光催化--電氧化聯(lián)合作用對(duì)氨氮去除效果研究

摘 要：本研究探索光電聯(lián)合反應(yīng)可行性，通過對(duì)陰極（Ti）涂覆光催化劑薄膜前后進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，涂膜后陰極在電化學(xué)反應(yīng)環(huán)境中，表現(xiàn)出相對(duì)較強(qiáng)的對(duì)氨氮去除效果，以此為基礎(chǔ)開展基于陽(yáng)極直接氧化及陰極吸附光催化氧化模式的光電聯(lián)合反應(yīng)裝置設(shè)計(jì)，在相同通電功率、光照條件下，與單純光催化氧化和單純電化學(xué)氧化方法相比，表現(xiàn)出相對(duì)更高的對(duì)氨氮的去除效率。

關(guān)鍵詞：光電聯(lián)合;陽(yáng)極氧化;陰極光催化;去除氨氮

近年來，光催化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于氧化還原去除環(huán)境中的污染物質(zhì)，是一項(xiàng)非常有潛力的水處理技術(shù)。目前，光催化去除領(lǐng)域所采用的光催化劑多是N型半導(dǎo)體材料，如TiO2、ZnO、Fe2O3、CdS、SnO2、WO3等材料，其中TiO2具有活性高，熱穩(wěn)定性好、持續(xù)性長(zhǎng)、價(jià)廉等特點(diǎn)，倍受人們青睞。在實(shí)際應(yīng)用中過程較為簡(jiǎn)單、容易操作、使得納米TiO2得到了廣泛研究和應(yīng)用，但TiO2屬于寬帶隙半導(dǎo)體，在400nm以下波長(zhǎng)的紫外光區(qū)表現(xiàn)出較好的光催化活性，對(duì)太陽(yáng)光利用率相對(duì)較低，在部分領(lǐng)域的高性能需求方面受到一定限制。貴金屬摻雜被認(rèn)為是有效改性半導(dǎo)體的方法之一，釕（Ru）離子則是其中一種較為理想的摻雜劑。為進(jìn)一步提升氨氮去除效率，探索研究針對(duì)以氨氮為主要污染物對(duì)象的高效污水處理工藝，本實(shí)驗(yàn)開展光/電聯(lián)合催化氧化研究，并通過大量實(shí)驗(yàn)積累，對(duì)氨氮的光電聯(lián)合處理技術(shù)理論進(jìn)行進(jìn)一步完善，為催化氧化技術(shù)在氨氮污染物去除方面的實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

光/電聯(lián)合催化氧化反應(yīng)器以電化學(xué)反應(yīng)器為主體，外加光源通過多孔DSA電極孔洞，將紫外光照射于陰極表面光催化劑圖層，反應(yīng)器示意圖見圖1。光催化劑采用制備的Ru/TiO2光催化劑粉末，通過制膜方法，于純鈦極板涂覆，經(jīng)干燥后成膜。純鈦極板經(jīng)剖光、鈍化處理后，涂膜具有良好附著性。光源采用氙等光源，紫外光波長(zhǎng)365nm，光照距離15cm，透光率約60%。

1.2 水質(zhì)及電化學(xué)分析

本研究采用《中華人民共和國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》（HJ 535-2009）納氏試劑分光光度法進(jìn)行NH4-N測(cè)定。供電裝置為可調(diào)電壓范圍為0-35V的直流穩(wěn)壓電源，為催化氧化環(huán)境提供電壓;通過利用電化學(xué)工作站，進(jìn)行伏安分析、電勢(shì)及電化學(xué)阻抗檢測(cè)等工作。

