專(zhuān)利名稱：鉑摻雜二氧化鈦光電催化氧化去除砷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種以活性炭負(fù)載鉑摻雜二氧化鈦為光 電反應(yīng)催化劑處理含砷水溶液的方法。
背景技術(shù)：
從1972年發(fā)現(xiàn)二氧化鈦可以分解水的實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，二氧化鈦?zhàn)鳛橐环N化學(xué)性 質(zhì)穩(wěn)定，沒(méi)有污染，價(jià)廉易得，并且可以重復(fù)利用的固體催化劑，進(jìn)行了關(guān)于 催化劑摻雜、表面修飾、最佳PH值、各種載體、聯(lián)用外加氧化劑以及與其它技 術(shù)聯(lián)用等方面的實(shí)驗(yàn)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)。從1998年和1999年的文獻(xiàn)記錄開(kāi)始， 人們把二氧化鈦應(yīng)用于三價(jià)砷氧化為五價(jià)砷。
砷廣泛分布于自然界，主要以砷(III)和砷(V)兩種形式存在。 一般認(rèn) 為，三價(jià)砷的毒性比五價(jià)砷高25-60倍，而且砷(III)的流動(dòng)性強(qiáng)不易去除。
從Bang等人2005年的文章"Removal of arsenic from groundwater by granular titanium dioxide"可見(jiàn)，砷(V)可以通過(guò)吸附去除而達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，但是砷 (III)去除的已有處理方法如二氧化鈦吸附法、活性炭吸附法、氧化鐵吸附 法、Mn02吸附法、活性氧化銷(xiāo)濾罐法、聚硅酸硫酸鐵鉬法、硫化物法、石灰中 和法、離子交換法等均有不同的缺點(diǎn)，沒(méi)有很好的廉價(jià)的直接去除方法。因此 三價(jià)砷需要轉(zhuǎn)化為五價(jià)砷再進(jìn)行去除。如果只利用光和純二氧化鈦進(jìn)行催化， 須用紫外光才能進(jìn)行催化，而且由于光生電子復(fù)合率高，造成催化效果不如鉑 摻雜二氧化鈦理想。如果用鉑摻雜二氧化鈦?zhàn)鳛榇呋瘎涂梢允褂锰?yáng)光或 紫外光，在工作電極上施加偏電壓，比不加效果要好。
本發(fā)明涉及到的光電催化技術(shù)是一種光催化與電化學(xué)聯(lián)用的新型深度氧化 技術(shù)，主要是通過(guò)固定化技術(shù)把半導(dǎo)體光催化劑負(fù)載在導(dǎo)電基體上制成工作電 極，同時(shí)在工作電極上施加偏電壓，從而在電極內(nèi)部形成一個(gè)電勢(shì)梯度，促進(jìn)
3光生電子和空穴向相反的方向移動(dòng)，抑制它們的復(fù)合，以加速分離。并且，這 種光電催化系統(tǒng)還有另外兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)， 一是把導(dǎo)帶電子的還原過(guò)程同價(jià)帶 空穴的氧化過(guò)程從空間位置上分開(kāi)(與半導(dǎo)體微粒相比較)，結(jié)果大大增加了半
導(dǎo)體表面.OH的生成效率且防止了氧化中間產(chǎn)物在陰極上的再還原；二是由于 導(dǎo)帶電子被引到陰極還原水中的H+,所以不需要向系統(tǒng)鼓入氧氣作為電子俘獲劑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)三價(jià)砷去除效率低，成本高的問(wèn)題。 同時(shí)也解決單一光催化氧化三價(jià)砷時(shí)不能迅速完全去除的缺點(diǎn)，提供了一種更 具有應(yīng)用價(jià)值的水處理方法。
