旋转圆盘光催化反应装置处理工业废水的研究

发布时间：2020-08-11 13:46

【摘要】：工业废水的超量排放造成了水环境的严重污染,这些废水往往难以降解。面对如今工业废水难降解难处理的问题,光催化技术因其具有低成本、强氧化能力等诸多优点,成为近年来的热点。针对如何进一步提高光催化反应性能,不仅应解决半导体的性能,还应统筹考虑链式反应的限制因素,而传质的影响是其中的重点因素之一。本论文采用旋转圆盘的方法增强传质,研究了传质作用对光催化反应性能的影响。具体研究内容如下:(1)TiO_2光阳极的制备及性能研究。采用了四种不同的制备方法来制备旋转圆盘TiO_2光催化阳极,以20 mg/L的罗丹明B模拟染料废水作为目标污染物,在不同的转速和电压条件下,分析比较这四种光阳极的降解性能和光电性能,发现随着转速和电压的提高,降解率和光电流都有大幅提高,其中氢氟酸阳极氧化法制备的光阳极具有最优性能,其60 min内的降解率能达到99.56%,还通过分析得到了具有纳米管状的微观结构以及氧化膜较薄的光阳极性能更佳。(2)旋转圆盘装置光催化性能研究。使用旋转圆盘电极光催化反应装置,比较了不同转速条件下降解率和光电流的强化率,对降解率的强化率更大,说明传质作用对光生空穴的促进作用大于光电子。从电极电位、光电流密度、羟基自由基强度三个角度探讨了增强传质作用对光阳极性能的影响,通过提高转速加强传质作用,能够降低光催化反应的起始电位,提高光电流密度,以及产生更多的羟基自由基,并增加羟基自由基的寿命,从而来提高光阳极的降解性能和光电性能。(3)旋转圆盘装置放大研究。将转盘面积和废水处理量放大100倍后,装置性能有一定下降,可以通过循环系统来增加废水处理量,并且对实际含油废水进行了处理,70 min内能将COD值为630 mg/L的废水降解到60 mg/L以下,实现达标排放。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703
【图文】：

光催化原理

上海交通大学硕士学位论文大于或等于禁带宽度，就能够将价带上的电子激发形成带，于是在原有的价带上就会因为失去了光电子而产生具有非常强的得电子能力，光电子有可能会再次与光生续的反应过程，或者光生空穴将会夺取 H2O 分子中的基自由基（OH·），然后与水中的污染物进行反应，将物质 CO2和 H2O。同时，光生电子与水中的溶解氧形成自由基结合 H+质子，生成电子捕获剂 HO2·，再经过一O2[47-49]。TiO2光催化原理可以用图 1-1 来表示。

传质,电极表面

内部传质和外部传质[43-46]，如图1-2 所示。其中外部传质主要发生在液相、气液界面、气相当中，对于光催化反应，需要氧气的参与，所以要不断地在溶液中通入氧气来促进反应的发生。内部传质主要发生在固相和固液界面中，其中反应速率主要是由液体扩散系数 Dl、孔扩散系数 Dp、表面扩散系数 Ds控制[46]，内部传质过程中，液相中的污染物需要通过扩散作用到达催化剂表面，催化剂表面的孔隙结构需要通过吸附作用将污染物吸附从而发生反应，除此之外，污染物被降解后，还需要通过脱附和扩散作用进入液相当中，从而使更多污染物能够到达催化剂活性位点进行反应。所以，可以通过改良催化剂性质和通过机械搅拌等方法来加强传质作用。图 1-2 电极表面的传质作用和反应Fig.1-2 Mass transfer and reaction on electrode surface1.5 光催化反应器目前，许多研究研发了不同类型的光催化反应器，从多个方面来提高反应装置的处理效率，其中包括减少溶液对光的吸收，选用透光的装置材质，采用循环系统等方法，并且取得了非常好的成效。根据光催化反应器结构类型的不同，可

示意图,反应器结构,平板式,示意图

上海交通大学硕士学位论文器、管式反应器、转盘式反应器、筒式反应[88]多为将 TiO2光催化剂负载于平板基底之上定于反应装置之中，光源安装于平板上方，外部的循环泵以及储水池，形成循环反应系的溶液带入到平板上方，溶液会随着流速和动的过程中，溶液中的污染物就会与平板上，从而降解溶液中的污染物，并且通过循环处理效果。但是由于其水力负荷较低，只能废水的处理，仍存在较大的困难。

【参考文献】