CN101723535A - 带有金刚石电催化反应器和纳米光催化反应器的多级净水设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有金刚石电催化反应器和纳米光催化反应器的多级净水设备，包括进水口(1)和出水口(2)，所述进水口(1)和出水口(2)间设置过滤装置(3)，其特征在于所述过滤装置包括依次连接的前端过滤器、设置有金刚石电催化反应器的电催化反应过滤器(31)、设置有纳米光催化反应器的光催化反应过滤器(32)和后端过滤器。该设备可实现污染物的化学处理和细菌的电催化灭活，可望避免产生二次污染，可适用于因地质灾害而受污染的水源的净化。

Description

带有金刚石电催化反应器和纳米光催化反应器的多级净水设备

技术领域

本发明属于净水处理技术领域，具体涉及一种带有金刚石电催化反应器和纳米光催化反应器的多级净水设备。

背景技术

随着现代社会的快速发展，人口与环境问题日益成为制约经济发展的因素。其中，饮用水的安全问题是关系人类生存和发展的重要物质基础，在当前严峻的水污染的大环境下，如何保证供给符合卫生标准的饮用水成为摆在世界各国水质工作者面前的任务。饮用水的安全问题是由微生物、化学物质和物理等因素导致的污染引起的，其中微生物污染被认为是危害最大和最基本的问题。生活中经常存在微生物对饮用水污染的危害，在发生地震等大灾害时尤其如此。针对我国近年来地震的次数有所增加，而受灾地区的饮用水安全问题成为影响抗震救灾工作成败的关键。一般来说地震灾区的水源非常容易遭受物理、化学和微生物的污染，为保证广大群众和救灾工作人员的身体健康和正常生活，必须提供净化措施，使用化学消毒法有很多弊病，比较好的对策是使用净水器。但目前市场上现有净水器一般仅为单纯的物理过滤与吸附过程，污染物没有真正被去除，特别是细菌和病毒可以在净水器中繁衍滋生，极易造成二次污染。

金刚石电催化工艺属于水处理的电化学氧化技术，其中使用掺硼金刚石(BDD)电极作为阳极，在一定的电场作用下产生大量活性自由基和氧化物种(如羟基自由基，臭氧和过氧化氢等)，对于水中的有机污染物具有快速降解效果，而且对细菌病毒具有强烈的杀灭作用，但在污染物浓度很低的时候能耗比较大。纳米二氧化钛(TiO₂)光催化工艺的基本原理是：纳米TiO₂在紫外光的激发下会产生大量的电子空穴对，在水中可诱发产生具有极强氧化能力的羟自由基，能够使几乎所有有机污染物发生有效的深度氧化，同时对水体中细菌也有强杀灭作用。二氧化钛光催化剂可分为锐钛矿相、金红石相和板钛矿相，其中以锐钛矿相活性最高。本发明人在中国专利ZL200510039171.6中公开了一种用于制备光催化材料的锐钛矿型二氧化钛溶胶的制备方法，其特征在于按钛化合物与醇的摩尔比为1∶1.42～12的比例，将钛化合物与醇配置成钛化合物的醇溶液，在搅拌下、将钛化合物的醇溶液滴加到pH＝1.0～4.0的酸的水溶液中水解且钛化合物与酸的水溶液中的水之摩尔比为1∶76～151，在65～85℃条件下回流6～48小时后，将所得的溶胶在50～55℃下蒸发除去醇类，得到锐钛矿型二氧化钛溶胶。该低温制备的锐钛矿相二氧化钛光催化剂活性较高。本发明由此而来。

发明内容

本发明目的在于提供一种带有金刚石电催化反应器和纳米光催化反应器的多级净水设备，解决了现有技术中净水器的污染物难以真正被去除，特别是细菌和病毒可以在净水器中繁衍滋生，极易造成二次污染等问题。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种带有金刚石电催化反应器和纳米光催化反应器的多级净水设备，包括进水口和出水口，所述进水口和出水口间设置过滤装置，其特征在于所述过滤装置包括依次连接的前端过滤器、设置有金刚石电催化反应器的电催化反应过滤器、设置有纳米光催化反应器的光催化反应过滤器和后端过滤器。