本發(fā)明提供的一種鉑摻雜二氧化鈦光電催化氧化去除砷的方法是在鉑摻雜
二氧化鈦光電催化劑Pt/Ti02存在下，以紫外燈或可見(jiàn)光、外加電壓協(xié)同催化氧 化三價(jià)砷到五價(jià)砷；該方法以活性炭負(fù)載鉑摻雜的納米二氧化鈦為陽(yáng)極同時(shí)也 是光電催化氧化反應(yīng)的催化劑，炭棒作為陰極；上述的反應(yīng)外加直流電壓為l ~ 20V,空氣通過(guò)底部曝氣裝置進(jìn)入反應(yīng)器；根據(jù)水質(zhì)和出水目標(biāo)的不 同，活性炭負(fù)載型催化劑與含砷水溶液、空氣、紫外燈或可見(jiàn)光的作用時(shí)間為 10~180分鐘。
上述以活性炭負(fù)載鉑摻雜的納米二氧化鈦，釆用溶膠凝膠法將鉑摻雜的納 米二氧化鈦負(fù)載到活性炭上，鉑摻雜質(zhì)量百分比為0. 1~0. 3%。
上述紫外燈放置于反應(yīng)器頂部或反應(yīng)器中部，功率為4~125W。
上述少量五價(jià)砷直接吸附到二氧化鈦催化劑表面，富集的五價(jià)砷通過(guò)活性 三氧化二鋁Al^吸附劑吸附去除。
一般而言，催化劑與水、空氣、紫外燈的作用時(shí)間越長(zhǎng)，催化劑的投加量 與反應(yīng)中水的質(zhì)量比越大，處理效果越好，但是相應(yīng)的成本也會(huì)提高。在光催 化過(guò)程中施加一個(gè)額外的槽壓，使電子和空穴有效的分離，提高了光催化活性;
4二氧化鈦在紫外燈的作用下，產(chǎn)生了強(qiáng)氧化性的羥基自由基；利用鉑摻雜二氧
化鈦可以使光吸收帶紅移，也可以利用自然光作為光源，降低處理成本；通入
少量空氣，可以提高砷的去除速率，縮短光電催化的處理時(shí)間，降低處理成本。 本發(fā)明是光電聯(lián)用的高級(jí)氧化技術(shù)，應(yīng)用于飲用水和含砷廢水的深度凈化。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是在光催化過(guò)程中施加一個(gè)額外的槽壓，使電子和空穴有效地 分離，提高了光催化活性；二氧化鈦在紫外燈的作用下，產(chǎn)生了強(qiáng)氧化性的羥 基自由基；利用鉑摻雜二氧化鈦可以使光吸收帶紅移，也可以利用自然光作為 光源，降低處理成本；通入少量空氣，可以提高有機(jī)物的去除速率，縮短光電 催化的處理時(shí)間，降低處理成本。將這些要素結(jié)合起來(lái)，不僅能夠有效地去除 水溶液中的砷，且比單純的純二氧化鈦光催化或者鉑摻雜二氧化鈦光催化具有 更為經(jīng)濟(jì)的利用價(jià)值。


圖l是本發(fā)明鉑摻雜二氧化鈦光電催化氧化去除砷的裝置。 其中1.陰極2.陽(yáng)極/催化劑3.曝氣板4.空氣入口 5.碳棒 6.紫外燈或太陽(yáng)光7.電源 8.三氧化二鋁吸附劑 A-含砷水溶液入口 ， B-處理后的含砷水溶液出口 。 圖2是本發(fā)明鉑摻雜Ti02的紫外-可見(jiàn)光光譜圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1:
如圖1所示，在反應(yīng)器中加入100戶。〃丄的NaAsO2溶液500mL。功率為錯(cuò) 的紫外燈置于反應(yīng)器頂部。25g活性炭負(fù)載鉑摻雜質(zhì)量百分比為0. 1%的二氧化 鈦的催化劑置于反應(yīng)器底部為陽(yáng)極，以碳棒為陰極，施加槽壓為2V?？諝饨?jīng)底 部曝氣裝置進(jìn)入反應(yīng)器，投加量為10g/h,反應(yīng)時(shí)間30分鐘。
