8太阳能驱动光催化净水处理器

1、全能驱动光催化净水处理器材料科学与复材 1003摘要：全能驱动光催化净化处理器是利用凸透镜的聚光性能，将通过透镜的光在三菱锥表面上，光经过反射及折射作用洒在三菱锥支架表面上。凸透镜的下的发由能电池板向其供电带动圆柱筒支架转动，三角支架在水里转动时，在光的催化作用下与流过其表面水体里的营养有机物质反应，降低营养物质在水体里的浓度，净化水源，使其适合生物的生存。：能，净化处理，光催化背景：我国是一个资源型缺水的国家和水质型缺水的国家。规定,地区年人均水资源量小于 1 700 m3,称为资源型缺水。我国人均水资源,已世界人均水平的 1/4,是一个资源型缺水的国家。同时,因为水源的水质达不到国家规定的

2、饮用水水质标准,我国还是一个水质型缺水的国家。2008 年中国环境质量公报的数据显示,地表水污染依然严重。七大水系水质总体为中度污染,浙闽区河流水质为轻度污染,湖泊(水库)富营养化问题突出。海河、辽河、淮河、巢湖、滇池、太湖污染严重,七大水系中,不适合作饮用水源的河段已接近 40%,其中淮河流域和滇池最为严重。工业较发达城镇河段污染突出,城市河段中 78%的河段不适合作饮用水源;城市水 50%受到污染,水污染加剧了我国水的,对工农业生产和人民生活造成危害水资源的污染情况也很严重,、青海、内蒙 5 个省(区)的水资源中,类所占比例达到 36.2%。可见如果不解决水污染,长此以往,当代人可利用的水

3、资源就日趋减少我国湖泊普遍遭到污染,尤其是重金属污染和富营养化问题十分突出。多数湖泊的水体以富营养化为特征,主要污染指标为总磷、总氮、化学需氧量和高锰酸盐指数。在几大湖泊中,75%以上的湖泊富营养化,尤以太湖、巢湖和滇池污染最为严重,特别是有机物氮、磷浓度很高,曾分别达到 7.5、9.19 mg/L，远远超过国家安全标准195 个城市监测结果表明,97%的城市水受到不同程度污染,40%的城市水污染有逐年加重趋势，水超采与污染互相影响,形成恶性循环。水污染造成的水质型缺水,加剧了对水的开采,使水漏斗面积不断扩大,水水位大幅度下降;水位的下降又改变了原有的水动力条件,引起地面污水向水的倒灌,浅层污

4、水不断向,水水污染向更发展,使水污染的程度不断加重。2008 年,近岸海域监测面积共 281 012 km2,其中、类海水面积 212270 km2,类为 31 077 km2,类、劣类为 37 665 km2。 按照监测点位计算,近岸海域水质与上年相比略有上升,、类海水比例为 70.4%,比上年上升 7.6 个百分点;类海水占 11.3%,与上年持平;类、劣类海水占 18.3%,下降 7.1 个百分点。 四大海区近岸海域中,黄海、近岸海域水质良,渤海水质一般,东海水质差。北部湾海域水质优,口海域水质良,、类海水比例在 90%以上;辽东湾和胶州湾海域水质差,、类海水比例低于 60%且劣类海水比

5、例低于 30%;其他海湾水质极差,劣类海水比例均占了 40%以上,其中杭州湾最差,劣类海水比例高达 100%。引言：为了满足人们对水资源的需求，对污染水资源的处理愈加显得尤为重要。近年来，我国污水处理行业突飞猛进，整体发展处于快速成长期，主要表现在污水处理能力迅速扩张、污水处理率稳步提高、污水处理量快速增长等方面。2010 年城市污水处理厂日处理能力达 10262万立方米，比 2009 年末增长 13.4%，城市污水处理率达到 76.9%。截至 2011 年 9 月底，设市城市、县累计建成城镇污水处理厂 3077 座，处理能力达到 1.36 亿立方米/日。目前已建的中水回用工程普遍存在处理效果

