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基本信息

項(xiàng)目名稱：
蜂窩陶瓷擔(dān)載TiO2膜光催化反應(yīng)裝置的研制
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
以大量處理為污染水為目的，采用溶膠-凝膠法在蜂窩陶瓷表面負(fù)載納米TiO2光催化膜，采用5mm厚的無(wú)色有機(jī)玻璃板制成反應(yīng)槽，以250W汞燈為光源，制成光催化水處理反應(yīng)裝置。
詳細(xì)介紹：
本作品以蜂窩多孔陶瓷為載體，采用溶膠-凝膠法在蜂窩陶瓷表面涂覆一層TiO2光催化薄膜，實(shí)現(xiàn)光催化劑的固定化。水處理反應(yīng)器采用推流式水流，延長(zhǎng)水在反應(yīng)器中的停留時(shí)間，采用深井曝氣供氧，并實(shí)現(xiàn)充分?jǐn)嚢韬突旌?，?shí)現(xiàn)進(jìn)水的均質(zhì)化，保證出水水質(zhì)的穩(wěn)定。廢水中的有機(jī)污染物被蜂窩陶瓷豐富孔隙吸附后，在外置汞燈提供的紫外線的作用下，TiO2光催化薄膜吸收紫外線能量，將吸收的光能用于氧化被蜂窩陶瓷吸附的有機(jī)污染物，釋放能量的TiO2又恢復(fù)原態(tài)，從而源源不斷地催化氧化廢水中的有機(jī)污染物。 裝置采用5mm厚的無(wú)色有機(jī)玻璃板制作而成，槽內(nèi)設(shè)置擋板和導(dǎo)流板實(shí)現(xiàn)水流在徑向保持推流態(tài)，進(jìn)水口設(shè)置曝氣裝置為推流提供推力并實(shí)現(xiàn)縱向的混合均勻。出水端采用溢流設(shè)計(jì)控制水位保證出水水質(zhì)。 蜂窩陶瓷鍍膜實(shí)驗(yàn)最佳工藝條件為：鈦酸丁酯、濃鹽酸、無(wú)水乙醇、水按摩爾比1∶0.25∶24∶2制備溶膠，將蜂窩瓷靜置于溶膠2 min后以5cm/min速度提拉，在500℃下恒溫焙燒1 h.冷卻后,重復(fù)鍍膜4次。 以250W汞燈提供紫外光能量，模擬廢水的甲基橙初始濃度為20mg/l,水溫控制在30℃左右，pH=6.5，吸附時(shí)間40分鐘，流量控制在1L/min時(shí)出水污染物甲基橙濃度僅為3mg/L，降解率由未鍍膜時(shí)的50%提高為85%，催化效果明顯。 該反應(yīng)器裝置作為一種集吸附、光催化降解為一體的新型水處理反應(yīng)器，能有效降解水中的有機(jī)污染物，并實(shí)現(xiàn)了光催化劑的固定化，且有效解決了傳統(tǒng)粉體光催化回收難的問(wèn)題。

