專利名稱：一種可見光降解有機物的降解裝置及制備方法
一種可見光降解有機物的降解裝置及制備方法
技術領域：
本發明屬于工業污染處理技術，特別涉及一種可見光降解有機物的降解裝置及制 備方法。
背景技術：
步入21世紀以來，能源、環境等日益成為未來人類亟待解決的重大問題。空氣和 廢水中的有機污染物持續增長，這些有機物在自然環境中難降解、滯留時間極長，被生物體 攝入后不易分解，并能在大氣環境中遠距離遷移，如處理不當將會導致全球范圍的污染。很 多持久性有機污染物能夠致癌、致畸、致突變，對人類生存繁衍和可持續發展構成嚴重威 脅。近年來有機污染物的降解已經引起了人們的高度重視，如何進一步提高對此類物質的 降解成為國際上研究最為活躍的領域之一。太陽能是一種清潔可再生能源，開發太陽能降 解有機污染物是保護人類賴以生存的生態環境的重要課題。在眾多有機污染物降解途徑中，利用二氧化鈦(TiO2)納米晶體光解有機污染物一 直受到研究者的青睞。主要原因是這種納米材料具有較高的光催化反應活性并且價格低 廉、無毒無害。納米TiO2光催化劑在光照的條件下產生強氧化性的自由基(· 0H)，能徹底 降解幾乎所有的有機物，并最終生成吐0、CO2等小分子，此外，光催化反應還具有反應條件 溫和，反應設備簡單，二次污染小，操作易于控制，催化劑材料易得，運行成本低等優點，因 而，應用TiO2的光催化降解有機物的研究，受到人們的廣泛關注，成為國內外最活躍的研究 領域之一。作為一門新興的污染治理技術，但其廣泛的工業應用仍受到極大制約，其中最突 出的問題在于太陽能利用效率低。這是由于TiO2半導體的導帶與價帶的間隙較寬(Eg = 3. 2eV)，決定了其只能吸收385nm以下波長的紫外光，而太陽光譜中只有5%為紫外光，因 而對太陽光能量的利用率非常低，限制了其在光催化降解有機污染物中的使用。染料敏化 是將二氧化鈦的光催化響應范圍拓展到可見光區的一種有效方法。但在染料吸收光子產生 電子，并生成高活性的氫氧自由基分解污染物的過程中，染料自身也因發生氧化反應而逐 漸降解，最終導致敏化TiO2可見光催化體系失活，降低催化劑的使用壽命。
發明內容本發明的目的是針對上述存在問題，提供一種可見光降解有機物的降解裝置及制 備方法，該降解裝置結構新穎、易于實施、降解效率高且使用壽命長。本發明的技術方案一種可見光降解有機物的降解裝置，由二氧化鈦薄膜電極組件、鉬電極組件和電 解液構成，二氧化鈦薄膜電極組件由玻璃基體、二氧化鈦薄膜和染料敏化膜組成，附著于玻 璃基體上的二氧化鈦薄膜設有兩個功能區域，即位于可見光照射的染料敏化區域和位于待 降解有機物的降解區域，位于染料敏化區域的二氧化鈦薄膜部分用染料敏化形成染料敏化 膜，而沒有敏化的二氧化鈦薄膜部分作為降解電極；鉬電極組件包括短鉬電極和長鉬電極， 短鉬電極和長鉬電極分別附著于短、長導電玻璃基體上并固定一體，短鉬電極的高度與二氧化鈦敏化膜的高度相等，長鉬電極的高度與二氧化鈦薄膜的整體高度相等，短鉬電極和 長鉬電極通過銅導線連接；電解液填充于二氧化鈦敏化膜和短鉬電極之間，其周圍分別用 封口膠粘合密封。所述用染料敏化二氧化鈦形成的染料敏化膜與沒有敏化的二氧化鈦薄膜部分高
度相等。一種如所述可見光降解有機物的降解裝置的制備方法，步驟如下1)采用絲網印刷技術，在玻璃基體上附著二氧化鈦薄膜，采用吸附法將二氧化鈦 薄膜的染料敏化區域浸入到染料敏化劑溶液中，使染料敏化劑被吸附到二氧化鈦薄膜上形 成二氧化鈦敏化膜；2)在短、長導電玻璃表面分別滴加H2PtCl6乙醇溶液，使之均勻覆蓋后晾干、焙燒、 降溫后制備短鉬電極和長鉬電極，短鉬電極和長鉬電極通過銅導線連接并固定一體；3)以乙腈為溶劑，配制成0. 6M 1，2_ 二甲基-3-正丙基咪唑碘鹽、0. IM碘化鋰、 0. 05M碘和0. 5M的4-叔丁基吡啶的電解液；4)在染料敏化膜表面，滴加電解液，然后將短鉬電極覆蓋在染料敏化膜上，用封口 膜粘合封裝。