空穴对可以促进强氧化性的羟基自由基降解有机污染物以外，光生电子也会通过导线被传递至阴极，参与阴极电芬顿反应，进一步生成羟基自由基，促进有机污染物降解和矿化。

泡沫金属为基础的阴极底部曝气，与空气接触面更容易发生氧还原反应，而产生浓度更高的过氧化氢；与溶液接触面，除了扩散反应生成的过氧化氢以外，还与溶液中的铁离子发生还原反应，使其还原为亚铁离子，维持溶液中亚铁离子的浓度相对稳定，进而提高溶液中芬顿反应的处理效率。所以，通过气体扩散阴极将电芬顿阴极两种还原反应进行了相分离，使其在不同空间和区域内同时发生反应，进而避免了传统阴极材料中两种还原反应的竞争。同时泡沫金属及以其为基础的各种复合膜层材料比表面积较大，因此阴极表面催化芬顿反应也成为有机污染物降解的一种重要途径。

泡沫金属阴极曝气除了上述加速氧还原反应、促进氧还原和铁离子还原反应相分离的目的外，曝气还促进反应池中水流的循环流态，提升反应器中的质量转递效果，促进了有机污染物与光激发阳极和阴极表面的接触，提升了有机物直接参与阳极表面氧化、阴极表面芬顿反应比率，同时也促进了溶液中的羟基自由基与有机污染物更为有效的接触和反应。总体大幅度提升有机污染物的降解效果。