优选的，所述前端过滤器输入端连接进水口；所述后端过滤器输出端连接出水口；所述过滤器之间通过水管连接。

优选的，所述前端过滤器包括对进水进行预处理的一级过滤器和与一级过滤器输出端连通的二级过滤器；所述后端过滤器包括截留光催化反应过滤器的细菌尸体或微小悬浮物的五级过滤器和与五级过滤器输出端连通的六级过滤器。

优选的，所述电催化反应过滤器包括串联连接的多级电催化模块，所述电催化模块外侧设置供电的锂电池。

优选的，所述电催化模块包括有机玻璃和不锈钢板密封构成的壳体，所述壳体内相向设置阴、阳电极；所述阳极选用掺硼金刚石电极；所述阴极选用抛光不锈钢片。

优选的，所述壳体内还设置用于水道控制的分水块结构，所述分水块结构设置阴阳电极间；所述电催化模块的两端为输入口和输出口。

优选的，所述分水块结构选用硅橡胶球体或硅橡胶椭圆体。

优选的，光催化反应过滤器包括串联连接的多级光催化模块。

优选的，所述光催化模块包括石英玻璃圆筒分割的进水区和催化区；所述进水区和催化区的底端设置沟通的进水槽，所述催化区内设紫外灯，所述催化区上端设置出水槽。

优选的，所述多级净水设备还包括壳体，所述壳体上设置拉杆形成便携型净水设备。

优选的，该净化设备包括壳体、过滤器，所述过滤器包括一级过滤器、二级过滤器，设置有金刚石电催化反应器的电催化反应过滤器、设置有纳米光催化反应器的光催化反应过滤器、五级过滤器，六级过滤器，一级过滤器的输入端接进水口，一级过滤器输出端通过水管与二级过滤器的输入端相连，二级过滤器的输出端通过水管与设置有金刚石电催化反应器的电催化反应过滤器的输入端的相连，设置有金刚石电催化反应器的电催化反应过滤器的输出端通过水管与设置有纳米光催化反应器的光催化反应过滤器的输入端相连，设置有纳米光催化反应器的光催化反应过滤器的输出端通过水管与五级过滤器输入端相连，五级过滤器的输出端通过水管与六级过滤器输入端相连，六级过滤器输出端通过水管与出水口相连。

优选的，所述设置有金刚石电催化反应器的电催化反应过滤器由两级模块化电催化设备、串联组成，并配备4组6000mAh的锂电池用于供电。

优选的，所述的纳米光催化反应器4由四级模块化光催化设备串联组成。

优选的，所述的四级模块化光催化设备、中任意一级包括外筒，在同心玻璃圆筒的内部设有紫外灯管，任意一级模块化光催化设备的上部和下部均设计通水槽。

优选的，所述的外筒为不锈钢筒；所述的紫外灯管为单头圆柱形紫外灯。

优选的，所述的四级模块化光催化设备中任意一级反应器上下均设计有硅橡胶垫圈以保证密封效果。

本发明采用金刚石电催化工艺和纳米TiO₂光催化工艺联合进行水处理，由于金刚石电催化工艺和纳米TiO₂光催化工艺具有较强的互补性，所以可以先使用金刚石电催化工艺将污染物浓度降到一定值，然后使用纳米光催化模块将其彻底去除。将两者分别进行模块化设计，并与市场现有净水模块组合，开发的组合净水设备相比市场现有的净水设备就可提高使用寿命，增加了可靠性，使水中的有机污染物和细菌在净水设备内得到有效降解或杀灭，从而保证最终出水达到很高的透明度，纯净的口感和高度的安全性。当然，也可以在此基础上增加化学氧化及消毒的模块提高净化消毒效果。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

1.本发明技术方案可实现污染物的化学处理和细菌的电催化灭活，可望避免产生二次污染，可适用于因地质灾害而受污染的水源的净化。另外，由于同时设计了设置有金刚石电催化反应器的电催化反应过滤器、设置有纳米光催化反应器的光催化反应过滤器，可以通过对简单调节电压或电流来实现这些过滤器的适应范围；也可以提前对所需处理的水质的成分进行分析，充分考虑和比较其成份和各组分浓度的变化波动范围，再调整本发明净化设备的净化范围。