本發明的工作機理為了達到本發明的目的，必須把染料與待降解的有機污染物 分開，設置在不同的區域。我們設計將負載在某載體上的TiO2薄膜分成兩區域，區域之一吸 附染料，區域之二用來降解有機污染物。當太陽光照射吸附有染料的TiO2的薄膜，染料吸收 光產生激子，將電子注入到TiO2的導帶中，該電子通過TiO2的導帶傳輸到下區域，與氧氣、 水或有機污染物發生作用，達到降解有機污染物的目的。給出電子的染料成為帶正電荷，如 果不能獲得一個電子再生，則不再吸收光產生電子，光解反應也將停止。為了使染料不斷地 吸收光子產生電子，讓降解反應持續進行，我們采用與敏化區域面積相當的鍍鉬導電玻璃 覆蓋其上，夾層用電解液充滿后密封，類似于染料敏化TiO2太陽能電池的結構。這樣帶正 電荷的染料通過電解質的氧化和還原反應獲得一個電子而再生，同時將正電荷傳輸到鉬電 極。帶正電荷的鉬電極也具有強氧化性，氧化降解污染物。本發明的優點是該降解裝置結構新穎、易于實施，將二氧化鈦的光催化響應范圍 拓展到可見光區，大大提高了太陽能利用效率；降解電極和鉬電極直接作用于降解溶液，因 此距離短、損耗小、降解效率高；夾層結構使染料不被降解，使用壽命顯著提高。
附圖為該降解裝置結構示意圖。圖中1.玻璃基體2. 二氧化鈦薄膜3-1、II.封口膜4.銅導線5.長導電玻璃 6.長鉬電極7.短導電玻璃8.短鉬電極9.電解液10.染料敏化膜
具體實施方式實施例一種可見光降解有機物的降解裝置，由二氧化鈦薄膜電極組件、鉬電極組件和電 解液9構成，二氧化鈦薄膜電極組件是由玻璃基體1、二氧化鈦薄膜2和染料敏化膜10組成 的，附著于玻璃基體1上的二氧化鈦薄膜2設有兩個功能區域，即位于可見光照射的染料敏化區域和位于待降解有機物的降解區域，位于染料敏化區域的二氧化鈦薄膜部分用染料敏 化形成染料敏化膜10，而沒有敏化的二氧化鈦薄膜部分作為降解電極，用染料敏化二氧化 鈦形成的染料敏化膜與沒有敏化的二氧化鈦薄膜部分高度相等；鉬電極組件包括短鉬電極 8和長鉬電極6，短鉬電極8和長鉬電極6分別附著于短、長導電玻璃基體7和5上并固定 一體，短鉬電極8的高度與染料敏化膜10的高度相等，長鉬電極6的高度與二氧化鈦薄膜 2的整體高度相等，短鉬電極8和長鉬電極6通過銅導線4連接；電解液9填充于染料敏化 膜10和短鉬電極8之間，周圍用封口膜3-1、II粘合密封。該降解裝置的制備方法步驟如下1)采用絲網印刷技術，在玻璃基體上附著二氧化鈦薄膜，具體作法是將普通玻璃 割成16 X 36mm的方塊，然后用洗滌劑清洗干凈，用去離子水沖洗，再放入0. lmol/L的鹽酸 乙醇溶液中超聲20min，取出玻璃用去離子水沖洗掉表面的吸附物，然后分用乙醇超聲清 洗，吹干后備用。以18wt% TiO2膠體、9wt. %乙基纖維素和73wt. %松油醇混和攪均，使用 絲網印刷技術將其印制在準備好的玻璃基體上。二氧化鈦薄膜的厚度通過絲網網目尺寸的 選擇和印刷的重復次數來控制9μπι厚。涂好的TiO2薄膜自然晾干后，將其置于烘箱中在 120°C烘30min，然后在放入馬弗爐中，并在流動氧氣下，在500°C焙燒30分鐘后自然降溫冷 卻。此種簡單的燒結可以去除二氧化鈦膠體中的有機物，并使納米粒子較好的縮合在一起， 從而更有利于電子在納米TiO2薄膜中的傳輸。采用吸附法將二氧化鈦薄膜的染料敏化區域浸入到染料敏化劑溶液中，使染料敏 化劑被吸附到二氧化鈦薄膜上形成二氧化鈦敏化膜，具體作法是將經過高溫燒結的二氧 化鈦薄膜置于烘箱中，待溫度至80°C時，將面積14X 14cm2的二氧化鈦薄膜浸入到300 μ M cis-Ru (dcbpy) 2 (NCS) 2 (N719)染料敏化劑溶液中，然后將之置于暗處放置24h后，染料敏化 劑就被吸附到膜上，肉眼可以觀察到TiO2多孔膜的顏色變化。敏化完成后，將膜取出，并用 乙醇溶劑將膜表面殘留的染料沖洗干凈，氮氣吹干后放置于暗處干燥環境下待用。