光化學(xué)反應(yīng)儀技術(shù)更加理想的應(yīng)用方法
光化學(xué)反應(yīng)器是近20年才出現(xiàn)的處理技術(shù)，在足夠的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)通常可以將有機(jī)物完全礦化為CO2和H2O等簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)物，
避免了二次污染，光化學(xué)反應(yīng)器簡(jiǎn)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(wèn)題，影響了該技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用，因此光化學(xué)反應(yīng)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(shù)引起了國(guó)
內(nèi)外學(xué)者的廣泛興趣。
一、光化學(xué)反應(yīng)器技術(shù)的研究現(xiàn)狀
目前，外對(duì)光化學(xué)反應(yīng)器的研究主要有兩種。種是非填充式固定床型的固定技術(shù)，它以燒結(jié)或沉積方法直接將
催化劑沉積在光化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)壁，進(jìn)行污水處理時(shí)以泵為動(dòng)力，光化學(xué)反應(yīng)器使污水在污水槽與光催化反應(yīng)器之間循環(huán)回流
，光催化反應(yīng)在反應(yīng)器里進(jìn)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(xué)反應(yīng)器其TiO2的固定方法如下
[1]：用兩個(gè)120W高壓汞燈輻射鋁板，同時(shí)含有TiO2粉末的酸性懸浮液不斷循環(huán)流過(guò)被輻射的鋁板，光化學(xué)反應(yīng)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。**種是填充式固定床型的固定技術(shù)[2]，光化學(xué)反應(yīng)器
即將TiO2燒結(jié)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(yīng)器里。此類固定技術(shù)雖可
增大光催化劑與液相的接觸面積(反應(yīng)速率比懸浮型光反應(yīng)器還要高)，光化學(xué)反應(yīng)器但載體顆粒較小，還需進(jìn)行繁瑣的分離
、回收過(guò)程[3]。
二、光化學(xué)反應(yīng)器固定化技術(shù)研究
1、機(jī)理探討
有研究表明，光化學(xué)反應(yīng)器一種類似于非填充式固定床型的催化劑固定技術(shù)，即布置于反應(yīng)器底部、載有TiO2膜的玻璃
纖維經(jīng)過(guò)表面修飾(在TiO2表面擔(dān)載某些重金屬或金屬氧化物 ，光化學(xué)反應(yīng)器如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(xiàng)技術(shù)進(jìn)行飲用水深度凈化時(shí)，金屬含量低則不起作用，光化學(xué)反應(yīng)器含量高則使水
中重金屬含量超過(guò)飲用水標(biāo)準(zhǔn)，故筆者試圖從另一角度，即提高TiO2吸附能力方面來(lái)研究催化劑的固定化問(wèn)題。
光化學(xué)反應(yīng)器活性炭因其比表面積大、吸附能力強(qiáng)及疏水性能好等優(yōu)點(diǎn)，一直被廣泛應(yīng)用在水處理方面。筆者借助于活
性炭這一優(yōu)點(diǎn)來(lái)提高固定催化劑的光催化降解性能，光化學(xué)反應(yīng)器即將TiO2粉末連同粉末 活性炭一起被固定在反應(yīng)容器內(nèi)
壁，然后對(duì)自來(lái)水進(jìn)行深度處理試驗(yàn)。作為對(duì)比，同時(shí)對(duì)純TiO2進(jìn)行了試驗(yàn)。
為便于比較，光化學(xué)反應(yīng)器進(jìn)行了不同工藝條件下的試驗(yàn)。一種是以牛皮紙代替反應(yīng)器內(nèi)壁，將催化劑固定在牛皮紙一
側(cè)，按所需催化劑用量將相應(yīng)大小的牛皮紙襯在反應(yīng)器內(nèi)壁進(jìn)行試驗(yàn)。光化學(xué)反應(yīng)器另一種直接以TiO2粉末為催化劑進(jìn)行試
驗(yàn)，處理后的水用0.45μm濾膜進(jìn)行抽濾。試驗(yàn)裝置如圖1所示，光化學(xué)反應(yīng)器由玻璃制做，尺寸為6×56cm，容積為1582cm3
，實(shí)際容積( 除去紫外燈)為1287cm3;石英紫外線**燈的功率為20W，光化學(xué)反應(yīng)器主波長(zhǎng)為253.7nm，在本試 驗(yàn)條件下光
強(qiáng)E為3.90×103μW/cm2;氣泵的作用除進(jìn)行曝氣以促使TiO2在溶 液中呈懸浮態(tài)以外，還空氣，實(shí)際光化學(xué)反應(yīng)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(fù)合。
2、催化劑膜的制備
光化學(xué)反應(yīng)器試驗(yàn)所需物品如下：TiO2(分析純);粉末活性炭(用140目細(xì)篩進(jìn)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。
