專利名稱：利用激光催化處理水中有機污染物的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境保護和污染治理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用納米金在激光激發(fā)下產(chǎn)生表面等離子體共振效應(yīng)，發(fā)生電荷偶極化，高效快速氧化還原水中有機污染物的方法及光反應(yīng)裝置。
背景技術(shù)：
環(huán)境光催化技術(shù)因具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、反應(yīng)條件溫和、操作條件易控制、氧化能力強、無二次污染等優(yōu)點，且使用的常用半導(dǎo)體催化劑如納米二氧化鈦(TiO2)具有化學(xué)穩(wěn)定性高、無毒和價廉等優(yōu)點，使環(huán)境光催化技術(shù)成為水處理中有機污染物降解實驗和應(yīng)用研 究的熱點之一。隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是貴金屬納米粒子因具有良好的導(dǎo)電性、小尺寸效應(yīng)、表面易修飾和易回收利用等特點以及激光所具有的單色性、低散射性和高強度特點，激光和納米金在光催化技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究中也日漸發(fā)展。目前，關(guān)于環(huán)境光催化技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)光源的使用多集中于紫外光和可見光，通過使用合適的光催化劑進行光催化降解污染物。但是，普通光源因光的高散射性和發(fā)熱效應(yīng)，產(chǎn)生了光能利用率低，光能損耗大的缺點。目前，國內(nèi)還沒有將激光和貴金屬納米材料結(jié)合應(yīng)用于去除水中有機污染物的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是開發(fā)一種可以快速高效處理水中有機污染物的方法和光反應(yīng)裝置，克服現(xiàn)有光催化反應(yīng)過程中普通光源光能利用率低、光能損耗大的缺點，通過結(jié)合利用納米金的表面等離子體共振效應(yīng)和激光的低散射性和單色性特點，提高污染物的光降解速率。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下一種激光催化降解水中有機污染物裝置，包括激光發(fā)生器、分光器、光功率計、光反應(yīng)管、閥、電磁線圈、流量計、空氣泵和管路；其特征是光反應(yīng)管4由石英材料制成，外部纏繞電磁線圈7，光反應(yīng)器下部通過空氣泵10通入空氣；激光發(fā)生器I發(fā)射激光，通過分光器2將激光折射到光反應(yīng)管4中，照射有機污染物和催化劑；電磁線圈通交流電；反應(yīng)溶液先后通過進液口 11、光反應(yīng)器4和出液口 12;空氣通過空氣泵10壓入光反應(yīng)器4中，并從出氣口 6排出。裝置的出氣口比出液口的濾膜高出約5cm_10cm，進氣口比進液口約低2cm_5cm。在進液口和出液口的管路上設(shè)置有閥5，可以對污染物進行批量式處理。本發(fā)明的用激光催化降解水中有機污染物方法，步驟如下(I)合成納米金復(fù)合磁性材料的粒徑為5-100nm，復(fù)合磁性材料內(nèi)核為四氧化三鐵，外殼是金；(2)在反應(yīng)器中加入納米金復(fù)合磁性材料，打開激光發(fā)生器，入射激光波長范圍在200nm-550nm之間，脈沖頻率為1-1OOHz ；
(3)打開電磁線圈開關(guān)，打開空氣閥，通入含污染物的水體，通過閥對污水進行批
