基本信息
- 项目名称：
- 蜂窝陶瓷担载TiO2膜光催化反应装置的研制
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 以大量处理为污染水为目的，采用溶胶-凝胶法在蜂窝陶瓷表面负载纳米TiO2光催化膜，采用5mm厚的无色有机玻璃板制成反应槽，以250W汞灯为光源，制成光催化水处理反应装置。
- 详细介绍：
- 本作品以蜂窝多孔陶瓷为载体，采用溶胶-凝胶法在蜂窝陶瓷表面涂覆一层TiO2光催化薄膜，实现光催化剂的固定化。水处理反应器采用推流式水流，延长水在反应器中的停留时间，采用深井曝气供氧，并实现充分搅拌和混合，实现进水的均质化，保证出水水质的稳定。废水中的有机污染物被蜂窝陶瓷丰富孔隙吸附后，在外置汞灯提供的紫外线的作用下，TiO2光催化薄膜吸收紫外线能量，将吸收的光能用于氧化被蜂窝陶瓷吸附的有机污染物，释放能量的TiO2又恢复原态，从而源源不断地催化氧化废水中的有机污染物。 装置采用5mm厚的无色有机玻璃板制作而成，槽内设置挡板和导流板实现水流在径向保持推流态，进水口设置曝气装置为推流提供推力并实现纵向的混合均匀。出水端采用溢流设计控制水位保证出水水质。 蜂窝陶瓷镀膜实验最佳工艺条件为：钛酸丁酯、浓盐酸、无水乙醇、水按摩尔比1∶0.25∶24∶2制备溶胶，将蜂窝瓷静置于溶胶2 min后以5cm/min速度提拉，在500℃下恒温焙烧1 h.冷却后,重复镀膜4次。 以250W汞灯提供紫外光能量，模拟废水的甲基橙初始浓度为20mg/l,水温控制在30℃左右，pH=6.5，吸附时间40分钟，流量控制在1L/min时出水污染物甲基橙浓度仅为3mg/L，降解率由未镀膜时的50%提高为85%，催化效果明显。 该反应器装置作为一种集吸附、光催化降解为一体的新型水处理反应器，能有效降解水中的有机污染物，并实现了光催化剂的固定化，且有效解决了传统粉体光催化回收难的问题。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 以大量处理微污染水为目的，研制以蜂窝陶瓷为载体负载纳米TiO2膜，在250W汞灯提供紫外光条件下的水处理反应装置。 创新点：1、材料创新：以多孔性的蜂窝陶瓷为载体替代传统的橡胶或塑料载体，蜂窝陶瓷具有耐强酸、强碱，巨大的比表面积等优点。2、工艺创新：采用先吸附后催化氧化的联合工艺，提高催化氧化效果；同时通过在蜂窝瓷表面涂覆TiO2薄膜实现了光催化剂的固定化，解决了光催化剂回收难的问题。3、装置创新：水处理反应器采用推流式水流，同时采用深井曝气供氧，实现充分搅拌和混合，进水的均质化，保证出水水质的稳定性。 技术关键和主要技术指标:1、本反应器所用载体蜂窝陶瓷具有丰富的比表面积，能有效吸附水中的有机污染物类，20分钟对甲基橙降解率达50%。反应器的设计采用推流式水流，外加曝气搅拌混匀，延长了水的停留时间，保证水质的均匀稳定，实现了进水与出水的连续化。2、选用溶胶-凝胶法(sol-gel)在蜂窝陶瓷载体表面镀光催化膜，采用钛酸丁酯、浓盐酸、无水乙醇、水,按摩尔比1∶0.25∶24∶2制备溶胶。镀膜后在500℃下恒温焙烧1 h.冷却后,重复镀膜4次。3、 以250W汞灯提供紫外光能量，模拟废水的甲基橙初始浓度为20mg/l,水温控制在30℃左右，pH=6.5，吸附时间30分钟，流量控制在1L/min时出水污染物甲基橙浓度仅为3mg/L，降解率由未镀膜时的50%提高为85%，催化效果明显。
科学性、先进性
- 近年来，随着人类环境保护意识的提高，国内外对含有机污染物废水排放的限制标准越来越严格, 高效、低成本且易于再生的陶瓷载体固定化TiO2膜光催化反应水处理技术有着广泛的市场前景。可以预测，随着我国工业化和城镇化进程的步伐加快，代表当今先进水处理技术之一的固定化TiO2膜光催化反应水处理工艺技术由于性能优良、低成本长寿命、污水处理能力强和出水水质高将会得到广泛应用。目前国内外就固定化TiO2膜光催化剂的诸多方面开展了深入的研究，TiO2由于具有化学性质稳定且成本低、无毒、催化活性高、氧化能力强而备受人们的关注。我们采取比表面积大、高耐酸、耐碱的蜂窝陶瓷为载体，采用溶胶凝胶法在蜂窝陶瓷表面涂覆一层TiO2光催化薄膜，实现了光催化剂的固定化，废水中的有机污染物被蜂窝陶瓷丰富孔隙吸附后，在外置高压汞灯提供的强烈紫外线的作用下，TiO2光催化薄膜吸收紫外线能量，将吸收的光能用于氧化被蜂窝陶瓷吸附的有机污染物，释放能量的TiO2又恢复原态，从而源源不断地催化氧化废水中的有机污染物。
