专利名称：利用激光催化处理水中有机污染物的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于环境保护和污染治理技术领域，涉及一种利用纳米金在激光激发下产生表面等离子体共振效应，发生电荷偶极化，高效快速氧化还原水中有机污染物的方法及光反应装置。
背景技术：
环境光催化技术因具有设备结构简单、反应条件温和、操作条件易控制、氧化能力强、无二次污染等优点，且使用的常用半导体催化剂如纳米二氧化钛(TiO2)具有化学稳定性高、无毒和价廉等优点，使环境光催化技术成为水处理中有机污染物降解实验和应用研 究的热点之一。随着纳米技术的迅速发展，尤其是贵金属纳米粒子因具有良好的导电性、小尺寸效应、表面易修饰和易回收利用等特点以及激光所具有的单色性、低散射性和高强度特点，激光和纳米金在光催化技术领域的基础和应用研究中也日渐发展。目前，关于环境光催化技术领域内光源的使用多集中于紫外光和可见光，通过使用合适的光催化剂进行光催化降解污染物。但是，普通光源因光的高散射性和发热效应，产生了光能利用率低，光能损耗大的缺点。目前，国内还没有将激光和贵金属纳米材料结合应用于去除水中有机污染物的报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是开发一种可以快速高效处理水中有机污染物的方法和光反应装置，克服现有光催化反应过程中普通光源光能利用率低、光能损耗大的缺点，通过结合利用纳米金的表面等离子体共振效应和激光的低散射性和单色性特点，提高污染物的光降解速率。本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下一种激光催化降解水中有机污染物装置，包括激光发生器、分光器、光功率计、光反应管、阀、电磁线圈、流量计、空气泵和管路；其特征是光反应管4由石英材料制成，外部缠绕电磁线圈7，光反应器下部通过空气泵10通入空气；激光发生器I发射激光，通过分光器2将激光折射到光反应管4中，照射有机污染物和催化剂；电磁线圈通交流电；反应溶液先后通过进液口 11、光反应器4和出液口 12;空气通过空气泵10压入光反应器4中，并从出气口 6排出。装置的出气口比出液口的滤膜高出约5cm_10cm，进气口比进液口约低2cm_5cm。在进液口和出液口的管路上设置有阀5，可以对污染物进行批量式处理。本发明的用激光催化降解水中有机污染物方法，步骤如下(I)合成纳米金复合磁性材料的粒径为5-100nm，复合磁性材料内核为四氧化三铁，外壳是金；(2)在反应器中加入纳米金复合磁性材料，打开激光发生器，入射激光波长范围在200nm-550nm之间，脉冲频率为1-1OOHz ；
(3)打开电磁线圈开关，打开空气阀，通入含污染物的水体，通过阀对污水进行批
量式处理。其中，纳米金复合磁性材料制备方法为将市售纳米金溶胶与氨基化的四氧化三铁纳米材料混合24小时后作为种子粒子，经超纯水清洗后，转入玻璃容器中，然后加入21. 4ml超纯水，在快速搅拌状态下，加入50 μ I O. 05Μ的氯金酸溶液，500 μ I 75mM的柠檬酸钠溶液，最后迅速加入250 μ I IOOmM的硼氢化钠搅拌，直到颜色不再改变。通过控制氯金酸溶液浓度或种子浓度来调节金壳的厚度。本发明与现有技术相比所具有的优点本发明的方法可以有效降解水中有机污染物，如染料和氯代苯酚；··本发明的方法相比普通光源条件下，具有更高的单位能量利用率和反应速率，无发热效应；本发明的方法制备的催化剂稳定，催化活性良好，并且磁性纳米复合磁性材料可经磁场快速回收，可持续循环利用；本发明的方法要求不高，方法简易，操作方便；本发明的方法条件可控，纳米粒径大小可控，可最大限度地匹配激光。
图1本发明激光催化处理有机污染物的反应装置图；激光发生器2.分光器3.光功率计4.光反应管5.阀6.出气口 7.电磁线圈8.滤膜9.流量计10.空气泵11.进液口 12.出液口 ；图2532nm激光催化降解亚甲基蓝图；图3355nm激光催化降解亚甲基蓝图；图4266nm激光催化降解2，4，5_三氯苯酚图。
具体实施例方式下面结合具体实施方案详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，并且通过以下实施例，本领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。激光催化降解水中有机污染物的装置如图1所示，装置组成主要包括激光发生器、分光器、光功率计、光反应管、阀、电磁线圈、流量计、空气泵和管路等；其中所述激光发生器I的功能是提供纳秒脉冲激光；其中所述光反应管4由石英材料制成，外部缠绕电磁线圈7，光反应器下部通过空气泵10通入空气。通入空气的作用是作为电子捕获剂促进污染物降解，外部电磁线圈的作用是提供磁场对反应物进行搅拌，促进电子捕获剂的溶解，增强电荷偶极化强度，促进光催化反应，同时还可以实现对纳米金复合磁性材料的回收。在整个光反应系统中，激光发生器I发射激光，通过分光器2将激光折射到光反应管4中，照射有机污染物和催化剂。电磁线圈通交流电。反应溶液先后通过进液口 11、光反应器4和出液口 12。空气通过空气泵10压入光反应器4中，并从出气口 6排出。出气口 6比出液口的滤膜8高出约5cm-10cm，进气口比进液口约低2cm_5cm。阀5的作用是对污染物进行批量式处理。