作品圖片

  • 蜂窩陶瓷擔(dān)載TiO2膜光催化反應(yīng)裝置的研制

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

以大量處理微污染水為目的，研制以蜂窩陶瓷為載體負(fù)載納米TiO2膜，在250W汞燈提供紫外光條件下的水處理反應(yīng)裝置。 創(chuàng)新點(diǎn)：1、材料創(chuàng)新：以多孔性的蜂窩陶瓷為載體替代傳統(tǒng)的橡膠或塑料載體，蜂窩陶瓷具有耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿，巨大的比表面積等優(yōu)點(diǎn)。2、工藝創(chuàng)新：采用先吸附后催化氧化的聯(lián)合工藝，提高催化氧化效果；同時(shí)通過(guò)在蜂窩瓷表面涂覆TiO2薄膜實(shí)現(xiàn)了光催化劑的固定化，解決了光催化劑回收難的問(wèn)題。3、裝置創(chuàng)新：水處理反應(yīng)器采用推流式水流，同時(shí)采用深井曝氣供氧，實(shí)現(xiàn)充分?jǐn)嚢韬突旌?，進(jìn)水的均質(zhì)化，保證出水水質(zhì)的穩(wěn)定性。 技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo):1、本反應(yīng)器所用載體蜂窩陶瓷具有豐富的比表面積，能有效吸附水中的有機(jī)污染物類，20分鐘對(duì)甲基橙降解率達(dá)50%。反應(yīng)器的設(shè)計(jì)采用推流式水流，外加曝氣攪拌混勻，延長(zhǎng)了水的停留時(shí)間，保證水質(zhì)的均勻穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)水與出水的連續(xù)化。2、選用溶膠-凝膠法(sol-gel)在蜂窩陶瓷載體表面鍍光催化膜，采用鈦酸丁酯、濃鹽酸、無(wú)水乙醇、水,按摩爾比1∶0.25∶24∶2制備溶膠。鍍膜后在500℃下恒溫焙燒1 h.冷卻后,重復(fù)鍍膜4次。3、 以250W汞燈提供紫外光能量，模擬廢水的甲基橙初始濃度為20mg/l,水溫控制在30℃左右，pH=6.5，吸附時(shí)間30分鐘，流量控制在1L/min時(shí)出水污染物甲基橙濃度僅為3mg/L，降解率由未鍍膜時(shí)的50%提高為85%，催化效果明顯。

科學(xué)性、先進(jìn)性

近年來(lái)，隨著人類環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，國(guó)內(nèi)外對(duì)含有機(jī)污染物廢水排放的限制標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格, 高效、低成本且易于再生的陶瓷載體固定化TiO2膜光催化反應(yīng)水處理技術(shù)有著廣泛的市場(chǎng)前景?？梢灶A(yù)測(cè)，隨著我國(guó)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的步伐加快，代表當(dāng)今先進(jìn)水處理技術(shù)之一的固定化TiO2膜光催化反應(yīng)水處理工藝技術(shù)由于性能優(yōu)良、低成本長(zhǎng)壽命、污水處理能力強(qiáng)和出水水質(zhì)高將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外就固定化TiO2膜光催化劑的諸多方面開展了深入的研究，TiO2由于具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且成本低、無(wú)毒、催化活性高、氧化能力強(qiáng)而備受人們的關(guān)注。我們采取比表面積大、高耐酸、耐堿的蜂窩陶瓷為載體，采用溶膠凝膠法在蜂窩陶瓷表面涂覆一層TiO2光催化薄膜，實(shí)現(xiàn)了光催化劑的固定化，廢水中的有機(jī)污染物被蜂窩陶瓷豐富孔隙吸附后，在外置高壓汞燈提供的強(qiáng)烈紫外線的作用下，TiO2光催化薄膜吸收紫外線能量，將吸收的光能用于氧化被蜂窩陶瓷吸附的有機(jī)污染物，釋放能量的TiO2又恢復(fù)原態(tài)，從而源源不斷地催化氧化廢水中的有機(jī)污染物。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

在2009年5月江西南昌參加第十一屆挑戰(zhàn)杯中國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽江西賽區(qū)決賽獲二等獎(jiǎng)。