量式處理。其中，納米金復(fù)合磁性材料制備方法為將市售納米金溶膠與氨基化的四氧化三鐵納米材料混合24小時后作為種子粒子，經(jīng)超純水清洗后，轉(zhuǎn)入玻璃容器中，然后加入21. 4ml超純水，在快速攪拌狀態(tài)下，加入50 μ I O. 05Μ的氯金酸溶液，500 μ I 75mM的檸檬酸鈉溶液，最后迅速加入250 μ I IOOmM的硼氫化鈉攪拌，直到顏色不再改變。通過控制氯金酸溶液濃度或種子濃度來調(diào)節(jié)金殼的厚度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點本發(fā)明的方法可以有效降解水中有機污染物，如染料和氯代苯酚；··本發(fā)明的方法相比普通光源條件下，具有更高的單位能量利用率和反應(yīng)速率，無發(fā)熱效應(yīng)；本發(fā)明的方法制備的催化劑穩(wěn)定，催化活性良好，并且磁性納米復(fù)合磁性材料可經(jīng)磁場快速回收，可持續(xù)循環(huán)利用；本發(fā)明的方法要求不高，方法簡易，操作方便；本發(fā)明的方法條件可控，納米粒徑大小可控，可最大限度地匹配激光。


圖1本發(fā)明激光催化處理有機污染物的反應(yīng)裝置圖；激光發(fā)生器2.分光器3.光功率計4.光反應(yīng)管5.閥6.出氣口 7.電磁線圈8.濾膜9.流量計10.空氣泵11.進液口 12.出液口 ；圖2532nm激光催化降解亞甲基藍(lán)圖；圖3355nm激光催化降解亞甲基藍(lán)圖；圖4266nm激光催化降解2，4，5_三氯苯酚圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施方案詳細(xì)介紹本發(fā)明。但以下的實施例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部內(nèi)容，并且通過以下實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員即可以實現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求的全部內(nèi)容。激光催化降解水中有機污染物的裝置如圖1所示，裝置組成主要包括激光發(fā)生器、分光器、光功率計、光反應(yīng)管、閥、電磁線圈、流量計、空氣泵和管路等；其中所述激光發(fā)生器I的功能是提供納秒脈沖激光；其中所述光反應(yīng)管4由石英材料制成，外部纏繞電磁線圈7，光反應(yīng)器下部通過空氣泵10通入空氣。通入空氣的作用是作為電子捕獲劑促進污染物降解，外部電磁線圈的作用是提供磁場對反應(yīng)物進行攪拌，促進電子捕獲劑的溶解，增強電荷偶極化強度，促進光催化反應(yīng)，同時還可以實現(xiàn)對納米金復(fù)合磁性材料的回收。在整個光反應(yīng)系統(tǒng)中，激光發(fā)生器I發(fā)射激光，通過分光器2將激光折射到光反應(yīng)管4中，照射有機污染物和催化劑。電磁線圈通交流電。反應(yīng)溶液先后通過進液口 11、光反應(yīng)器4和出液口 12?？諝馔ㄟ^空氣泵10壓入光反應(yīng)器4中，并從出氣口 6排出。出氣口 6比出液口的濾膜8高出約5cm-10cm，進氣口比進液口約低2cm_5cm。閥5的作用是對污染物進行批量式處理。
制備方法如下(1)合成納米金復(fù)合磁性材料的粒徑為5-100nm，復(fù)合磁性材料內(nèi)核為四氧化三鐵，外殼是金；其制備方法為將市售納米金溶膠與氨基化的四氧化三鐵納米材料混合24小時后作為種子粒子，經(jīng)超純水清洗后，轉(zhuǎn)入玻璃容器中，然后加入21. 4ml超純水，在快速攪拌狀態(tài)下，加入50 μ I O. 05Μ的氯金酸溶液，500 μ I 75mM的檸檬酸鈉溶液，最后迅速加入250 μ I IOOmM的硼氫化鈉，不停地攪拌，直到顏色不再改變，可通過控制氯金酸溶液濃度或種子濃度來調(diào)節(jié)金殼的厚度。(2)在反應(yīng)器中加入納米金復(fù)合磁性材料，打開激光發(fā)生器，入射激光波長范圍在200nm-550nm之間，脈沖頻率為1-1OOHz ；(3)打開電磁線圈開關(guān)，打開空氣閥，通入含污染物的水體，通過閥對污水進行批量式處理。具體實施如下實例I本實施案例利用本發(fā)明激光催化處理水中有機污染 物的方法和裝置，用于處理水中染料亞甲基藍(lán)。選擇脈沖激光波長為532nm，脈沖頻率為IOHz，納米金磁性復(fù)合材料質(zhì)量濃度為11. 6mg/L，無聚焦平行照射，使用UV-VIS法和HLPC法檢測染料的脫色率和降解率。本實施案例中，反應(yīng)底物亞甲基藍(lán)濃度為4mg/L時，反應(yīng)15min后的脫色率和降解率分別達(dá)到94%和91%。如圖2所示。