申请日2007.04.24
公开(公告)日2008.04.02
IPC分类号C02F1/46
摘要
本实用新型涉及一种光催化与电催化协同处理有机废水的装置，污水从底部进水口流入，从顶部出水口流出，包括紫外光源、直流电源和电极，电极有正极性电催化三维电极、负极性电催化三维电极、正极性三维光催化电极，所述的三维电极和紫外光源呈水平取向，与由下而上污水的流动方向相垂直;所述的正极性电催化三维电极位于负极性电催化三维电极的下方，正极性三维电催化电极与负极性三维电催化电极之间设有多孔绝缘隔板;正极性三维光催化电极分别位于负极性三维电催化电极之上，且在负极性三维电催化电极与正极性三维光催化电极之间设有多孔绝缘隔板。其具有不同特征的多个反应区，可处理常规方法不能解决的有机废水，效果好、节能、维护方便。
権利要求書
1.一种光催化与电催化协同处理有机废水的装置，污水从装置 底部进水口流入，从顶部出水口流出，包括紫外光源、直流电源和电 极，电源正输出端接入正电极，负输出端接入负电极，其特征在于： 所述的电极有正极性电催化三维电极、负极性电催化三维电极、正极 性三维光催化电极，其中，所述的三维电极和紫外光源呈水平取向， 与由下而上污水的流动方向相垂直;所述的正极性电催化三维电极位 于负极性电催化三维电极的下方，正极性三维电催化电极与负极性三 维电催化电极之间设有多孔绝缘隔板;正极性三维光催化电极分别位 于负极性三维电催化电极之上，且在负极性三维电催化电极与正极性 三维光催化电极之间设有多孔绝缘隔板。
2.根据权利要求1所述的光催化与电催化协同处理有机废水的 装置，其特征在于：设有上、下二个正极性三维光催化电极，紫外光 源处于上、下正极性三维光催化电极之间。
3.根据权利要求2所述的光催化与电催化协同处理有机废水的 装置，其特征在于：正极性三维电催化电极和二个正极性三维光催化 电极接入直流电源的正输出端，负极性三维电催化电极接入直流电源 的负输出端。
4.根据权利要求3所述的光催化与电催化协同处理有机废水的 装置，其特征在于：所述的紫外光源与上、下正极性三维光催化电极 保持距离，以形成不少于3cm厚度的液相区。
5.根据权利要求4所述的光催化与电催化协同处理有机废水的 装置，其特征在于：所述的紫外光源为低压汞灯或高压汞灯。
6.根据权利要求5所述的光催化与电催化协同处理有机废水的 装置，其特征在于：所述的低压汞灯或高压汞灯采用多灯管，用石英 管作为灯管的外套。
7.根据权利要求3所述的光催化与电催化协同处理有机废水的 装置，其特征在于：所述的正极性三维电极是由主电极和粒子材料构 成，主电极是表面被镀覆析氧过电位高的InO2-Ta2O5/SnO2(Sb)-PbO2 金属氧化物催化剂的多孔钛板，粒子材料是硅酸铝小珠或硅胶、 r-Al2O3颗粒中的一种作为基体，表面修饰导电的金属氧化物 MnO2-SnO2(Sb)-PbO2。
8.根据权利要求3所述的光催化与电催化协同处理有机废水的 装置，其特征在于：所述的负极性三维电催化电极由主电极和粒子材 料构成，其中，主电极是表面镀Pb的铜网或不锈钢网;粒子材料是 经防水活化处理的炭粒床。
9.根据权利要求8所述的光催化与电催化协同处理有机废水的 装置，其特征在于：主电极处于炭粒床居中的位置。
10.根据权利要求3所述的光催化与电催化协同处理有机废水的 装置，其特征在于：所述的正极性三维光催化电极由主电极和粒子材 料构成，其中，主电极是表面修饰了InO2-Ta2O5/SnO2(Sb)导电氧化膜 和/或SnO2/TiO2光催化膜的钛网;粒子材料是石英玻珠、颗粒活性 炭或硅胶作载体，表面修饰锐钛矿型的纳米TiO2半导体光催化剂。