6、欠佳、运行费用较高、设施占地面积较大等问题，处理设施运转不理想。但是的此类污水处理设施只能处理生活及工业污水，而对于已经流入湖泊海洋的污水不能经行有效的处理。污染物存在于自然界，通过食物链的积累最终会危害到人类。而且由于湖泊海洋的污染，我国的水产养殖业蒙受巨大的经济损失。因此迫切需要一个能对流入自然界污水进行有效处理，低能耗，易运行的器件。设计装置及光路原理图：全能驱动光催化净化处理器是利用凸透镜的聚光性能，将通过透镜的光在三菱锥的表面上，光经过反射及折射作用后照射在三菱锥支架表面上。在三棱锥表面涂抹光催化剂，使溶于水的污染物质与其接触，在光的催化作用下与流过其表面水体里的污染物质反应，使其分

7、解，降低营养物质在水体里的浓度，净化水源，使其适合生物的生存，从多方面上解决水污染。凸透镜下面的发由能电池板向其供电带动圆柱筒支架转动，三角支架在水里转动时，可以使污染的水和光催化剂完全接触。而主要设计圆柱筒及其以下器件，主要分析光学反射原理，及光催化剂的原理。而上部分有关能电池板的应用和电的拼接由另外小组研究。在此主要阐述光路原理图及其理论设计，以及三角支架表面的光催化剂在光催化作用下的反应机理：装置的视图效果如下：俯视图正视图光路原理：圆柱筒里面采用正四面体，边长 a，1/2则顶角到地面中心的距离 h =6a/3,1光线照射到三菱锥上的入射角为，光线经反射后照射在圆柱筒上的入射角2=2-（

8、/2），光线经过折射后，以3=2-（/2）照射到空气中，根据光线能够与三角支架相平行则三角支架顶边与圆柱的夹角为，又因为光线经过反射及折射后，光线照射到三角支架上的位置会相应的下降，下降值x =R/tan(-2)=-R/tan(2),要使光线能够尽可能均匀地照射在三角支架表面上应满足三角支架顶点到底面的高度= 61/2a/3+R/tan(2),h= h -x21= 61/2a/3+R/tan(2 )/cos(2 - /2)三角支架顶边的长度： b = h /cos =2261/2a/3+R/tan(2)/sin(2)。全驱能动光催化净水处理器的就是光催化剂的使用，通过查阅文献，采用TiO2作为

9、本装置的试剂，以下则着重进行阐述一TiO2 的研究进展1.TiO2 的结构二氧化钛的分子式是TiO2，是金属钛的氧化物。根据晶型可以划分为型、锐钛矿型和板钛矿型三种。矿在自然界中分布最广，锐钛矿型 TiO2属于四方晶系，板钛矿型相对于锐钛矿型和板钛矿型来说应用较广8。TiO由于属于正交晶系很不稳定，型 TiO22型的单元结构图9。图 1-1 为锐钛矿型和在锐钛矿型 TiO2 的单元结构中钛原子处在钛氧八面体的中心位置，在其周围有 6 个氧原子，这 6 个氧原子都处于八面体的棱角位置，总共有 4 个共棱边，对于锐钛矿型来说，单一分子10。锐钛矿型 TiO晶格中含有有 4 个 TiO的八面体易发生

10、晶型畸变，故其 Ti-O 键距离都22很小而且长度不等，分别为 1.937 10-10m 和 1.96410-10m，这就使得 TiO的分子极性很强，2的表面受到极化而形成表面羟基11。这种表面羟基可这种强极性就使水分子容易吸附在 TiO2表面改性的目的12。以作为广义碱与改性物质结合达到对 TiO2的晶格比锐钛矿小，致密度要比其高，所以具有更好的稳定性和较高的硬度、密度、折射率和介电常数。锐钛矿对可见光的反射率高于，对紫外线的吸收能力不如，但是比的光催化活性高；锐钛矿在常温下较稳定，必须在高温条件下才变13-15。可以向转变，这种转变属于的比表面积较小，对 O的吸收能力2较差，所以光生电子和