首先在牛皮紙的一側(cè)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(xué)反應(yīng)器待其干燥后在 另一側(cè)亦涂
一薄層玻璃膠，同時(shí)在其未干之前將一定量TiO2粉末或摻有粉末活性炭的復(fù)光化學(xué)反應(yīng)器合催化劑盡可能多地均勻?yàn)⒃谄渖?/p>
，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(jì)算出1cm2牛皮紙所具有的催化劑用量。
3、試驗(yàn)結(jié)果及分析
光化學(xué)反應(yīng)器為便于比較，制備了三種催化劑膜，一種是復(fù)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(yàn)時(shí)TiO2用量相當(dāng)于0.6g/L;光化學(xué)反應(yīng)器另一種是純催化劑膜，試驗(yàn)時(shí)TiO2用量相當(dāng)于1.2g/L;第三種是純炭粉膜
。
從UVA(紫外吸光度)去除率來(lái)看，光化學(xué)反應(yīng)器反應(yīng)的前90min，TiO2/C膜優(yōu)于TiO2膜高于單純紫外照射，然而120min時(shí)
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(yàn)，組是光化學(xué)反應(yīng)器懸浮態(tài)光催化氧化法去除自來(lái)水
中有機(jī)物的UVA去除率隨TiO2濃度的變化情況。試驗(yàn)結(jié)果所示，光化學(xué)反應(yīng)器當(dāng)TiO2投量為2g/L時(shí)去除效果好。**組試
驗(yàn)為TiO2/C膜與1.2g/LTiO2懸浮液及2g/LTiO2懸浮液作對(duì)比.
光化學(xué)反應(yīng)器TiO2濃度僅為0.6g/L的復(fù)合催化劑膜的去除效果相當(dāng)于TiO2濃度為1.2g/L懸浮液的去除效果。由此可見(jiàn)，
復(fù)合催化劑膜中的粉末活性炭具有良好的吸附能力，光化學(xué)反應(yīng)器TiO2與其結(jié)合后光催化劑的催化性能有所提高。在試驗(yàn)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(qiáng)，在反應(yīng)中不會(huì)進(jìn)入溶液(其原因與炭粉的吸附性有關(guān))，光化學(xué)反
應(yīng)器利用這一特性制備附著性和催化性都很好的復(fù)合催化劑膜。然而同圖4曲線C相比，復(fù)合催化劑 膜的UVA去除率遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)
到佳TiO2投量時(shí)的去除效果(去除率仍相差近20%)?？偨Y(jié)可能的原因有三個(gè)：①光化學(xué)反應(yīng)器試驗(yàn)時(shí)所用的復(fù)合催化劑膜
的TiO2濃度為0.6g/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于佳二氧化鈦投量(2g/L);②光化學(xué)反應(yīng)器在復(fù)合催化劑膜中TiO2與炭粉之間一定存在一個(gè)
佳比例，使二者吸附與催化性能都能發(fā)揮至極，而此次只對(duì)TiO2∶C為3∶7的復(fù)合催化劑膜進(jìn)行了試驗(yàn)，因此不能肯定這
一比例即為佳比例;③光化學(xué)反應(yīng)器在催化劑膜的制備過(guò)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(lái)水
龍頭下沖洗數(shù)遍，又將其在自來(lái)水中浸泡過(guò)夜，光化學(xué)反應(yīng)器上述操作過(guò)程無(wú)疑使摻有粉末活性炭的催化劑膜吸附了一些自
來(lái)水中的有機(jī)物，在反應(yīng)過(guò)程中除了去 除水中有機(jī)物外還要降解這部分吸附的物質(zhì)，光化學(xué)反應(yīng)器而這部分物質(zhì)并未計(jì)算
在內(nèi)。由于上述原因復(fù)合催化劑膜并沒(méi)有達(dá)到佳TiO2投量時(shí)的去除效果，光化學(xué)反應(yīng)器但同純催化劑膜相比，復(fù)合催化劑
膜 仍具有明顯的優(yōu)勢(shì)，若解決上述問(wèn)題(如增加復(fù)合催化劑膜中催化劑的附著量，光化學(xué)反應(yīng)器選擇一個(gè) 佳的TiO2與炭
粉的比例)，則復(fù)合催化劑膜的去除效果是能夠達(dá)到佳TiO2投量下的去 除效果的。
為證實(shí)光化學(xué)反應(yīng)器摻有粉末活性炭的TiO2膜的降解速率有所提高是否是單純活性炭所為，作了對(duì)比試驗(yàn);
光化學(xué)反應(yīng)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(wú)多大區(qū)別，可見(jiàn)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(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)器技術(shù)找到了更加理想的復(fù)合催化劑及其工程應(yīng)用的方法。
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