單純的純二氧化鈦光催化和鉑摻雜二氧化鈦光催化砷溶液，經(jīng)測(cè)定，其去 除率分別為35%和77%，而經(jīng)上述條件處理的NaAs02溶液，經(jīng)測(cè)定，其去除率為95%,具有較好的氧化去除效果。
實(shí)施例2:
如圖l所示，在反應(yīng)器中加入初始砷含量約為1000/卵0//丄的廢水500mL。 功率為9W的紫外燈置于反應(yīng)器頂部。25g活性炭負(fù)載鉑摻雜質(zhì)量百分比為0. 1% 的二氧化鈦的催化劑置于反應(yīng)器底部為陽(yáng)極，以碳棒為陰極，施加槽壓為2V。 空氣經(jīng)底部曝氣裝置進(jìn)入反應(yīng)器，投加量為10g/h,反應(yīng)時(shí)間30分鐘。
單純的純二氧化鈦光催化和鉑摻雜二氧化鈦光催化含砷廢水，經(jīng)測(cè)定，其 去除率分別為23%和73%,而經(jīng)上述條件處理的含砷廢水，經(jīng)測(cè)定，其去除率為 91%，具有較好的氧化去除效果。 實(shí)施例3:
如圖1所示，在反應(yīng)器中加入100戸?！▉A的NaAs02溶液500mL。功率為錯(cuò) 的紫外燈置于反應(yīng)器頂部。25g活性炭負(fù)載鉑摻雜質(zhì)量百分比為0. 1%的二氧化 鈦的催化劑置于反應(yīng)器底部為陽(yáng)極，以碳棒為陰極，施加槽壓為4V。空氣經(jīng)底 部曝氣裝置進(jìn)入反應(yīng)器，投加量為10g/h,反應(yīng)時(shí)間30分鐘。
單純的純二氧化鈦光催化和鉑摻雜二氧化鈦光催化砷溶液，經(jīng)測(cè)定，其去 除率分別為35°/。和77%，而經(jīng)上述條件處理的NaAs02溶液，經(jīng)測(cè)定，其去除率 為98%,具有較好的氧化去除效果。 實(shí)施例4:
如圖1所示，在反應(yīng)器中加入100戸o〃丄的NaAsO2溶液500mL。功率為4W 的紫外燈置于反應(yīng)器頂部。25g活性炭負(fù)載鉑摻雜質(zhì)量百分比為0. W的二氧化 鈦的催化劑置于反應(yīng)器底部為陽(yáng)極，以碳棒為陰極，施加槽壓為2V?？諝饨?jīng)底 部曝氣裝置進(jìn)入反應(yīng)器，投加量為10g/h,反應(yīng)時(shí)間180分鐘。
單純的純二氧化鈦光催化和鉑摻雜二氧化鈦光催化砷溶液，經(jīng)測(cè)定，其去 除率分別為95. 1%和98. 3%，而經(jīng)上述條件處理的NaAs02溶液，經(jīng)測(cè)定，其去 除率為99. 8%,具有較好的氧化去除效果。實(shí)施例5:
如圖1所示，在反應(yīng)器中加入100戸o〃Z的NaAsCV溶液500mL。功率為W 的紫外燈置于反應(yīng)器頂部。25g活性炭負(fù)載鉑摻雜質(zhì)量百分比為0. W的二氧化 鈦的催化劑置于反應(yīng)器底部為陽(yáng)極，以碳棒為陰極，施加槽壓為2V。空氣經(jīng)底 部曝氣裝置進(jìn)入反應(yīng)器，投加量為10g/h,反應(yīng)時(shí)間30分鐘。
單純的純二氧化鈦光催化和鉑摻雜二氧化鈦光催化砷溶液，經(jīng)測(cè)定，其去 除率分別為35%和86%,而經(jīng)上述條件處理的NaAs02溶液，經(jīng)測(cè)定，其去除率 為99%,具有較好的氧化去除效果。 實(shí)施例6:
如圖1所示，在反應(yīng)器中加入100，?！╖的NaAsCV溶液500mL。功率為1" 的紫外燈置于反應(yīng)器頂部。25g活性炭負(fù)載鉑摻雜質(zhì)量百分比為0. 1%的二氧化 鈦的催化劑置于反應(yīng)器底部為陽(yáng)極，以碳棒為陰極，施加槽壓為2V?？諝饨?jīng)底 部曝氣裝置進(jìn)入反應(yīng)器，投加量為10g/h，反應(yīng)時(shí)間30分鐘。
