光化學反應儀的理想應用方法

 光化學反應儀是近20年才出現(xiàn)的處理技術，在足夠的反應時間內(nèi)通?？梢詫⒂袡C物礦化為CO2和H2O等簡單無機物，避免了二次污染，光化學反儀簡單高效而有發(fā)展前途。由于以二氧化鈦粉末為催化劑的光催化氧化法存在催化劑分離回收的問題，影響了該技術在實際中的應用，因此光化學反應器固定在某些載體上以避免或更容易使其分離回收的技術引起了國內(nèi)外學者的廣泛興趣。
一、光化學反應儀技術的研究現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)外對光化學反應儀的研究主要有兩種。一種是非填充式固定床型的固定技術，它以燒結或沉積方法直接將催化劑沉積在光化學反應器內(nèi)壁，進行污水處理時以泵為動力，光化學反應器使污水在污水槽與光催化反應器之間循環(huán)回流，光催化反應在反應器里進行。譬如，張彭義等人研究了苯甲酸類物質(zhì)的光催化降解，光化學反應器其TiO2的固定方法如下[1]：用兩個120W高壓汞燈輻射鋁板，同時含有TiO2粉末的酸性懸浮液不斷循環(huán)流過被輻射的鋁板，光化學反應器懸浮液中的TiO2在紫外光和酸性條件的作用下沉積在鋁板上而形成固定膜。第二種是填充式固定床型的固定技術[2]，光化學反應器即將TiO2燒結在載體(如砂、硅膠顆粒、玻璃珠、玻璃 纖維等)表面，然后將上述顆粒填充到反應器里。此類固定技術雖可增大光催化劑與液相的接觸面積(反應速率比懸浮型光反應器還要高)，光化學反應器但載體顆粒較小，還需進行繁瑣的分離、回收過程[3]。
二、光化學反應儀固定化技術研究
1、機理探討
有研究表明，光化學反應儀一種類似于非填充式固定床型的催化劑固定技術，即布置于反應器底部、載有TiO2膜的玻璃纖維經(jīng)過表面修飾(在TiO2表面擔載某些重金屬或金屬氧化物 ，光化學反應儀如Ag、Au、Pt、Pd、Nb、RuO2和Pt-RuO2等)能提高TiO2光催化活性?？紤]到采取 此項技術進行飲用水深度凈化時，金屬含量低則不起作用，光化學反應器含量高則使水中重金屬含量超過飲用水標準，故筆者試圖從另一角度，即提高TiO2吸附能力方面來研究催化劑的固定化問題。
光化學反應儀活性炭因其比表面積大、吸附能力強及疏水性能好等優(yōu)點，一直被廣泛應用在水處理方面。筆者借助于活性炭這一優(yōu)點來提高固定催化劑的光催化降解性能，光化學反應器即將TiO2粉末連同粉末 活性炭一起被固定在反應容器內(nèi)壁，然后對自來水進行深度處理試驗。作為對比，同時對純TiO2進行了試驗。為便于比較，光化學反應器進行了不同工藝條件下的試驗。一種是以牛皮紙代替反應器內(nèi)壁，將催化劑固定在牛皮紙一側，按所需催化劑用量將相應大小的牛皮紙襯在反應器內(nèi)壁進行試驗。光化學反應器另一種直接以TiO2粉末為催化劑進行試驗，處理后的水用0.45μm濾膜進行抽濾。試驗裝置如圖1所示，光化學反應器由玻璃制做，尺寸為6×56cm，容積為1582cm3，實際容積( 除去紫外燈)為1287cm3;石英紫外線殺菌燈的功率為20W，光化學反應器主波長為253.7nm，在本試 驗條件下光強E為3.90×103μW/cm2;氣泵的作用除進行曝氣以促使TiO2在溶 液中呈懸浮態(tài)以外，還提供空氣，實際光化學反應器是利用空氣中的O2為氧化劑作為電子接受體，防止電子和空穴的復合。
2、催化劑膜的制備