實例2本實施案例利用本發(fā)明激光催化處理水中有機污染物的方法和裝置，用于處理水中染料亞甲基藍(lán)。選擇脈沖激光波長為355nm，脈沖頻率為IOHz，納米金磁性復(fù)合材料質(zhì)量濃度為11.6mg/L，無聚焦平行照射，使用UV-VIS法檢測染料的脫色率。本實施案例中，反應(yīng)底物亞甲基藍(lán)濃度為4mg/L時，反應(yīng)15min后的脫色率達(dá)到90%。如圖3所示。實例3本實施案例利用本發(fā)明激光催化處理水中有機污染物的方法和裝置，用于處理水中三氯苯酚。選擇脈沖激光波長為266nm，脈沖頻率為IOHz，納米金磁性復(fù)合材料質(zhì)量濃度為11. 6mg/L，無聚焦平行照射，使用GC法檢測2，4，5-三氯苯酚的降解率。本實施案例中，2，4，5-三氯苯酚濃度為50mg/L時，反應(yīng)40min后的降解率達(dá)到85%。如圖4所示。
權(quán)利要求
1.一種激光催化降解水中有機污染物裝置，其特征在于包括激光發(fā)生器、分光器、光功率計、光反應(yīng)管、閥、電磁線圈、流量計、空氣泵和管路；其特征是光反應(yīng)管由石英材料制成，外部纏繞電磁線圈，光反應(yīng)器下部通過空氣泵通入空氣；激光發(fā)生器發(fā)射激光，通過分光器將激光折射到光反應(yīng)管中，照射有機污染物和催化劑；電磁線圈通交流電；反應(yīng)溶液先后通過進液口、光反應(yīng)器和出液口 ；空氣通過空氣泵壓入光反應(yīng)器中，并從出氣口排出。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是出氣口比出液口的濾膜高出約5cm-10cm，進氣口比進液口約低2cm-5cm。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是在進液口和出液口的管路上設(shè)置有閥，是對污染物進行批量式處理。
4.用激光催化降解水中有機污染物方法，特征在于(1)合成納米金復(fù)合磁性材料的粒徑為5-100nm，復(fù)合磁性材料內(nèi)核為四氧化三鐵，外殼是金;(2)在反應(yīng)器中加入納米金復(fù)合磁性材料，打開激光發(fā)生器，入射激光波長范圍在 200nm-550nm之間，脈沖頻率為1-1OOHz ；(3)打開電磁線圈開關(guān)，打開空氣閥，通入含污染物的水體，通過閥對污水進行批量式處理。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征是納米金復(fù)合磁性材料制備方法為將市售納米金溶膠與氨基化的四氧化三鐵納米材料混合24小時后作為種子粒子，經(jīng)超純水清洗后，轉(zhuǎn)入玻璃容器中，然后加入21. 4ml超純水，在快速攪拌狀態(tài)下，加入50 μ I O. 05Μ的氯金酸溶液，500 μ I 75mM的檸檬酸鈉溶液，最后迅速加入250 μ I IOOmM的硼氫化鈉攪拌，直到顏色不再改變。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征是通過控制氯金酸溶液濃度或種子濃度來調(diào)節(jié)金殼的厚度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用激光催化處理水中有機污染物的方法及裝置光反應(yīng)管由石英材料制成，外部纏繞電磁線圈，光反應(yīng)器下部通過空氣泵通入空氣；激光發(fā)生器發(fā)射激光，通過分光器將激光折射到光反應(yīng)管中，照射有機污染物和催化劑；電磁線圈通交流電；反應(yīng)溶液先后通過進液口、光反應(yīng)器和出液口；空氣通過空氣泵壓入光反應(yīng)器中，并從出氣口排出。合成納米金復(fù)合磁性材料的粒徑為5-100nm，復(fù)合磁性材料內(nèi)核為四氧化三鐵,外殼是金；入射激光波長范圍在200nm-550nm之間。本發(fā)明可以有效降解水中有機污染物，制備的催化劑穩(wěn)定，催化活性良好，并且磁性納米復(fù)合磁性材料可經(jīng)磁場快速回收，可持續(xù)循環(huán)利用。
文檔編號C02F101/38GK103011332SQ20121052961
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月10日
發(fā)明者劉憲華, 宗燕平, 魯逸人 申請人:天津大學(xué)