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

作品可展示的形式

實(shí)物、圖紙、圖片、動(dòng)畫

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

目前，對(duì)于微污染水人們的關(guān)注越來(lái)越高。我們采用的溶膠-凝膠法制備納米TiO2，能使TiO2與載體結(jié)合牢固、不易脫落，控制焙燒溫度能得到所需晶相的TiO2膜且膜厚度可以控制。其它方法存在制備成本高，工藝復(fù)雜，設(shè)備昂貴，活性不高等缺點(diǎn)。TiO2薄膜的研究開始發(fā)展不久，在制備方面還存在一些問(wèn)題，而TiO2薄膜的良好性能使得其在工業(yè)化生產(chǎn)當(dāng)中占有必要的地位，TiO2薄膜將具有很大的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿?。水處理反?yīng)器采用推流式水流，延長(zhǎng)水在反應(yīng)器中的停留時(shí)間，采用深井曝氣供氧，并實(shí)現(xiàn)充分?jǐn)嚢韬突旌?，?shí)現(xiàn)進(jìn)水的均質(zhì)化，保證出水水質(zhì)的穩(wěn)定。該反應(yīng)器裝置是集吸附、光催化降解為一體的新型水處理反應(yīng)器，能有效降解水中的有機(jī)污染物。目前開發(fā)的反應(yīng)器大都處在實(shí)驗(yàn)室階段，存在設(shè)計(jì)復(fù)雜，應(yīng)用難，效率低等問(wèn)題?？梢灶A(yù)見(jiàn)，我們的作品在經(jīng)過(guò)進(jìn)一步深入的試驗(yàn)研究及推廣之后，將具有廣泛的市場(chǎng)，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

同類課題研究水平概述

TiO2能有效地將廢水中的有機(jī)物降解為H2O、CO2、硫酸根離子、磷酸根離子、硝酸根離子、鹵素離子等無(wú)機(jī)小分子,達(dá)到完全無(wú)機(jī)化的目的。目前研究最多的是降解染料廢水中的有機(jī)物。在染料的生產(chǎn)和應(yīng)用中,若大量色澤深的染料廢水進(jìn)入水體會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染,有的甚至還含致癌物質(zhì)。常用的生物化學(xué)法對(duì)于水溶性染料的降解效率較低。對(duì)于利用半導(dǎo)體光催化降解廢水的研究已有許多報(bào)道。 趙紅花對(duì)TiO2光催化氧化技術(shù)在酸性紫紅染料溶液中做的研究表明,酸性紫紅染料水樣在pH=8左右脫色效果較好,并且在堿性條件下脫色率比在酸性條件下脫色率高。添加微量H2O2水樣脫色率在很短時(shí)間內(nèi)(15min)明顯提高,從31.30%增至96.67%。同時(shí)添加微量H2O2與適量Fe3+水樣脫色率明顯高于只加H2O2或只加Fe3+。王九思等進(jìn)行了負(fù)載型TiO2光催化氧化降解甲基橙的實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)中TiO2光催化降解甲基橙溶液反應(yīng)過(guò)程:取一定量4mg/L的甲基橙溶液,100粒附載TiO2的玻璃珠為光催化氧化劑，溶液深度為20mm,在20W紫外線殺菌燈下照射1h,光距調(diào)為110mm,整個(gè)反應(yīng)器套在鋁箔罩內(nèi),用分光光度計(jì)測(cè)其反應(yīng)前后吸光度,即可求出脫色率。在此最佳實(shí)驗(yàn)條件下甲基橙的脫色率達(dá)到70%以上,實(shí)驗(yàn)結(jié)果較理想。 N.Guetta1等對(duì)TiO2光催化降解甲基橙時(shí)的最佳參數(shù)進(jìn)行了研究,試驗(yàn)表明當(dāng)TiO2質(zhì)量濃度為0.8g/L、pH=3、染料濃度較低(≤50mg/L)時(shí),采用Degussa P25(一種商業(yè)TiO2粉末)為光催化劑時(shí)甲基橙的降解速率最快。董振海等以納米TiO2為光催化劑,采用自制的間歇式懸漿體系光催化反應(yīng)器對(duì)活性紅K-2Bp染料模擬廢水進(jìn)行光催化降解試驗(yàn),考察廢水pH值、初始濃度等因素對(duì)反應(yīng)的影響,在試驗(yàn)條件下,染料模擬廢水的COD去除率可達(dá)70%以上,反應(yīng)后廢水可生化性提高,其光催化降解反應(yīng)符合Langmuir-Hinshelwood模式。 本項(xiàng)目反應(yīng)器裝置作為一種集吸附、光催化降解為一體的新型水處理反應(yīng)器，能有效降解水中的有機(jī)污染物，且實(shí)現(xiàn)了光催化劑的固定化，并有效解決了傳統(tǒng)粉體光催化回收難的問(wèn)題，成本底，易于推廣。
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