获奖情况及鉴定结果
- 在2009年5月江西南昌参加第十一届挑战杯中国大学生课外学术科技作品竞赛江西赛区决赛获二等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
作品可展示的形式
- 实物、图纸、图片、动画
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 目前，对于微污染水人们的关注越来越高。我们采用的溶胶-凝胶法制备纳米TiO2，能使TiO2与载体结合牢固、不易脱落，控制焙烧温度能得到所需晶相的TiO2膜且膜厚度可以控制。其它方法存在制备成本高，工艺复杂，设备昂贵，活性不高等缺点。TiO2薄膜的研究开始发展不久，在制备方面还存在一些问题，而TiO2薄膜的良好性能使得其在工业化生产当中占有必要的地位，TiO2薄膜将具有很大的市场发展潜力。水处理反应器采用推流式水流，延长水在反应器中的停留时间，采用深井曝气供氧，并实现充分搅拌和混合，实现进水的均质化，保证出水水质的稳定。该反应器装置是集吸附、光催化降解为一体的新型水处理反应器，能有效降解水中的有机污染物。目前开发的反应器大都处在实验室阶段，存在设计复杂，应用难，效率低等问题。可以预见，我们的作品在经过进一步深入的试验研究及推广之后，将具有广泛的市场，产生巨大的经济效益。
同类课题研究水平概述
- TiO2能有效地将废水中的有机物降解为H2O、CO2、硫酸根离子、磷酸根离子、硝酸根离子、卤素离子等无机小分子,达到完全无机化的目的。目前研究最多的是降解染料废水中的有机物。在染料的生产和应用中,若大量色泽深的染料废水进入水体会造成严重的环境污染,有的甚至还含致癌物质。常用的生物化学法对于水溶性染料的降解效率较低。对于利用半导体光催化降解废水的研究已有许多报道。 赵红花对TiO2光催化氧化技术在酸性紫红染料溶液中做的研究表明,酸性紫红染料水样在pH=8左右脱色效果较好,并且在碱性条件下脱色率比在酸性条件下脱色率高。添加微量H2O2水样脱色率在很短时间内(15min)明显提高,从31.30%增至96.67%。同时添加微量H2O2与适量Fe3+水样脱色率明显高于只加H2O2或只加Fe3+。王九思等进行了负载型TiO2光催化氧化降解甲基橙的实验研究,实验中TiO2光催化降解甲基橙溶液反应过程:取一定量4mg/L的甲基橙溶液,100粒附载TiO2的玻璃珠为光催化氧化剂，溶液深度为20mm,在20W紫外线杀菌灯下照射1h,光距调为110mm,整个反应器套在铝箔罩内,用分光光度计测其反应前后吸光度,即可求出脱色率。在此最佳实验条件下甲基橙的脱色率达到70%以上,实验结果较理想。 N.Guetta1等对TiO2光催化降解甲基橙时的最佳参数进行了研究,试验表明当TiO2质量浓度为0.8g/L、pH=3、染料浓度较低(≤50mg/L)时,采用Degussa P25(一种商业TiO2粉末)为光催化剂时甲基橙的降解速率最快。董振海等以纳米TiO2为光催化剂,采用自制的间歇式悬浆体系光催化反应器对活性红K-2Bp染料模拟废水进行光催化降解试验,考察废水pH值、初始浓度等因素对反应的影响,在试验条件下,染料模拟废水的COD去除率可达70%以上,反应后废水可生化性提高,其光催化降解反应符合Langmuir-Hinshelwood模式。 本项目反应器装置作为一种集吸附、光催化降解为一体的新型水处理反应器，能有效降解水中的有机污染物，且实现了光催化剂的固定化，并有效解决了传统粉体光催化回收难的问题，成本底，易于推广。