2)短、長鉬電極的制備，具體作法是將H2PtCl6溶于乙醇中，配制成濃度為40mmol/ L的溶液，然后滴加一滴于干凈的導電玻璃表面，并將其固定于風扇上高速轉動，使之均勻 的覆蓋在導電玻璃的表面，自然晾干后將其置于馬弗爐中，在395°C燒制15分鐘，H2PtCl6-分解生成Pt，等到降溫后取出即可。3)電解液的配制，配制方法如下將0.6M 1，2_ 二甲基-3-正丙基咪唑碘鹽 (DMPImI), 0. IM LiI,0. 05M I2，和0. 5M的4-叔丁基吡啶(TBP)溶解至40毫升乙腈中即得。4)降解裝置的組裝方法在染料敏化膜表面，滴加一滴電解液，電解液會滲透到 染料敏化膜中，然后將短鉬電極蓋在TiO2染料敏化膜上，利用封口膜進行封裝，再將長鉬電 極覆蓋在短鉬電極上，通過銅導線將兩個鉬電極連接，即可構成降解裝置。該降解裝置的降解實驗檢測將20毫升的4-氯苯酚溶液放入燒杯中，4-氯苯酚的初始濃度為20mg/L，在磁力 攪拌下不斷通人空氣。以300W的氙燈為光源，通過420nm的濾光片，產生大于420nm波長 的可見光為光束，光強為2. 5mW/cm2。每2個小時取一次樣，通過液相色譜Agilent 1100， XDB-C18柱檢測殘余4-氯苯酚的濃度。檢測結果證實，經過10小時，對4-氯苯酚的降解率 達到98%，總有機碳(TOC)的減少55%。
權利要求
一種可見光降解有機物的降解裝置，其特征在于由二氧化鈦薄膜電極組件、鉑電極組件和電解液構成，二氧化鈦薄膜電極組件由玻璃基體、二氧化鈦薄膜和染料敏化膜組成，附著于玻璃基體上的二氧化鈦薄膜設有兩個功能區域，即位于可見光照射的染料敏化區域和位于待降解有機物的降解區域，位于染料敏化區域的二氧化鈦薄膜部分用染料敏化形成染料敏化膜，而沒有敏化的二氧化鈦薄膜部分作為降解電極；鉑電極組件包括短鉑電極和長鉑電極，短鉑電極和長鉑電極分別附著于短、長導電玻璃基體上并固定一體，短鉑電極的高度與二氧化鈦敏化膜的高度相等，長鉑電極的高度與二氧化鈦薄膜的整體高度相等，短鉑電極和長鉑電極通過銅導線連接；電解液填充于二氧化鈦敏化膜和短鉑電極之間，其周圍分別用封口膠粘合密封。
2.根據權利要求1所述可見光降解有機物的降解裝置，其特征在于所述用染料敏化 二氧化鈦形成的染料敏化膜與沒有敏化的二氧化鈦薄膜部分高度相等。
3.—種如權利要求1所述可見光降解有機物的降解裝置的制備方法，步驟如下1)采用絲網印刷技術，在玻璃基體上附著二氧化鈦薄膜，采用吸附法將二氧化鈦薄膜 的染料敏化區域浸入到染料敏化劑溶液中，使染料敏化劑被吸附到二氧化鈦薄膜上形成二 氧化鈦染料敏化膜；2)在短、長導電玻璃表面分別滴加H2PtCl6乙醇溶液，使之均勻覆蓋后晾干、焙燒、降溫 后制備短鉬電極和長鉬電極，短鉬電極和長鉬電極通過銅導線連接并固定一體；3)以乙腈為溶劑，配制成0.6M1，2_ 二甲基-3-正丙基咪唑碘鹽、0. IM碘化鋰、0.05M 碘和0. 5M的4-叔丁基吡啶的電解液；4)在染料敏化膜表面，滴加電解液，然后將短鉬電極覆蓋在染料敏化膜上，用封口膜粘 合封裝。
全文摘要
一種可見光降解有機物的降解裝置，由二氧化鈦薄膜電極組件、鉑電極組件和電解液構成，二氧化鈦薄膜電極組件由玻璃基體、二氧化鈦薄膜和染料敏化膜組成，二氧化鈦薄膜設有兩個功能區域，位于染料敏化區域的二氧化鈦薄膜部分為染料敏化膜，而沒有敏化的二氧化鈦薄膜部分作為降解電極；鉑電極組件包括短鉑電極和長鉑電極并通過銅導線連接；電解液填充于二氧化鈦染料敏化膜和短鉑電極之間，其周圍分別用封口膜粘合密封。本發明的優點是該降解裝置結構新穎、易于實施，將二氧化鈦的光催化響應范圍拓展到可見光區，提高了太陽能利用效率；降解電極和鉑電極直接作用于降解溶液，距離短、損耗小、降解效率高；夾層結構使染料不被降解，使用壽命顯著提高。
文檔編號B01D53/86GK101961630SQ201010267629
公開日2011年2月2日 申請日期2010年8月31日 優先權日2010年8月31日
發明者孫喆, 梁茂, 武全萍, 秦國輝, 薛松 申請人:天津理工大學