11、空穴容易复合，这直接降低了的光催化活性，高活性二氧化钛在实际研究中多为锐钛矿与的混合物，这种复合结构能有效地提高光生电子和空穴的分离效率，这种现象被称为“混晶效应”16。a 锐钛矿型 b型图 1-1TiO2 两种晶型结构图2.TiO2 的性能二氧化钛的化学稳定性好，无毒，不溶于水、稀酸、和弱无机酸，微溶于碱和热硝酸，长时间煮沸才能溶于浓硫酸和氢氟酸。二氧化钛能强烈吸收紫外线，生成活化物质。这种活化物质能促使应用体系（如涂料、等）中的有机物降解，影响使用性能。二光催化的基本原理1.光催化机理TiO2 光催化材料作为一种半导体催化剂，具有特殊的电子结构，与金属相比，半导体的能带是不连续的，在其填满

12、电子的低能价带和空的高能导带之间存在着一个宽度较大的禁带。光催化氧化反应的基本机理大致为以下过程：当半导体光催化剂受到光子能量高于半导体禁带宽度的入射光照射时，位于半导体催化剂价带的电子就会受到激发进入导带，同时会在价带上形成对应的空穴，即产生光生电子-空穴对。光生电子(e-)具有很强的氧化还原能力，它不仅可以将吸附在半导体颗粒表面的有机物活化氧化，还能使半导体表面的电子受体被还原。+而受激发产生的光生空穴(h )则是良好的氧化剂，一般会通过与化学吸附水（H O）或表面羟2基（OH-）反应生成具有很强氧化能力的羟基基（OH）。研究表明羟基基几乎能够氧化所有有机物并使之矿化。实验证明一般光催化反

13、应都是在空气气氛中进行，其中一个主要原因就是空气中所含氧气的存在对光催化有促进作用，能加速反应的进行，从原理上分析普遍认为氧气的存在可以抑制光催化剂上电子与空穴的复合，同时它还可以与光生电子作用-+形成超氧离氧 O，接着与 H 生成 HO ，最后再生成羟基此成为了羟基基的22另外一个重要来源。图 1-2 光催化反应机理示意图图 1-2 形象的展示了半导体光催化的整个反应过程。概括的光催化反应机理17。也可以用反应式来表达图中所+-TiO +hTiO +h2+e2h+e-热量-2+OHH+H Oh+h+ H OOH-OH+-2+O OH+H +O22h+ H OOHH+2e-+ O-2 O2+O

14、2 + H HO-22HO2O2+H2O2-2OHHO +2H O2+ e H O +2-2 2e OH + OHH O +一般的光催化反应就是利用催化剂产生的极其活泼的羟基基(OH)，超氧离子-基(O2 )等活性物质将各种有机物污染物直接氧化为 CO 、H O22等无机小分子。但是在气相条件下光催化反应可能并不一定是羟基基反应。有学者研究发现当光催化反应在气态环境下进行时，有时主要起作用的可能是其他物质。Stafford 等18发现 4-氯苯酚的光催化反应就是光生空穴直接参与反应完成的。他们在研究后发现这有可能是因为 4-氯苯酚的苯环结构可以捕获中间基和电子，在没有水蒸气存在时，它能够直接和

15、光生空穴反应，从而达到降解的目的。2.提高 TiO2 光催化剂活性的途径因为具有光催化活性高，价廉，无毒，稳定等优点，TiO2 光催化剂在光催化领域的应用具有非常广阔的前景。但是因为它吸收光的波长范围太窄，量子效率又低，从而阻碍了其在环保方面的应用。因此，通过对 TiO2 光催化剂进行改性，提高其光催化活性。1贵金属沉积将贵金属或贵金属氧化物负载在光催化剂半导体颗粒表面可以提高其光催化活性。这是由于光催化半导体的(Fermi)能级与贵金属的存在很大不同，在他们的表面相互接触时，经常会有电子由光催化半导体表面运动到贵金属表面，直到两者的能级相等时为止。在它们表面积接触后，它们之间形成一个短路的微

16、电池，其中半导体表面上会存在多余的正电荷，贵金属表面将存在多余的负电荷。研究证明，Pt、Ag 等贵金属能够有效捕获光生电子，从而有效的抑制电子和空穴的复合，大大增大光催化反应的降解速率。其中应用最广泛的是在半导体催化剂表面负载 Pt。1982 年，等第一个研究出将金属 Pt 负载在 TiO2 表面能够有效的促进光解水的效率的提高，从而后续的研究。2离子掺杂通过对 TiO2 光催化剂进行离子（一般为稀土金属离子、过渡金属离子和无机官能团离子等）掺杂，可以使 TiO2 对光辐射的响应波长扩展到可见光区域，从而提高了其对光的利用率。其原因是过渡金属元素存在多种化合价，当少量过渡金属离子进入到TiO2