制备方法如下(1)合成纳米金复合磁性材料的粒径为5-100nm，复合磁性材料内核为四氧化三铁，外壳是金；其制备方法为将市售纳米金溶胶与氨基化的四氧化三铁纳米材料混合24小时后作为种子粒子，经超纯水清洗后，转入玻璃容器中，然后加入21. 4ml超纯水，在快速搅拌状态下，加入50 μ I O. 05Μ的氯金酸溶液，500 μ I 75mM的柠檬酸钠溶液，最后迅速加入250 μ I IOOmM的硼氢化钠，不停地搅拌，直到颜色不再改变，可通过控制氯金酸溶液浓度或种子浓度来调节金壳的厚度。(2)在反应器中加入纳米金复合磁性材料，打开激光发生器，入射激光波长范围在200nm-550nm之间，脉冲频率为1-1OOHz ；(3)打开电磁线圈开关，打开空气阀，通入含污染物的水体，通过阀对污水进行批量式处理。具体实施如下实例I本实施案例利用本发明激光催化处理水中有机污染 物的方法和装置，用于处理水中染料亚甲基蓝。选择脉冲激光波长为532nm，脉冲频率为IOHz，纳米金磁性复合材料质量浓度为11. 6mg/L，无聚焦平行照射，使用UV-VIS法和HLPC法检测染料的脱色率和降解率。本实施案例中，反应底物亚甲基蓝浓度为4mg/L时，反应15min后的脱色率和降解率分别达到94%和91%。如图2所示。实例2本实施案例利用本发明激光催化处理水中有机污染物的方法和装置，用于处理水中染料亚甲基蓝。选择脉冲激光波长为355nm，脉冲频率为IOHz，纳米金磁性复合材料质量浓度为11.6mg/L，无聚焦平行照射，使用UV-VIS法检测染料的脱色率。本实施案例中，反应底物亚甲基蓝浓度为4mg/L时，反应15min后的脱色率达到90%。如图3所示。实例3本实施案例利用本发明激光催化处理水中有机污染物的方法和装置，用于处理水中三氯苯酚。选择脉冲激光波长为266nm，脉冲频率为IOHz，纳米金磁性复合材料质量浓度为11. 6mg/L，无聚焦平行照射，使用GC法检测2，4，5-三氯苯酚的降解率。本实施案例中，2，4，5-三氯苯酚浓度为50mg/L时，反应40min后的降解率达到85%。如图4所示。
权利要求
1.一种激光催化降解水中有机污染物装置，其特征在于包括激光发生器、分光器、光功率计、光反应管、阀、电磁线圈、流量计、空气泵和管路；其特征是光反应管由石英材料制成，外部缠绕电磁线圈，光反应器下部通过空气泵通入空气；激光发生器发射激光，通过分光器将激光折射到光反应管中，照射有机污染物和催化剂；电磁线圈通交流电；反应溶液先后通过进液口、光反应器和出液口 ；空气通过空气泵压入光反应器中，并从出气口排出。
2.如权利要求1所述的装置，其特征是出气口比出液口的滤膜高出约5cm-10cm，进气口比进液口约低2cm-5cm。
3.如权利要求1所述的装置，其特征是在进液口和出液口的管路上设置有阀，是对污染物进行批量式处理。
4.用激光催化降解水中有机污染物方法，特征在于(1)合成纳米金复合磁性材料的粒径为5-100nm，复合磁性材料内核为四氧化三铁，外壳是金;(2)在反应器中加入纳米金复合磁性材料，打开激光发生器，入射激光波长范围在 200nm-550nm之间，脉冲频率为1-1OOHz ；(3)打开电磁线圈开关，打开空气阀，通入含污染物的水体，通过阀对污水进行批量式处理。
5.如权利要求4所述的方法，其特征是纳米金复合磁性材料制备方法为将市售纳米金溶胶与氨基化的四氧化三铁纳米材料混合24小时后作为种子粒子，经超纯水清洗后，转入玻璃容器中，然后加入21. 4ml超纯水，在快速搅拌状态下，加入50 μ I O. 05Μ的氯金酸溶液，500 μ I 75mM的柠檬酸钠溶液，最后迅速加入250 μ I IOOmM的硼氢化钠搅拌，直到颜色不再改变。
6.如权利要求4所述的方法，其特征是通过控制氯金酸溶液浓度或种子浓度来调节金壳的厚度。
全文摘要
本发明涉及一种利用激光催化处理水中有机污染物的方法及装置光反应管由石英材料制成，外部缠绕电磁线圈，光反应器下部通过空气泵通入空气；激光发生器发射激光，通过分光器将激光折射到光反应管中，照射有机污染物和催化剂；电磁线圈通交流电；反应溶液先后通过进液口、光反应器和出液口；空气通过空气泵压入光反应器中，并从出气口排出。合成纳米金复合磁性材料的粒径为5-100nm，复合磁性材料内核为四氧化三铁,外壳是金；入射激光波长范围在200nm-550nm之间。本发明可以有效降解水中有机污染物，制备的催化剂稳定，催化活性良好，并且磁性纳米复合磁性材料可经磁场快速回收，可持续循环利用。
文档编号C02F101/38GK103011332SQ20121052961
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月10日 优先权日2012年12月10日
发明者刘宪华, 宗燕平, 鲁逸人 申请人:天津大学