光電液膜反應(yīng)器處理染料廢水的研究.pdf

1、目前，光電催化氧化作為一種新的水處理技術(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)室小型研究階段。雖然圍繞增大TiO2膜電極的表面積，選擇合適的電極基底材料以及設(shè)計(jì)高效的反應(yīng)器已經(jīng)做了大量的工作，但一直以來(lái)，反應(yīng)器中光能的利用率問(wèn)題往往被人們忽視。實(shí)驗(yàn)室研究所用的光電反應(yīng)器幾乎都是將光電極完全浸入反應(yīng)液中，這樣會(huì)引起以下幾個(gè)問(wèn)題：一是激發(fā)光的利用率低；二是傳質(zhì)效率不高；三是反應(yīng)器能耗高、裝置較為復(fù)雜。本文針對(duì)傳統(tǒng)光電反應(yīng)器激發(fā)光利用率低、傳質(zhì)效率不佳和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜

2、等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了三種光電液膜反應(yīng)器——轉(zhuǎn)盤(pán)光電液膜反應(yīng)器(RPEC)、斜板光電液膜反應(yīng)器(GSPEC)和雙轉(zhuǎn)盤(pán)光電池液膜反應(yīng)器(DRPC)，通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)或者廢水的循環(huán)流動(dòng)在光陽(yáng)極表面形成幾十微米厚的液膜，不但大大降低了激發(fā)光在到達(dá)光催化劑表面前，而且強(qiáng)化了廢水的傳質(zhì)效率。主要研究?jī)?nèi)容如下： ⑴通過(guò)直接熱氧化法、陽(yáng)極氧化法和溶膠.凝膠法制備了TiO2/Ti電極，考察了三種方法制備的電極的光電響應(yīng)性能：分別將三種電極組裝成動(dòng)態(tài)光陽(yáng)

3、極的轉(zhuǎn)盤(pán)光電液膜反應(yīng)器(RPEC)，處理羅丹明B(RB)模擬染料廢水，考察了其光催化活性及其影響因素。結(jié)果表明，550℃熱處理2小時(shí)的溶膠.凝膠TiO2/Ti電極(SG-TiO2/Ti)的光電響應(yīng)性能和光催化效率最佳。SG-TiO2/Ti電極的X-射線衍射(XRD)和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)分析結(jié)果表明，TiO2納米粒子在Ti基底上分布均勻，主要為銳鈦礦，粒徑約為50nm。SG-TiO2/Ti轉(zhuǎn)盤(pán)光電液膜反應(yīng)器處理RB的最佳條件為：

4、偏壓0.4V；pH2.5；0.5g L-1Na2SO4和轉(zhuǎn)速90 rpm。降解20mg L-1RB溶液90分鐘，色度及TOC去除率分別為97.2％和72.7％。SG-TiO2/Ti穩(wěn)定性和平行性都很好。處理印染廢水原水，同一片電極10次的平均脫色率為68.0±1.0％；10片TiO2/Ti電極的平均脫色率為67.6±2.4％。 ⑵RPEC與傳統(tǒng)光電反應(yīng)器(CPEC)處理染料廢水的對(duì)比結(jié)果表明，由于在轉(zhuǎn)盤(pán)光電液膜反應(yīng)器中，激發(fā)光

5、只需透過(guò)幾十微米的液膜即可照射到光陽(yáng)極表面，避免了反應(yīng)液自身對(duì)激發(fā)光的吸收而造成的光損失，大大提高了激發(fā)光的利用率；同時(shí)轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)加強(qiáng)了溶液的傳質(zhì)，最終使得轉(zhuǎn)盤(pán)光電液膜反應(yīng)器處理20-150 mg L-1RB的單位電極面積的RB去除量提高到傳統(tǒng)光電液膜反應(yīng)器的1.03-6.75倍。提高的倍數(shù)隨RB的濃度增加而增加，并與TiO2/Ti電極自身的光催化活性呈正相關(guān)關(guān)系。轉(zhuǎn)盤(pán)光電液膜反應(yīng)器還可有效處理實(shí)際印染廢水原水和預(yù)處理水，提高其可生化性