2 結(jié)果與討論

2.1 恒定電流密度條件下氨氮去除效果

為判定光/電聯(lián)合催化氧化對(duì)氨氮去除性能，本實(shí)驗(yàn)以釕銥鍍膜的Ti基電極（DSA）作為氧化工作電極（陽(yáng)極），分別以表面涂裝Ru/TiO2光催化劑前、后的純鈦電極為陰極，在無光照和365nm紫外光照射情況下，分別測(cè)試反應(yīng)器對(duì)氨氮去除效果。本實(shí)驗(yàn)極板間距設(shè)置為10mm，通過直流穩(wěn)壓電源通電，電流密度為2.5mA/cm2，在反應(yīng)過程中，每30min對(duì)試液進(jìn)行攪動(dòng)混合，以氨氮濃度約100mg/L氯化銨溶液作為對(duì)象試液進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：①陰極為純鈦電極（未涂裝光催化薄膜）情況下，在有365nm紫外光光照環(huán)境中，氨氮去除速率低于無光照情況;②涂裝固封光催化劑薄膜的純鈦極板作為陰極板進(jìn)行氨氮去除實(shí)驗(yàn)中，有無紫外光照，對(duì)氨氮去除速率變化不大;③涂裝光催化劑薄膜的陰極板表現(xiàn)出強(qiáng)于純鈦極板對(duì)氨氮去除性能;④在光照條件下，有光催化劑涂裝極板封裝的反應(yīng)器對(duì)氨氮去除速率，高于純鈦極板陰極所在反應(yīng)環(huán)境。

2.2 陰極涂膜條件下氨氮去除效果

為在陰極區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)NH4+-N的吸附及向NH3-N轉(zhuǎn)化，最終達(dá)到光催化去除作用，本研究對(duì)陰極進(jìn)行nafion固封光催化覆膜后，在無光照及相同電流密度條件下，表現(xiàn)出較純Ti陰極更高的對(duì)氨氮去除效果。經(jīng)對(duì)電勢(shì)測(cè)量及通電功率進(jìn)行測(cè)算，上述2種情況在相同反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，保持相同電流密度情況下，總體電功率變化情況不明顯，既電勢(shì)變化情況基本一致。

經(jīng)對(duì)相同時(shí)間間隔內(nèi)，單位電能消耗量對(duì)氨氮去除量進(jìn)行對(duì)比分析，經(jīng)涂膜后陰極在電化學(xué)反應(yīng)條件下，與純Ti陰極相比，表現(xiàn)出更高的對(duì)氨氮去除效率。在前20min，純Ti陰極所在反應(yīng)裝置在消耗相同電能情況下，對(duì)氨氮去除率為涂膜條件下對(duì)氨氮去除率的65%，經(jīng)反應(yīng)不斷推進(jìn)，涂膜后陰極建立反應(yīng)裝置仍表現(xiàn)出相對(duì)純鈦陰極較高的單位能耗氨氮去除量，但二者電能效率均發(fā)生較為明顯下降，這與前述隨氨氮濃度降低所需電耗隨之增加的結(jié)論相一致。

2.3 光催化與電化學(xué)氧化及光電聯(lián)合氧化去除氨氮對(duì)比分析

為對(duì)比前述光催化、電化學(xué)及光電聯(lián)合催化去除氨氮效果，在相同光電催化反應(yīng)器中，重復(fù)前述實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)比單純光催化氧化、電化學(xué)氧化、光電聯(lián)合催化氧化（與光催化氧化相同光照條件，與電化學(xué)氧化相同電功率條件）對(duì)氨氮去除效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，在實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)并保證與電化學(xué)氧化過程相同通電功率（電流密度2.5mA/cm2）條件下，光電聯(lián)合催化氧化表現(xiàn)出相對(duì)最高的去除速率，但綜合電耗、實(shí)驗(yàn)光源光能消耗等，其單位能耗下的氨氮去除效率卻相對(duì)電化學(xué)去除方法較低?？紤]光能可由改性后光催化劑在太陽(yáng)光下進(jìn)行催化氧化反應(yīng)，且電能可通過太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化作為來源，本研究未從能耗角度深入分析研究。

3 結(jié)論

①涂裝光催化劑薄膜的陰極板表現(xiàn)出強(qiáng)于純鈦極板對(duì)氨氮去除性能，考慮為nafion膜增加電極間阻抗，在相同電流強(qiáng)度條件下，電勢(shì)增高，從而提升氨氮去除效率;②在施加相同水平電量情況下，光電聯(lián)合氧化方法對(duì)氨氮去除效率高于單純電化學(xué)氧化的去除效率，考慮為在電化學(xué)氧化的同時(shí)，陰極吸附一定數(shù)量銨離子，并在陰極高pH酸度區(qū)域轉(zhuǎn)化為游離態(tài)氨，在光催化氧化環(huán)境中得到去除。

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作者簡(jiǎn)介：

靳君（1979- ），高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，主要從事建筑環(huán)保相關(guān)領(lǐng)域。