全天候光催化反应器的研制及其应用于有机污染物降解

发布时间：2017-04-19 19:03

  本文关键词：全天候光催化反应器的研制及其应用于有机污染物降解，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：光催化是一门集物理、化学、材料科学的跨学科类综合学科,它的原理是半导体材料被入射光激发之后,产生具有还原能力的光生电子和氧化能力的光生空穴,直接或间接地在半导体表面进行氧化还原反应。光催化由于其在能源利用和环境治理等领域的潜在应用价值引起了学术界的广泛关注。半导体光催化研究的历史已经跨越了半个世纪,但离实际应用还有很长一段路要走,主要困难问题在于(1)现有的光催化剂对光的捕获与利用率差;(2)光生电子和空穴易复合导致光催化效率差;(3)针对实际应用,开发更加高效的光催化反应器。所以,目前科学界研究的重点主要包括:(1)可见光催化剂的设计,提高对太阳光的利用率,(2)抑制光生电子和空穴的复合(包括光催化剂的结构裁剪和组成修饰等),提高光催化量子效率,(3)开发光催化新的应用领域,如光催化分解水制备氢气、二氧化碳还原、光催化选择性氧化、光催化抗菌、光催化杀菌等。集成光催化技术是提高光催化效率的重要途径。有文献报道,只要在光催化剂上施加1 V以下的偏电压,就可以很大程度的提高光催化效率。本论文主要针对光催化处理印染废水中的瓶颈问题,开展应用于染料废水处理的研究,主要研究内容如下:(1)设计新型悬浮式全天候光催化反应装置:反应装置中包括太阳能储存部件(太阳能电池板和蓄电池)、紫外灯(无太阳光照时,可继续光照)、光催化反应部件(以粉末光催化剂为研究对象,可实现光催化剂悬浮),装置中所设计的太阳能电池板将日间过量的太阳光能量存储在蓄电池中,在夜间点亮紫外灯继续进行光催化,一方面,实现将太阳光转换成短波长的紫外光,提高光催化效率,另一方面,在夜间无光照时提供紫外灯光照,实现全天候光催化。以P-25(商用Ti O2)为光催化剂的研究对象,以甲基橙(MO)、苯酚(Phenol)、甲基蓝(MB)和罗丹明B(Rh B)作为评价降解效率的模拟污染物,用于研究模拟染料废水在该反应装置中的降解过程。通过对反应器基本参数的优化,以达到最佳光催化反应降解条件。(2)针对悬浮式光催化反应装置需要分离光催化剂的特点,采用醇热法制备高效易分离的Ti O2光催化剂,该二氧化钛具有较高的比表面积、孔容和孔径,通过优化合成条件得到满足实际降解需求的Ti O2光催化剂。利用SEM、TEM、XRD等手段对其形貌和结构进行表征,并对结构的形成机理以及活性提高的原因进行研究与讨论。实验研究结果表明,该光催化剂成功应用于悬浮式全天候光催化反应器,并且在模拟和户外条件下,都获得了良好的降解活性。(3)设计全天候光电催化反应器反应装置,反应装置中包括太阳能存储部件(太阳能电池板和蓄电池)、紫外灯(无太阳光照时,可继续光照)、光催化反应部件(以Ti O2光催化电极为研究对象,可实现光催化剂固定),该光催化装置的主要优点是除了可以全天候运作,实现了光催化剂的固定,另一方面可以在光催化电极上施加少量偏压,可实现在光催化剂中光生电荷的高效分离,提高其光催化性能包括太阳能电池板及紫外灯管,将光电催化剂及紫外灯与太阳能电池板连接,太阳能电池板于日间持续吸收和储存过剩的光能并转化为电能。一可提供偏压以实现反应器的光电催化;二可通过供电紫外灯光照,实现太阳光转化为短波长紫外光,提高光催化的效率,并在夜间持续光照,继续光催化反应。整个工作以多个典型模拟有机污染物为研究对象,实现全天候光催化降解废水中染料污染物。选择的光催化剂是通过阳极氧化法制备的在金属钛片上负载阵列Ti O2管为光催化剂光催化电极,并通过修饰Au纳米颗粒提高光催化剂的导电性电极的性能,在施加的偏电压作用下实现光电催化,降低光生电子-空穴的复合率,并提高光催化的效率。实验研究结果表明,在施加的偏电压作用下,全天候光电催化反应器成功运行装置研制成功,并且在模拟和户外真实条件下,对模拟有机污染物染料废水降解、水解产氢以及二氧化碳还原都取得了良好的光催化活性。(4)设计可模块化组装的改良版第二代全天候光电催化反应器反应装置,拟实现在自然光和太阳能动力下的光催化氧化反应,同时模块化的板式组合结构使应用更为方便。