光化學反應儀試驗所需物品如下：TiO2(分析純);粉末活性炭(用140目細篩進行分選，使其與TiO2粉末粒度基本一致);市售牛皮紙;玻璃膠;膠槍;刮膠板。先在牛皮紙的一側均勻涂上一薄層玻璃膠(目的是防水)，室溫下放置一夜，光化學反應器待其干燥后在 另一側亦涂一薄層玻璃膠，同時在其未干之前將yi定量TiO2粉末或摻有粉末活性炭的復光化學反應器合催化劑盡可能多地均勻灑在其上，按壓使其粘牢，在室溫下放置一晝夜，待其干燥后稱量剩余的粉末，從而計算出1cm2牛皮紙所具有的催化劑用量。
3、試驗結果及分析
光化學反應儀為便于比較，制備了三種催化劑膜，一種是復合催化劑膜(TiO2/C)，其中TiO2與粉末活性炭的質(zhì)量比為3∶7，試驗時TiO2用量相當于0.6g/L;光化學反應器另一種是純催化劑膜，試驗時TiO2用量相當于1.2g/L;第三種是純炭粉膜。從UVA(紫外吸光度)去除率來看，光化學反應器反應的前90min，TiO2/C膜優(yōu)于TiO2膜高于單純紫外照射，然而120min時TiO2膜去除效果不及單純紫外照射。為分析原因，又做了兩組試驗，一組是光化學反應器懸浮態(tài)光催化氧化法去除自來水中有機物的UVA去除率隨TiO2濃度的變化情況。試驗結果所示，光化學反應器當TiO2投量為2g/L時去除效果好。第二組試驗為TiO2/C膜與1.2g/LTiO2懸浮液及2g/LTiO2懸浮液作對比.
光化學反應儀TiO2濃度僅為0.6g/L的復合催化劑膜的去除效果相當于TiO2濃度為1.2g/L懸浮液的去除效果。由此可見，復合催化劑膜中的粉末活性炭具有良好的吸附能力，光化學反應器TiO2與其結合后光催化劑的催化性能有所提高。在試驗中還發(fā)現(xiàn)，摻有粉末活性炭的TiO2膜其催化劑的附著性很強，在反應中不會進入溶液(其原因與炭粉的吸附性有關)，光化學反應器利用這一特性制備附著性和催化性都很好的復合催化劑膜。然而同圖4曲線C相比，復合催化劑 膜的UVA去除率遠沒有達到TiO2投量時的去除效果(去除率仍相差近20%)?？偨Y可能的原因有三個：①光化學反應器試驗時所用的復合催化劑膜的TiO2濃度為0.6g/L，遠遠小于二氧化鈦投量(2g/L);②光化學反應器在復合催化劑膜中TiO2與炭粉之間yi定存在一個比例，使二者吸附與催化性能都能發(fā)揮至，而此次只對TiO2∶C為3∶7的復合催化劑膜進行了試驗，因此不能肯定這一比例即為比例;③光化學反應器在催化劑膜的制備過程中，為除去膜表面未附著或附 著不牢的粉末，先將其在自來水龍頭下沖洗數(shù)遍，又將其在自來水中浸泡guo夜，光化學反應器上述操作過程無疑使摻有粉末活性炭的催化劑膜吸附了一些自來水中的有機物，在反應過程中除了去 除水中有機物外還要降解這部分吸附的物質(zhì)，光化學反應器而這部分物質(zhì)并未計算在內(nèi)。由于上述原因復合催化劑膜并沒有達到TiO2投量時的去除效果，光化學反應器但同純催化劑膜相比，復合催化劑膜 仍具有明顯的優(yōu)勢，若解決上述問題(如增加復合催化劑膜中催化劑的附著量，光化學反應器選擇一個TiO2與炭粉的比例)，則復合催化劑膜的去除效果是能夠達到TiO2投量下的去 除效果的。
為證實光化學反應儀摻有粉末活性炭的TiO2膜的降解速率有所提高是否是單純活性炭所為，作了對比試驗;光化學反應器在紫外線照射下單純活性炭膜的UVA去除率與單純紫外線照射并無多大區(qū)別，可見活性炭只有與TiO2聯(lián)合才能發(fā)揮二者的吸附與催化性能。光化學反應器與粉末活性炭聯(lián)合固定的TiO2膜其催化劑的附著性和去除效果均優(yōu)于純TiO2膜，光化學反應器技術找到了更加理想的復合催化劑及其工程應用的方法。