17、 晶格中后会在其晶体中形成缺陷并改变其结晶度，变成光生电子一空穴对的浅势捕获阱，这些浅势捕获阱会捕获光生电子从而使光生电子与光生空穴的复合时间延长，而且还会让 TiO2 纳米晶电极呈现出 p-n 型光响应共存现象，减小光生电子空穴对复合几率。有文献，Fe3+掺杂的半导体光催化剂氧化钛激发载流子由原来的 200 微秒增至 50 毫秒。离子掺杂促进半导体二氧化钛的催化降解效率的原理可以总结为以下几个方面: 通过掺杂能够得到掺杂能级，从而使吸收能量小的光生电子能跃迁到掺杂能级，然后再吸收小能量的光子跃迁到导带，提高光子的利用率;掺杂可以在半导体晶格形成捕获中心，若是小于 4 价的金属离子则捕获空穴，

18、若是大于 4 价的金属离子则会捕获电子，从而抑制 e/h复合; 掺杂还可以在半导体表面形成晶格缺陷，这样会有 的 Ti3+中心生成; 另外掺杂还可以让载流子扩散长度增大，从而延长了电子和空穴的 ，最终达到抑制了 e/h复合的目的。3表面光敏化及表面络合物作用光催化半导体的表面光敏化作用是让光活性化合物通过物理化学吸附使其附着在氧化锌半导体光催化剂的表面，在紫外可见光的辐射下，这些化合物具有很大的激发因子，它们在吸收光子后会受到激发生成电子，电子会运动到 ZnO 导带，从而被溶解的 O2 捕获形成 O2-，从而扩大半导体光催化剂对光的响应范围，提高光催化降解反应对光的利用效率。一般所用的光活性化

19、合物大多是光敏有机，这些光敏分子的吸附功能基团会与光催化半导体催化剂相互作用，从而在分子和半导体表面之间出现电性耦合，从而最终达到地电荷转移的目的。其主要条件在于保证光活性分子牢固吸附在半导体光催化剂表面，而且它的的激发态电位与 ZnO 的导带电位相匹配。由于其处于激发态的电子的寿命非常短(ns 级)，所以在光与半导体光催化剂的表面要紧密结合在一起，这样才能达到有效的电子转移的目的。另外酚类化合物和 H2O2 能在半导体光催化剂表面形成一层表面络合物，通过可见光辐射，表面吸附物质（配位体）与金属中心之间发生电荷跃迁（LMCT），最终达到提高光催化降解活性的目的。水作为人类最宝贵的资源已日益受到

20、重视。开发一种简便有效的方法来治理水体污染和大气污染是人类社会一个急需解决。虽然目前已经有许多治理，但是光催化处理有机污染物的技术由于其价廉，无毒，节能，高效的优势逐渐成为各界研究的重点，光催化的研发也一跃成为当前国际热门研究领域之一。而利用光催化技术处理这类有机污染物具有反应速度快，光的利用效率高，不会产生二次污染等优点。应用前景：(1)能驱动光催化净水这一工艺能有效去除常规工艺不能去除的有机物和副产品，是目前微污染水源、水处理领域研究和关注的热点之一，也是处理水质，应对地表水源污染严重的最有效的对策之一，目前大多数水厂才用了在原有工艺基础上增加深度处理工艺以水质。(2)光催化净水技术将会是未来几年给水处理厂进行工艺升级改造，新建净水厂的重要支撑技术。(3)去除饮水中微量有机污染物，应用于家庭、或企事业饮用水的处理。(4)刺激新型节能环保、型净水机的研制开发，此工艺将会得到快速的发展和广泛的应用，但是由于新型技术尚不成熟，其推广和应用仍需要一定的阶段和过程。(5)处理小体积高浓度特种有机废水，如酸洗废水、含油废水、生活污水及工厂、养殖场污水的等，是工业农业废水得到有效控制，恢复水体自净能力，水态系统得以重建推动整个社会走上生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路。（6）国内对于光催化技术的研究起步较晚但