基本信息
- 项目名称：
- 竹炭负载纳米铁系催化剂光电降解有机废水装置的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品是将光催化技术和电去离子技术有机结合设计而成的综合处理有机废水模拟装置。该装置具绿色生产过程，能耗低、设备维护简单、节省资源、处理效果显著等优点，且使用的电极材料成本低，催化剂制备工艺简单。能在印刷厂、造纸厂、印染厂等的有机废水处理中得到广泛应用，有利于减少环境废水的排放，对节能减排起到积极作用，具有较好的社会效益和环境效益。
- 详细介绍：
- 本作品是将光催化技术和电去离子技术有机结合设计而成的综合处理有机废水模拟装置。该装置具绿色生产过程，能耗低、设备维护简单、节省资源、处理效果显著等优点，且使用的电极材料成本低，催化剂制备工艺简单。以水体中常见的有机污染物为处理对象，将多相催化氧化技术引入到电化学体系中，即在竹炭颗粒上负载催化剂，构成电-多相催化体系，实现电化学与低温光催化湿式氧化的有机结合。能在印刷厂、造纸厂、印染厂等的有机废水处理中得到广泛应用，有利于减少环境废水的排放，对节能减排起到积极作用，具有较好的社会效益和环境效益。 本作品创新之处：（1）选用非贵的铁系催化剂负载到竹炭颗粒上，制成三维电极体系的第三极；（2）将催化剂和自主设计的光电反应器有机结合，组成一个新型综合处理有机废水的光电降解装置。
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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
- 目前国内外对用三维电极处理难降解有机废水和催化剂的性能进行了一系列的研究，但关于催化剂的应用研究还比较少。而电化学法以及多相催化氧化法作为难降解有机废水的常用方法，在许多方面还 存在不足，有待于我们进一步研究。本项目的研究中采用铁系列氧化物以及它的复合氧化物作为催化剂的活性组分，它们具有一定的催化活性且成本低廉，并且选用了竹炭作载体，它具有大的比表面积和多孔结构，且具有一定的导电性。 竹炭负载纳米铁系催化剂光电装置是将光非均相催化技术引入电化学催化体系的一个综合处理有机废水的装置。即在竹炭颗粒上负载催化剂，构成电-多相催化体系，实现电化学与低温光催化湿式氧化的有机结合，在催化剂的作用下，将电化学副反应产生的二次氧化剂O2、O3 、H2O2 转化为活性更强的•OH等活性中间体，间接降解有机物，强化电化学反应中产生的二次氧化剂的氧化效率，提高电化学反应器降解高浓度、生物难降解有机物的效率以及反应器的电流效率。 我们针对电化学催化以及光催化技术的影响因素，选择并优化了设计条件，研究出了新的催化剂制备方法，提高了有机物的降解率。在研制出优良性能的催化剂的基础上，反复比较分析了影响光电降解模拟装置降解模拟有机废水效果最主要的因素，即催化剂煅烧温度、电极片距离、电极片对数、底物种类、外加电压、催化剂投加量等因素，找到了光电降解模型制作的途径并优化了相关条件，成功设计出光电降解模拟装置。
科学性、先进性
- 本研究以水体中常见的有机污染物为处理对象，将多相催化氧化技术引入到电化学体系中，实现电化学与低温光催化湿式氧化的有机结合，在催化剂的作用下，将电化学副反应产生的二次氧化剂O2、O3 、 H2O2 转化为活性更强的•OH等活性中间体，间接降解有机物，强化电化学反应中产生的二次氧化剂的氧化效率，提高电化学反应器降解高浓度、生物难降解有机物的效率以及反应器的电流效率。 三维电极是在传统二维电解槽电极间装填粒状或碎屑状工作电极材料,使工作电极材料表面带电,从而发生化学反应 。近年来,三维电极法已被广泛应用于处理含金属离子废水和含有机物废水。 然而，在竹炭上负载非贵金属氧化物催化剂用于废水处理的研究还很少，该项目是在低温下进行电-紫外光协同催化降解有机废水，且取得了较理想的效果。 项目创新之处：（1）选用非贵的铁系催化剂负载到竹炭颗粒上，制成三维电极体系的第三极；（2）将催化剂和自主设计的光电反应器有机结合，组成一个新型综合处理有机废水的光电降解装置。