2、本发明技术方案可确保在大灾害时饮用水的正常供给，还可作为降低受微生物污染的饮用水的微生物风险的一种手段而应用于如家庭、办公楼或其它目的。本发明的技术方案得到的净化设备能耗低，使用寿命长，同时具有一定的抗废水浓度波动性，用于改良现有普通净水器。

综上所述，本发明的净化设备实现了电催化工艺和纳米光催化来进行净化水源，并设计制作了相应的模块化净水单元，与市场现有净水模块组合后应用于饮用水安全保障领域。本发明设计的组合净水器与普通净水器相比拓宽了应用领域，特别是在自然灾害时期保证饮用水安全方面，实现了污染物的化学处理和细菌的电催化和光催化灭活，保证安全饮用水的长期供给。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明实施例净化设备的整体结构示意图；

图2是本发明实施例净化设备的金刚石电催化模块的结构示意图；

图3是本发明实施例净化设备的金刚石电催化模块的另一结构示意图；

图4是本发明实施例净化设备的金刚石电催化模块内部结构示意图；没有设置分水块结构；

图5是本发明实施例净化设备的金刚石电催化模块内部结构示意图；设置有分水块结构；

图6是本发明实施例净化设备的纳米光催化模块的剖视图；

图7是本发明实施例净化设备的纳米光催化模块的另一剖视图。

其中：1为进水口，2为出水口，3为过滤装置，4为壳体；

31为电催化反应过滤器；32为光催化反应过滤器；33为一级过滤器；34为二级过滤器；35为五级过滤器；36为六级过滤器；

310为抛光不锈钢片，311为掺硼金刚石电极；312为分水块结构；313为死角区；314为壳体，315为有机玻璃；320为进水区，321为催化区；322为进水槽，323为紫外灯，324为出水槽。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例如图1～7所示，该带有金刚石电催化反应器和纳米光催化反应器的多级净水设备，为便携型净水设备，包括进水口1和出水口2、壳体4，所述壳体上设置拉杆，所述进水口1和出水口2间设置过滤装置3，所述过滤装置3设置在壳体4内，过滤装置包括依次连接的前端过滤器、设置有金刚石电催化反应器的电催化反应过滤器31、设置有纳米光催化反应器的光催化反应过滤器32和后端过滤器。

前端过滤器输入端连接进水口1；所述后端过滤器输出端连接出水口2；所述过滤器之间通过水管连接。所述前端过滤器包括对进水进行预处理的一级过滤器33和与一级过滤器33输出端连通的二级过滤器34。

一级过滤器采用PP聚丙烯溶喷滤芯，对进水进行预处理，可去除水中小颗粒、悬浮物、胶体等物质，有利于后续金刚石电催化氧化作用的充分发挥。该过滤器过滤面积和容污量大，过滤效果好，寿命长，并可进行多次清洗。二级过滤器采用压缩活性炭滤芯，深度去除水中之异色、异味、部分余氯，有效改善出水口感。采用棒状形式和网布构造，使滤芯具有双重过滤特性。

电催化反应过滤器31包括串联连接的两级电催化模块，所述电催化模块外侧设置供电的锂电池，一般配备4组6000mAh的锂电池用于供电。所述电催化模块包括有机玻璃315和不锈钢板密封构成的壳体314，所述壳体内相向设置阴、阳电极310、311；所述阳极选用掺硼金刚石电极311；所述阴极选用抛光不锈钢片310。所述壳体内还设置用于水道控制的分水块结构312，所述分水块结构设置阴阳电极间；所述电催化模块的两端为输入口和输出口。所述分水块结构选用硅橡胶球体或硅橡胶椭圆体。金刚石电催化模块为紧凑高效的净水模块，为本净水设备的核心部分，也是实验室成果向实际运用的转化，能有效杀灭水中细菌、去除残留小分子有机物。