6、。降解150分鐘，脫色率分別達(dá)到81％和77％；TOC去除率分別達(dá)到51％和21％；BOD5/COD比值分別由32.6％和34％升高到48.5％和42.1％。 ⑶發(fā)展了靜態(tài)光陽(yáng)極的斜板光電液膜反應(yīng)器(GSPEC)，其處理RB的最佳條件為：偏壓0.8V；pH2.5；2.0gL-1Na2SO4和廢水流速7.7L h-1。降解20mg L-1RB溶液90分鐘，色度和TOC去除率分別為97.3％和76.2％。經(jīng)GC-MS分析表明，RB

7、的光電催化降解途徑主要是氧化過(guò)程，RB可被降解為小分子有機(jī)酸，直至礦化為CO2和H2O。處理50mg L-1活性艷紅X-3B(RBR)時(shí)，120分鐘的色度和TOC去除率分別為97.7％和85％；處理100mg L-1活性艷藍(lán)X-BR(RBB)時(shí)，120分鐘的色度和TOC去除率分別為69.5％和43.2％。同一片電極30次處理20 mg L-1 RB的平均脫色率為86.8±5.3％，標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.5％。與CPEC處理染料廢水的比較結(jié)果與R

8、PEC的結(jié)果類似，由于在斜板光電液膜反應(yīng)器中，通過(guò)廢水的循環(huán)流動(dòng)，同時(shí)強(qiáng)化了激發(fā)光的利用率和廢水的傳質(zhì)效率，最終強(qiáng)化了降解效率。處理印染廢水1(150分鐘)和印染廢水2(180分鐘)，脫色率均達(dá)到85％；TOC分別達(dá)到55％和51％。表明斜板光電液膜反應(yīng)器能夠有效地降解實(shí)際印染廢水。 ⑷通過(guò)添加NH4F對(duì)SG-TiO2/Ti摻雜，使光陽(yáng)極的光響應(yīng)波長(zhǎng)由400nm擴(kuò)展到440nm，但同時(shí)其紫外光響應(yīng)的光催化活性有所下降。無(wú)論是T

9、iO2/Ti電極還是摻雜TiO2/Ti電極，利用斜板光電液膜反應(yīng)器(GSPEC)均可利用免費(fèi)光源——太陽(yáng)光作激發(fā)光源，有效地使染料溶液脫色，從而進(jìn)一步降低光電催化水處理的能耗。 ⑸在RPEC的基礎(chǔ)上，本著進(jìn)一步降低RPEC的能耗和提高效率的思想，提出了雙轉(zhuǎn)盤(pán)光電池液膜反應(yīng)器(DRPC)，即將Cu電極制備成轉(zhuǎn)盤(pán)，與TiO2/Ti轉(zhuǎn)盤(pán)電極固定在伺一轉(zhuǎn)軸上，利用Ti與N型半導(dǎo)體TiO2接觸產(chǎn)生的肖特基勢(shì)壘，將光生電子自發(fā)轉(zhuǎn)移向Ti表

10、面，然后轉(zhuǎn)移至與之等電位的Cu電極表面，并在Cu電極表面被飽和溶解氧捕獲經(jīng)一步或多步生成H2O2，H2O2可進(jìn)一步參與染料的氧化降解，從而實(shí)現(xiàn)TiO2/Ti和Cu雙極氧化，由此達(dá)到進(jìn)一步提高效率和降低能耗的目的。雙轉(zhuǎn)盤(pán)光電池液膜反應(yīng)器對(duì)染料脫色具有普遍性，處理10種不同的染料30min，脫色率為16.9％-99.9％。處理印染廢水2，135分鐘的脫色率和TOC去除率分別達(dá)到90％和49％，表明它可快速、高效降解實(shí)際印染廢水。

11、⑹DRPC、RPEC和GSPEC的比較結(jié)果表明，DRPC比RPEC和GSPEC更高效，而且更低耗，更適合用于處理高濃度染料溶液。 ⑺采用冪指數(shù)方程法建立了RB廢水的轉(zhuǎn)盤(pán)光電催化多因素降解動(dòng)力學(xué)模型為：Ct= C0exp(-0.0604010.5383Q0.6670E0.8766R0.4666C0-0.6065t)該模型能較好地描述RPEC催化降解RB廢水的擬一級(jí)反應(yīng)過(guò)程。本文研制的三種液膜反應(yīng)器處理RB的表觀動(dòng)力學(xué)常數(shù)的大小順