光催化--電氧化聯(lián)合作用對氨氮去除效果研究

摘 要：本研究探索光電聯(lián)合反應可行性，通過對陰極（Ti）涂覆光催化劑薄膜前后進行對比試驗，涂膜后陰極在電化學反應環(huán)境中，表現(xiàn)出相對較強的對氨氮去除效果，以此為基礎開展基于陽極直接氧化及陰極吸附光催化氧化模式的光電聯(lián)合反應裝置設計，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氧化方法相比，表現(xiàn)出相對更高的對氨氮的去除效率。

關鍵詞：光電聯(lián)合;陽極氧化;陰極光催化;去除氨氮

近年來，光催化技術被廣泛應用于氧化還原去除環(huán)境中的污染物質(zhì)，是一項非常有潛力的水處理技術。目前，光催化去除領域所采用的光催化劑多是N型半導體材料，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、價廉等特點，倍受人們青睞。在實際應用中過程較為簡單、容易操作、使得納米TiO2得到了廣泛研究和應用，但TiO2屬于寬帶隙半導體，在400nm以下波長的紫外光區(qū)表現(xiàn)出較好的光催化活性，對太陽光利用率相對較低，在部分領域的高性能需求方面受到一定限制。貴金屬摻雜被認為是有效改性半導體的方法之一，釕（Ru）離子則是其中一種較為理想的摻雜劑。為進一步提升氨氮去除效率，探索研究針對以氨氮為主要污染物對象的高效污水處理工藝，本實驗開展光/電聯(lián)合催化氧化研究，并通過大量實驗積累，對氨氮的光電聯(lián)合處理技術理論進行進一步完善，為催化氧化技術在氨氮污染物去除方面的實際應用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

光/電聯(lián)合催化氧化反應器以電化學反應器為主體，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365nm，光照距離15cm，透光率約60%。

1.2 水質(zhì)及電化學分析

本研究采用《中華人民共和國國家環(huán)境保護標準》（HJ 535-2009）納氏試劑分光光度法進行NH4-N測定。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;通過利用電化學工作站，進行伏安分析、電勢及電化學阻抗檢測等工作。

2 結果與討論

2.1 恒定電流密度條件下氨氮去除效果

為判定光/電聯(lián)合催化氧化對氨氮去除性能，本實驗以釕銥鍍膜的Ti基電極（DSA）作為氧化工作電極（陽極），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，分別測試反應器對氨氮去除效果。本實驗極板間距設置為10mm，通過直流穩(wěn)壓電源通電，電流密度為2.5mA/cm2，在反應過程中，每30min對試液進行攪動混合，以氨氮濃度約100mg/L氯化銨溶液作為對象試液進行測試。實驗結果見圖2。

由實驗結果，得出以下結論：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行氨氮去除實驗中，有無紫外光照，對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)出強于純鈦極板對氨氮去除性能;④在光照條件下，有光催化劑涂裝極板封裝的反應器對氨氮去除速率，高于純鈦極板陰極所在反應環(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NH4+-N的吸附及向NH3-N轉(zhuǎn)化，最終達到光催化去除作用，本研究對陰極進行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陰極更高的對氨氮去除效果。經(jīng)對電勢測量及通電功率進行測算，上述2種情況在相同反應時間內(nèi)，保持相同電流密度情況下，總體電功率變化情況不明顯，既電勢變化情況基本一致。

經(jīng)對相同時間間隔內(nèi)，單位電能消耗量對氨氮去除量進行對比分析，經(jīng)涂膜后陰極在電化學反應條件下，與純Ti陰極相比，表現(xiàn)出更高的對氨氮去除效率。在前20min，純Ti陰極所在反應裝置在消耗相同電能情況下，對氨氮去除率為涂膜條件下對氨氮去除率的65%，經(jīng)反應不斷推進，涂膜后陰極建立反應裝置仍表現(xiàn)出相對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論相一致。

2.3 光催化與電化學氧化及光電聯(lián)合氧化去除氨氮對比分析

為對比前述光催化、電化學及光電聯(lián)合催化去除氨氮效果，在相同光電催化反應器中，重復前述實驗，分別對比單純光催化氧化、電化學氧化、光電聯(lián)合催化氧化（與光催化氧化相同光照條件，與電化學氧化相同電功率條件）對氨氮去除效果，實驗結果得知，在實時調(diào)節(jié)并保證與電化學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)出相對最高的去除速率，但綜合電耗、實驗光源光能消耗等，其單位能耗下的氨氮去除效率卻相對電化學去除方法較低。考慮光能可由改性后光催化劑在太陽光下進行催化氧化反應，且電能可通過太陽能轉(zhuǎn)化作為來源，本研究未從能耗角度深入分析研究。

3 結論

①涂裝光催化劑薄膜的陰極板表現(xiàn)出強于純鈦極板對氨氮去除性能，考慮為nafion膜增加電極間阻抗，在相同電流強度條件下，電勢增高，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)合氧化方法對氨氮去除效率高于單純電化學氧化的去除效率，考慮為在電化學氧化的同時，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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作者簡介：

靳君（1979- ），高級工程師，工學碩士，主要從事建筑環(huán)保相關領域。