單純的純二氧化鈦光催化和鉑摻雜二氧化鈦光催化砷溶液，經(jīng)測(cè)定，其去 除率分別為90. 0%和92. 5%,而經(jīng)上述條件處理的NaAs02溶液，經(jīng)測(cè)定，其去 除率為99.5%，具有較好的氧化去除效果。
權(quán)利要求
1.一種鉑摻雜二氧化鈦光電催化氧化去除砷的方法，其特征在于該方法是在鉑摻雜二氧化鈦光電催化劑Pt/TiO2存在下，以紫外燈或可見(jiàn)光、外加電壓協(xié)同催化氧化三價(jià)砷到五價(jià)砷；該方法以活性炭負(fù)載鉑摻雜的納米二氧化鈦為陽(yáng)極同時(shí)也是光電催化氧化反應(yīng)的催化劑，炭棒作為陰極；上述的反應(yīng)外加直流電壓為1～20V，空氣通過(guò)底部曝氣裝置進(jìn)入反應(yīng)器；根據(jù)水質(zhì)和出水目標(biāo)的不同，活性炭負(fù)載型催化劑與含砷水溶液、空氣、紫外燈或可見(jiàn)光的作用時(shí)間為10～180分鐘。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于上述以活性炭負(fù)載鉑摻雜的納 米二氧化鈦，釆用溶膠凝膠法將鉑摻雜的納米二氧化鈦負(fù)載到活性炭上，鉑摻 雜質(zhì)量百分比為0. 1~0. 3%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于上述紫外燈放置于反應(yīng)器 頂部或反應(yīng)器中部，功率為4 125W。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于上述少量五價(jià)砷直接吸附到二 氧化鈦催化劑表面，富集的五價(jià)砷通過(guò)活性Al幾吸附劑吸附去除。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種鉑摻雜二氧化鈦光電催化氧化去除砷的方法；反應(yīng)時(shí)，空氣從反應(yīng)器的底部通過(guò)曝氣裝置通入，以活性炭負(fù)載鉑摻雜的納米二氧化鈦為陽(yáng)極，炭棒為陰極，紫外燈放置于反應(yīng)器頂部或反應(yīng)器內(nèi)部；槽壓為直流1～20V，活性炭負(fù)載型催化劑與含砷水溶液、空氣、紫外燈的作用時(shí)間為10～180分鐘；活性炭負(fù)載鉑摻雜的納米二氧化鈦時(shí)，采用溶膠凝膠法將鉑摻雜的納米二氧化鈦負(fù)載到活性炭上，鉑摻雜質(zhì)量百分比為0.1～0.3％；本方法以活性炭負(fù)載鉑摻雜納米二氧化鈦為陽(yáng)極同時(shí)通入空氣，產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的自由基，促進(jìn)了光電催化的進(jìn)行；光、電、空氣協(xié)同作用，能充分氧化三價(jià)砷，這種方法比單純的二氧化鈦光催化有更好的實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)C02F1/72GK101492199SQ20091003758
公開(kāi)日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2009年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月4日
發(fā)明者徐艷陽(yáng), 欒玉成, 潘湛昌, 肖楚民, 胡光輝, 磊 許, 陳世榮, 晶 馬, 魏志鋼 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)