说明书
光催化与电催化协同处理有机废水的装置
技术领域
本实用新型涉及光催化与电催化协同处理有机废水的装置，属于 电化学技术领域。
背景技术
现代工业的飞速发展，使废水排放量日益增加，也使废水中有机 污染的种类越来越多。在成分繁杂的有机物中，大部分都是很难被微 生物降解的物质，无法采用常规的生物技术进行污水处理。若采用吸 附法或膜过滤法，则容易造成有机物的二次污染。虽然近年来，以 TiO2半导体作光催化剂的光催化技术被证明能使污水中绝大多数有 机物转化为容易生化处理的物质，甚至被彻底矿物化——变成CO2 和H2O等简单的无机分子，但是存在着有机物降解速率较低的问题， 仍有待进一步解决。
为了提高污水中有机物转化为可生化处理的物质，或转化为矿物 性物质(CO2和H2O等简单的无机物)的反应速度，本实用新型提出 了一种新的技术方案。
发明内容
本实用新型目的在于提供一种光催化与电催化协同处理有机废 水的装置，从而提高污水中有机物转化为可生化处理的物质，或转化 为矿物性物质的反应速度。
本实用新型目的通过下述方案实现：一种光催化与电催化协同处 理有机废水的装置，污水从装置底部进水口流入，从顶部出水口流出， 包括紫外光源、直流电源和电极，电源正输出端接入正电极，负输出 端接入负电极，所述的电极有正极性电催化三维电极、负极性电催化 三维电极、正极性三维光催化电极，其中，所述的三维电极和紫外光 源呈水平取向，与由下而上污水的流动方向相垂直;所述的正极性电 催化三维电极位于负极性电催化三维电极的下方，为了防止电流短 路，正极性三维电催化电极与负极性三维电催化电极之间设有多孔绝 缘隔板;正极性三维光催化电极分别位于负极性三维电催化电极之 上，且在负极性三维电催化电极与正极性三维光催化电极之间也设有 多孔绝缘隔板。
在上述方案基础上，设有上、下二个正极性三维光催化电极，紫 外光源处于上、下正极性三维光催化电极之间。即：两个正极性三维 光催化电极分别位于负极性三维电催化电极和紫外光源之上。
正极性三维电催化电极与负极性三维电催化电极之间、负极性三 维电催化电极与正极性三维光催化电极之间均有多孔的绝缘隔板。
其中，正极性三维电催化电极和二个正极性三维光催化电极接入 直流电源的正输出端，负极性三维电催化电极接入直流电源的负输出 端。给三维电催化电极提供工作电流，给三维光催化电极提供正向偏 压。
另外，所述的紫外光源与上、下正极性三维光催化电极保持距离， 以形成不少于3cm厚度的液相区。
所述的紫外光源为低压汞灯或高压汞灯。
所述的低压汞灯或高压汞灯采用多灯管，用石英管作为灯管的外 套。
所述的正极性三维电极是由主电极和粒子材料构成，其中，主电 极是表面被镀覆析氧过电位高的金属氧化物催化剂的多孔钛板，粒子 材料是硅酸铝小珠或硅胶、r-Al2O3颗粒中的一种作为基体，表面修饰 导电的金属氧化物。
所述的负极性三维电催化电极由主电极和粒子材料构成，其中， 主电极是表面镀Pb的铜网或不锈钢网;粒子材料是经防水活化处理 的炭粒床。
负极性三维电催化电极的主电极可设置在炭粒床居中的位置。以 利于还原反应完全。
所述的正极性三维光催化电极由主电极和粒子材料构成，其中， 主电极是表面修饰了InO2-Ta2O5/SnO2(Sb)导电氧化膜和SnO2/TiO2光 催化膜的钛网;粒子材料是石英玻珠、颗粒活性炭或硅胶作基体，表 面修饰纳米TiO2半导体。
本实用新型的工作原理是：进入工作状态时，自下而上形成反应 特征不同的4个区域：
