【摘要】： 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)雜等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了三種光電液膜反應(yīng)器——轉(zhuǎn)盤光電液膜反應(yīng)器(RPEC)、斜板光電液膜反應(yīng)器(GSPEC)和雙轉(zhuǎn)盤光電池液膜反應(yīng)器(DRPC),通過(guò)轉(zhuǎn)盤的轉(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,由于有機(jī)溶液自身的長(zhǎng)程吸收而引起的光損失,而且強(qiáng)化了廢水的傳質(zhì)效率,同時(shí)由于使用低功率的光源而大大降低了熱散失,無(wú)需安裝循環(huán)冷卻水裝置而簡(jiǎn)化了裝置結(jié)構(gòu),提高了光催化效率、降低了運(yùn)行能耗,并減少了設(shè)備制造成本。其主要工作如下: 1.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)極的轉(zhuǎn)盤光電液膜反應(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)盤光電液膜反應(yīng)器處理RB的最佳條件為:偏壓0.4V;pH2.5;0.5 g L-1 Na2SO4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 %。 2. RPEC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)盤光電液膜反應(yīng)器中,激發(fā)光只需透過(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)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)加強(qiáng)了溶液的傳質(zhì),最終使得轉(zhuǎn)盤光電液膜反應(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。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%。 3.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;2.0 g L-1 Na2SO4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RPEC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。 4.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TiO2/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。 5.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)盤光電池液膜反應(yīng)器(DRPC),即將Cu電極制備成轉(zhuǎn)盤,與TiO2/Ti轉(zhuǎn)盤電極固定在同一轉(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。 6. DRPC、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。 7.采用冪指數(shù)方程法建立了RB廢水的轉(zhuǎn)盤光電催化多因素降解動(dòng)力學(xué)模型為: Ct = C0 exp (-0.06040I0.5383Q0.6670E0.8766R0.4666C0-0.6065 t)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)的大小順序?yàn)镈RPCRPECGSPEC,與單位電極面積對(duì)RB的去除量的大小順序一致。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文研制的三種液膜反應(yīng)器,通過(guò)光陽(yáng)極的轉(zhuǎn)動(dòng)或廢水的循環(huán)流動(dòng),使得部分光陽(yáng)極暴露在空氣中,同時(shí)強(qiáng)化了傳質(zhì)和激發(fā)光的利用率,比全浸式光陽(yáng)極的傳統(tǒng)光電反應(yīng)器的處理效率大大提高,而且降低了能耗。本論文的研究結(jié)果對(duì)于將光催化技術(shù)推向?qū)嶋H廢水的處理應(yīng)用有著重要的參考意義。
【圖文】：

圖3-4 RB和AR的UV-Vis 吸收光譜圖 圖3-5 RB和AR的工作曲線Fig.3-4 UV-vis spectra of RB and AR Fig.3-5 Work curve of RB and AR本章選取的目標(biāo)污染物羅丹明B(RB)和誘惑紅(AR)的分子結(jié)構(gòu)分別見(jiàn)圖3-2和3-3所示。從它們的UV-Vis吸收光譜圖3-4可以看出，，RB和AR在254nm處都有很強(qiáng)的吸收，并

圖3-4 RB和AR的UV-Vis 吸收光譜圖 圖3-5 RB和AR的工作曲線Fig.3-4 UV-vis spectra of RB and AR Fig.3-5 Work curve of RB and AR本章選取的目標(biāo)污染物羅丹明B(RB)和誘惑紅(AR)的分子結(jié)構(gòu)分別見(jiàn)圖3-2和3-3所示。從它們的UV-Vis吸收光譜圖3-4可以看出，RB和AR在254nm處都有很強(qiáng)的吸收，并
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：X703

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 徐娜;賈金平;王亞林;李侃;王曉寧;;水射流空化強(qiáng)化光催化氧化技術(shù)在養(yǎng)魚污水處理中的應(yīng)用初探[J];漁業(yè)現(xiàn)代化;2012年02期

2 徐鑫;李侃;陽(yáng)陳;王亞林;賈金平;;光電催化轉(zhuǎn)盤電極處理羅丹明B(RhB)模擬廢水模型[J];環(huán)境化學(xué);2012年10期

3 徐鑫;李侃;陽(yáng)成;賈金平;;光電轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器處理染料廢水?dāng)?shù)學(xué)模型[J];凈水技術(shù);2011年05期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 徐鑫;轉(zhuǎn)盤式TiO2光電催化氧化染料脫色的數(shù)學(xué)模型研究[D];上海交通大學(xué);2012年

2 梁志霞;光電催化氧化降解藻毒素MCLR的效能和脫毒效果研究[D];北京林業(yè)大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2639771