获奖情况及鉴定结果
- 1、刘军、孟秋节、朱锦涛等人参与的制备活性炭耐冲刷电极及其制备方法与应用的发明专利已进入实质审查阶段； 2、刘军、孟秋节、朱锦涛等人研究的“竹炭负载铁系催化剂的三维电极处理难降解有机污水的研究”项目获国家级大学生创新性实验计划和资助； 3、刘军、孟秋节、朱锦涛等人参与撰写的论文《活性炭电极电去离子模拟装置对苦咸水的处理研究》收录于《湖南省精密仪器测试学会2010年学术年会论文集》。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 模型、现场演示
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
- 研究小组针对电化学催化和光催化的影响因素，选择并优化了设计条件，研究出了新的催化剂制备方法，提高了有机物的降解率。反复比较分析了影响光电降解模拟装置降解模拟有机废水效果最主要的因素，找到了光电降解模型制作的途径并优化了相关条件，成功设计出光电降解模拟装置。 研究小组解决了高活性、易分离、无二次污染的非均相催化剂等关键问题，研究设计的模拟装置具绿色生产过程，能耗低、设备维护简单、节省资源的优点，将吸附光助非均相催化和电解等过程进行有机结合，组合成一个综合处理废水的装置。它将吸附材料与催化剂相结合，同时又作为电极材料，吸附材料有不同的吸附性能，可以吸附各类不同的污染物，从而能有效地将苯酚、印染废水和各重金属离子从水相转移到固相并净化废水。能有效降解印染厂、印刷厂和造纸厂等工业废水以及城市生活废水中的大部分有机污染物，且造价及运行成本低廉，分解产物为二氧化碳和水，把对环境的危害减到最低，符合节能环保的理念，是大中小型化工厂处理废水的最佳选择，具有很好的市场前景和经济效益。
同类课题研究水平概述
- 目前国内外对用光电降解有机废水和催化剂的性能进行了一系列的研究，陈江等研究用三维电极反应器去除甲苯废气，对高浓度甲苯废气的去除率达到40%以上。曹志斌等采用超声协同三维电极技术处理甲基橙模拟废水，甲基橙的去除率接近100%，COD的去除率达到80%以上。国内东北大学班福忱等对用三维电极处理苯酚废水进行了深入的研究，通过对比三维电极与二维电极对苯酚的处理效果，证实了三维电极法既可以极大地节约成本，且处理效果优于二维电极；也通过采用合适的三维电极的填料来提高电解槽的效率，在采用一定比例的涂膜活性炭与活性炭作为填料的三维电极处理苯酚废水时，去除率可达到96.8%；还采用了三维电极-Fenton试剂法处理苯酚废水，最大降解率达到94.5%。陈武等对用三维电极处理石油工业废水、氨基酸的废水和含锌废水进行了深入的研究。他们研究了各操作参数对处理效果的影响，得到各参数的最佳水平组合，在最佳组合下，三维电极有很强的降解石油工业废水的COD的能力；并通过对各种中间产物和产物的分析，对三维电极去除油田废水中聚苯烯酰胺的反应机理进行了研究，得出双氧水、羟基自由基和产生的不溶物是聚苯烯酰胺浓度和COD降低的重要原因。并采用三维电极处理多种氨基酸混合的模拟废水，总降解率最高可达59.01%，COD去除率最高可达90%以上。他们并对含锌废水进行了处理，去除率可达到95.7%。程爱华等、黄宇等、景晓辉等、王林红等、徐丽娜等等采用三维电极对燃料废水进行了处理，最高的去除率可达90%以上，最低的也超过30%。
