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丝网型TiO2纳米管阵列基光电极的制备及其高效处理畜牧业废水研究

发布时间:2018-10-30 20:23:44


项目概述
针对当前畜牧业废水治理技术存在二次污染和效率低的问题,本项目拟制备一种新型、高效、绿色的深度处理畜牧业废水的丝网型TiO2纳米管光电催化材料,开发一种新型的光电催化处理废水设备并实现转化为商业产品。废水经过丝网结构的TiO2材料时,TiO2在光电作用下产生具有强氧化性的光生空穴,能使畜牧业废水中微生物失活、有机污染物及抗生素的分解,从而达到深度处理畜牧业废水的目的。
研究的目的与意义
(1)为构建一类新型的丝网型TiO2纳米管光电催化设备深度处理畜牧业废水的光电极材料提供一种简单、可靠的合成方案;
(2)通过研究丝网型TiO2纳米管光电催化材料的结构与丝网电极光电性质之间的关系,为降低光电极光生载流子复合率提供一条新的解决途径;
(3)获得几种高活性的丝网型TiO2纳米管阵列复合光电极,开发一种稳定、高效、环保并能实际应用的畜牧业废水深度处理的光电催化技术。
本研究基于丝网型TiO2纳米管光电催化具有高效降解有机物、氨氮化合物和杀菌功能,在处理畜牧业废水方面具有重要的理论意义及广阔的应用前景,为水资源回收利用和绿色高效光电催化处理水污染工艺及产品的开发奠定良好基础。通过目前材料价格调查,制备一套设备的成本为418元,加上人工费等全部成本为800元一套。按一年使用寿命进行计算,本设备废水处理成本约为2.2元/m3。相对于目前处理废水成本约为3元/m3,具有巨大的转化价值和意义。
项目展示
自行设计了一套中型光电催化处理污水反应装置(左图),并委托佛山市霖诺新材料有限公司定制成品(右图)。此装置设备简单,操作方便,适合初期实验探索的光电催化处理污水体系。此装置可以根据项目的需要进行优化设计,如,可以增加光催化材料的槽孔和增加紫外(UV)灯。由于本项目开发的是丝网型TiO2纳米管阵列的光催化剂,此催化剂网孔可以根据污水的水质进行选择大小。最终达到最佳深度污水处理的效果。
已经制备了丝网型光催化电极并用于初步降解有机污染物。如右图,按照项目组现有的在钛片上制备TiO2纳米管的经验,用阳极氧化制备了丝网型TiO2纳米管阵列。每根丝上周围全部是TiO2纳米管。模拟甲基蓝有机污染物废水具有明显的褪色效果(见图),其降解率为92%。
       在本项工作中,我们初步获得了有效的丝网型TiO2纳米管阵列结合紫外光作用光电催化降解大量有机废水实验,要获得更高效的深度处理城市废水的光电催化体系及产业化,在理论和实验上需要进一步探索,在反应器的设计也需要进一步的改进。
实施方案
本项目在前期完成制备了丝网型TiO2纳米管阵列材料的基础上,经过改性得到三种新的光电极材料。即氢化的纳米MoS2和Pt分别负载的丝网状TiO2纳米管阵列材料;通过结构表征、紫外可见吸收光谱、荧光光谱和瞬态光谱等测试、光电催化性能考察分析光电催化机理,设计高性能的光催化电极材料;根据实际污水的不同污染程度优化光催化反应器的设计。项目的基本思路和工艺流程见图所示。