1、正极性三维电催化电极是一个电催化氧化反应区。在这个区域中 进行着3种氧化反应：
a.有机分子在电极表面直接被电化学氧化：
RH→氧化产物+ne ①
b.水分子在催化剂(MOX)表面被电化学氧化产生·OH自由基和氧 气(O2)的反应：
MOX+H2O→MOX[·OH]+H++e ②
2MOX[·OH]→2MOX+O2+2H++2e ③
·OH自由基是一种氧化性极强的物质，其氧化电位为2.85V比臭 氧(2.07V)和H2O2(1.77V)高得多，故能使绝大多数的有机物发 生氧化反应，引发碳链裂变，最终降解为CO2和H2O等简单的无机 分子：
RH+MOX[·OH]→…→MOX+CO2+H2O ④
由于主电极和粒子材料表面修饰的催化剂是析氧过电位高的金 属复合氧化物，它对①、②反应十分有利，换言之，它能加速有机分 子的氧化降解速度。反应③则是一种副反应。
2、负极性三维电催化电极是一个电化学还原反应区。在这个区域中 主要进行着2种还原反应：
a.具有还原性基团的有机分子被电化学还原，引发链的断裂和降解。
b.下方正极的副产物O2从负极性三维电极表面获得电子被还原生成 H2O2：
O2+2H2O+2e→H2O2 ⑤
由于O2的还原电位比H+高，以及炭质材料是反应⑤的良好催化 剂，故此区域又是现场电化学合成H2O2的场所。
3、正极性三维光催化电极是光催化氧化有机物的区域。电极表面的 TiO2半导体光催化剂受紫外光子hγ的激发表面产生大量的电子(e-) 空穴(h+)对：
TiO2+hγ→(h++e-)/TiO2 ⑥
光生电子在正向偏压的作用下，经外电路移向负极性三维电催化 电极，参与有机分子和O2分子的电化学还原反应;比·OH自由基氧 化能力更强的高能量光生空穴(h+)可引发两种氧化反应：
a.光生空穴(h+)直接氧化有机分子，使之降解;
b.光生空穴(h+)氧化OH-离子，产生·OH自由基，进而氧化有机 分子(RH)
RH+·OH→…→CO2+H2O ⑦4、紫外光源附近的液相区是光化 学氧化有机物的区域。由④式生成的H2O2传递至本区域后，在紫外 光的作用H2O2发生断链生成·OH自由基：
H2O2→2·OH ⑧
进而氧化有机分子(见⑦式)。
由上述可知，由下而上流动着的有机污水要经过4个反应区和经 历多种反应途径，而且除液相光化学氧化区外，其它均采用面体比极 大、孔隙率极高的三维电催化、光催化反应床结构，这样增加了污水 与催化剂的接触面积及紫外光在光催化床的吸收面积，减少了反应物 的迁移路程，增加了有机分子有效碰撞电催化剂和光催化剂的几率， 因而有利于加速有机物的氧化降解速度。此外，装置中合理的正负电 催化电极之间及电催化与光催化电极之间的相对空间位置与构型，使 电催化与光催化之间形成了一种良性的协同作用——电催化正极析 出的副产物O2成为负极现场合成H2O2的原料，电催化负极合成的 H2O2成为光化学产生·OH自由基不可缺少的物质，负极性电催化电 极与正极性光催化电极构成偶合电极，使光催化电极获得正向偏置电 压;减少了光生电子一空穴的复合，提高了光催化氧化有机物的效率; 较易氧化的有机物首先由电催化分解，剩下的难分解的有机物由氧化 力最强但相对能耗较大的光催化处理，有利于提高污染物的净化速度 和节能。如此种种的协调作用，为增加装置的水处理效果，降低能耗 和处理成本有重要的贡献。因此本装置是一种使污水中有机物获得较 快的速度转化为容易生化处理的物质或转化为无机物，如：CO2和 H2O的新型电化学水处理装置。