基本信息
- 项目名称：
- 基于单晶TiO2纳米线阵列的太阳能能连续光电污水处理装置
- 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A类
- 简介：
- 通过“种子调控”及“定向生长”技术制备了垂直取向的金红石型单晶TiO2纳米线阵列。在此基础上，以含酚废水作为反应原料，通过光聚合及高温热解反应，构筑了金红石型单晶TiO2@石墨化碳核壳结构纳米线阵列。采用该纳米线阵列作为光阳极，结合电场辅助技术，制备了太阳能连续光电污水处理装置。该装置具有太阳能利用率高，可对废水进行连续处理等优点，同时也为利用含酚废水制备高附加值产品提供了新思路。
- 详细介绍：
- 通过“种子调控”及“定向生长”技术制备了直径约为5到10nm、长约10um垂直取向的金红石型单晶TiO2纳米线阵列。在此基础上，以含酚废水作为反应原料，通过光聚合及高温热解反应，构筑了金红石型单晶TiO2@石墨化碳核壳结构纳米线阵列。采用该纳米线阵列作为光阳极，结合电场辅助技术，制备了太阳能连续光电污水处理装置。该装置具有太阳能利用率高，可对废水进行连续处理等优点，同时也为利用含酚废水制备高附加值产品提供了新思路，符合当代“两型”社会的发展要求。
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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
- 目的和基本思路 工业污水常常含有大量有毒难降解的有机污染物，这类难降解的有机污染物可使生态环境遭受严重的破坏，用传统的物理方法和生化方法都存在较大的弊端，而TiO2光催化氧化技术，由于具有反应条件温和、反应设备简单、二次污染小、易于操作控制、对低浓度污染物有很好的去除效果、运行成本低等突出优点，同时还具有利用清洁廉价的太阳能的巨大潜力。我们基于光催化技术，在此基础上对TiO2进行石墨化碳包覆改性，成功制备了太阳能连续光电污水处理装置。 创新点 1.采用光聚合及高温热解法，构筑了石墨碳层均匀包覆改性的单晶TiO2纳米线阵列。改性处理不仅提高了吸附性能、同时也提高了太阳能利用率及光催化效率； 2.该光电极的制备可直接利用清洁无污染的太阳能进行，同时利用工业含酚废水作为反应原料。 3. 采用TiO2＠石墨碳纳米线阵列为光电极，通过光电协同方式对污水进行连续处理。 技术关键 1. 取向生长的单晶TiO2纳米线阵列的制备及工艺优化。 2. TiO2＠石墨碳纳米线阵列的制备、碳层厚度调节及对催化性能的影响。 3. 电场作用对降解速率的影响。 主要技术指标 1. 光电性能：模拟太阳光辐照下光电流密度为11.4 mA/cm2 (0.4V vs SCE); 2. 污染物降解速率：模拟太阳光辐照下光电降解速率为0.060/Min (2cm2，100 ml MB溶液)。
科学性、先进性
- 1.采用光聚合及高温热解法，构筑了石墨碳层均匀包覆改性的单晶TiO2纳米线阵列。改性处理不仅提高了吸附性能、同时也提高了太阳能利用率及光催化效率； 2.该光电极的制备可直接利用清洁无污染的太阳能进行，同时利用工业含酚废水作为反应原料，不仅有利于节约能源，同时也为工业废水的处理提供了新思路； 3. 采用TiO2＠石墨碳纳米线阵列为光电极，通过光电协同方式对污水进行连续处理。该系统不仅提高了污染物的处理效率，同时也可以完全利用清洁无污染的太阳能提供动力，不需要消耗其他形式的能量，符合当代社会低碳生活及绿色环保的时代主题。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品部分内容于2010年9月在大连理工大学参加教育部高教司主办的“第三届全国大学生创新年会”及“全国大学生创新成果展”，荣获“第三届全国大学生创新年会十篇优秀论文”，还于在2011年4月湘潭大学举办的创新论坛获得“最佳作品奖”。
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
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
- 1 使用说明 受太阳光辐照时，太阳能电池将光能转变为电能，并通过蓄电池储存起来，为水泵提供动力和对光电反应器施加偏压，采取光电协同方式净化污水。处理达标后，送到用户处循环使用或排放。光照强度弱或无光时，由蓄电池储存的电能带动补充光照系统工作，进行污水连续循环处理。 2 技术特点和优势 电极制作简单，稳定性好，使用寿命长，采用光电协同催化连续工艺处理，降解速率高，避免催化剂回收难的问题，最大限度的利用了太阳能。 3 推广前景及市场分析 光催化不仅具有反应条件温和、二次污染小、易于操作控制、对低浓度污染物有很好的去除效果等突出优点，同时还具有利用廉价的太阳光作为反应光源的巨大潜力。加速我国光电协同催化降解技术的研究，将对我国的水环境保护具有深远的意义。 本装置运行的动能可完全由清洁无污染的太阳能提供，同时采取连续循环方式运行，有利于光催化装置的小型化，便于安装及推广使用。因此，在生活污水、工业污水处理以及水源修复方面具有较好的应用前景。
同类课题研究水平概述
- 2001 年，Asahi 等报道了一种在可见光(波长λ< 500 nm) 下具有很高光催化活性和超亲水性的TiO2 - xNx ( x = 0.75 %)粉末和薄膜光催化剂,氮取代少量的晶格氧可以使二氧化钛的带隙变窄，并在不降低紫外光活性的同时实现可见光光催化响应,掀开了非金属掺杂光催化剂的序幕。随后，Khan 等通过控制Ti金属在天然气火焰上燃烧热解获得化学改性的n-TiO2 ,并实现了TiO2的碳掺杂，显著提高了可见光响应特性，其吸收边红移至535 nm，带隙能减小至2.32 eV。光分解水实验结果表明，该催化剂的最大光化学转化效率(光能转化为化学能的效率) 达到8.35% ，而在相同条件下n-TiO2的最大光化学转化效率仅为1.08%，效率提高了近8倍。而且该催化剂经6个月同样条件(40 mW/cm2的氙灯照射)下的测试仍然维持相同的光化学转化效率。碳掺杂非金属的TiO2 具有更宽的可见光吸收范围，表现出较强的光催化活性，并且这种可见光催化活性是不以牺牲UV激发下光活性为代价的。 2006年， Aharon Gedanken课题组通过将钛酸酯热解制备了TiO2@石墨碳复合光催化剂，并研究了其在太阳光作用下，亚甲基蓝及4-苯酚的光降解效率。结果表明，该复合催化剂具有较好的可见光催化效率。但由于该催化剂含碳量过高(大于32%)，阻碍了紫外光向TiO2晶体的传送，影响了紫外光催化效果；近来，国内清华大学的朱永华课题组采用将葡萄糖加入到TiO2(P25)水悬浮液，然后180℃水热处理，接着在氮气保护下，800℃锻烧3 h，制备了表面包覆约1 nm厚，类似石墨碳层的纳米TiO2催化剂。拉曼光谱分析表明：经过800℃ 3 h热处理，该碳层被石墨化。同时，催化剂晶型基本保持不变，对紫外、可见及近红外光的吸收大大增强。通过对甲醛的降解实验表明，由于催化剂吸收紫外光后，产生光生电子能被石墨碳捕获并输送到催化剂表面，从而有效阻止了电子-空穴对的复合，并且由于石墨碳能与纳米粒子的表面未饱和钛原子形成d-∏共轭，碳原子吸收可见光后，能将激发态电子注入到TiO2的d导带，提高了量子产率。因此，催化剂的效率远远大于P25。