为了实现上述目的,本实用新型装置由催化反应器、光源系统(太阳能电池板和蓄电池)和催化剂载体(阳极氧化法制备的在金属钛片上负载阵列Ti O2管为光催化电极)构件组成。依然选择在金属钛片上负载光催化剂,并在施加偏电压情况下实现光电催化,以提高光生电子-空穴的分离效率来提高光催化的效率。设计该的反应装置的目的是器降低了运行过程中入射光的损耗,通过控制光所要穿透的液层厚度,确保钛片光催化剂电极上负载的光催化剂能够获得更为充分的光照,克服染料废水色度有机模拟污染物和溶剂水对光照射光催化剂时产生的“屏蔽效应”。本装置具有结构简单、组装便捷、节能高效的特点。反应装置与紫外光部件的多重单元组合,提高了系统流程和场地的适用范围(不同因子的多级反应、不规则工作场地的应用等)。太阳能光伏发电并驱动直流型气泵和紫外灯,不仅低压安全可靠,而且避免了装备在使用时的电缆拖累和材料浪费。
【关键词】：全天候光催化反应器反应装置 新型TiO2光催化剂 TiO2光催化电极 光电催化 模块化组装
【学位授予单位】：上海电力学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703;TQ052
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 前言11-19
• 1.1 光催化技术的研究背景11
• 1.2 半导体光催化的应用概述11-12
• 1.3 TiO_2光催化概述12-13
• 1.4 光催化反应器的研究概述13-17
• 1.4.1 提高光的利用率的光催化反应器13-14
• 1.4.2 提高光催化剂利用率的光催化反应器14-15
• 1.4.3 提高光的透过性的光电催化反应器（转盘膜）15-17
• 1.5 立题依据17-19
• 第二章 实验部分19-24
• 2.1 实验试剂与仪器19-20
• 2.1.1 实验试剂与原料19-20
• 2.1.2 实验仪器20
• 2.2 催化剂的制备20-21
• 2.2.1 多孔单晶TiO_2样品的制备20-21
• 2.2.2 Au/TiO_2-NTs纳米管阵列的制备21
• 2.3 全天候光（电）催化反应装置的搭建21-23
• 2.4 光催化性能测试23-24
• 第三章 全天候光催化反应器研制及其性能研究24-36
• 3.1 引言24-25
• 3.2 结果与讨论25-35
• 3.2.1 全天候光催化反应器的反应条件优化25-27
• 3.2.2 全天候光催化反应器户外实测27-28
• 3.2.3 反应器光催化剂的优化28-35
• 3.2.4 全天候光催化反应器户外实测35
• 3.3 本章小结35-36
• 第四章 全天候光电催化反应器36-51
• 4.1 引言36
• 4.2 结果与讨论36-50
• 4.2.1 光电催化材料分析36-37
• 4.2.2 全天候光电催化反应器的反应条件优化37-40
• 4.2.3 反应器的光电催化性能研究40-42
• 4.2.4 模拟太阳光活性测试42-43
• 4.2.5 全天候光电催化反应器户外实测43-45
• 4.2.6 全天候光电催化反应器应用于产氢还原反应45-47
• 4.2.7 全天候光电催化反应器应用于CO2还原反应47-50
• 4.3 本章小结50-51
• 第五章 第二代全天候光电催化反应器51-54
• 5.1 引言51
• 5.2 结果与讨论51-53
• 5.2.1 光的透过率随溶液厚度的变化51-52
• 5.2.2 第二代全天候光电催化反应器的搭建52-53
• 5.3 本章小结53-54
• 第六章 结论与展望54-56
• 参考文献56-60
• 致谢60-61
• 攻读学位期间取得的研究成果61-62
• 附件62

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 林少华;李田;;固定膜太阳能光催化反应器的研究现状与展望[J];工业用水与废水;2005年06期

2 张凌云;张东翔;黎汉生;;废水处理光催化反应器研究进展[J];水资源保护;2006年04期

  本文关键词：全天候光催化反应器的研制及其应用于有机污染物降解，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：316906