电催化反应过滤器内部为分水块结构。金刚石电催化模块的设计采用热丝化学气相沉积法制备的掺硼金刚石薄膜BDD电极为原材料，基材为金属铌Nb片，电极为边长100mm的方片，厚度为2.0mm。并采用线切割工艺制出同样大小的不锈钢片，厚度为1mm。不锈钢片经过抛光后直接作为阴极。根据实验取得的一些结果，确定电极间距为12mm，两端施加电压为24V直流电。

本发明人先将分水块结构设计成为图3所示的类似方盘的结构，中间不加隔膜和水道控制片，则进水和出水将在两水口之间直接快速通过，两侧的水即成为死角区313，这样的净化效果不是很理想。因此，在优化的方案中在两电极中间的空间中设计分水块，分水块设计为圆形以减小水流通过的阻力，材料使用综合性能优良的硅橡胶，通过模具加工为图4所示的结构，水流在模块内分为两部分通过，增加了停留时间，提高了BDD电极的实际有效作用面积。实验表明，在水流速度为0.5L/min时，24V直流电作用下，细菌(以大肠杆菌为例)的去除率可达到90％以上。此外，电催化模块的外壳材料采用有机玻璃和不锈钢加工，左右两块通过螺纹嵌合连接，确保密封不漏水。

光催化反应过滤器32包括串联连接的两级光催化模块。所述光催化模块包括石英玻璃圆筒分割的进水区320和催化区321；所述进水区和催化区的底端设置沟通的进水槽322，所述催化区内设紫外灯323，所述催化区上端设置出水槽324。纳米光催化模块采用固定式反应器，并设计为紧凑高效的净水模块，是实验室成果向实际运用的转化。两级纳米光催化反应器串联，可有效去除水中细菌、残留小分子有机物，特别是具有强烈致癌的生物毒素如微囊藻毒素等有害物质得到矿化处理，实现饮用水的高度安全化。

为了操作维修方便，将光催化反应过滤器设计成结构较为简单的同心圆环结构，如图5所示。采用石英玻璃圆筒作为光催化载体板，内壁涂覆前述的高光催化活性TiO₂溶胶。具体操作时，先在石英玻璃圆筒内壁涂敷光催化剂，在70℃进行30分钟的热处理，重复以上操作8次。反应器上下均设计有硅橡胶垫圈，与玻璃圆筒进行嵌合，防止漏水。此外石英玻璃圆筒将反应器内部分隔为进水区320和催化区321两部分，光催化反应器的上部和下部均设计通水槽，实际运行时进水先进入进水区320，通过底部的进水槽汇集进入催化区321，在内围进行光催化反应，之后通过上部出水槽汇集出水。光催化反应器的外部和内部尺寸均相对固定，并选用单头圆柱形紫外灯323，实现了模块化设计。

后端过滤器包括截留光催化反应过滤器的细菌尸体或微小悬浮物的五级过滤器35和与五级过滤器35输出端连通的六级过滤器36；五级过滤器，采用中空纤维超滤丝膜，可以截留极微小悬浮物、细菌尸体，其出水特别清澈，并可进行清洗。六级过滤器采用渗银抑菌活性碳，防止细菌污染末端出水。过滤器依次顺序相连。

由于一般原水中均含有一些颗粒和悬浮物，为此采用PP棉粗滤作为第一级。压缩活性炭滤芯可强化粗滤作用，同时为电催化模块减轻部分负荷，为此可作为第二级，电催化模块作为核心部分，实现绝大部分的去污和消毒功能。纳米光催化再对电催化模块遗漏的低浓度污染物进行深度降解。细菌尸体对健康不利，在下面一级采用中空纤维超滤膜进行截留。此部分寿命通常最短，滤芯的更换取决于进水的污染物含量，在采用电催化模块作为前置工段后可延长寿命3-4倍。超滤膜还可作为当前面工段出现故障时，保证出水质量的保险杆。最后使用渗银抑菌活性碳，防止细菌污染末端出水。

本多级净水设备设计为行李箱式，可供50人左右在野外使用一月左右，在有电源供应时使用寿命可相应提高，确保饮用水质量达到国家直饮水标准水平。

主要技术参数和技术指标：

净水器确保饮用水质量达到(包括《生活饮用水水质卫生规范》(2001)，《生活饮用水水质处理器卫生安全与功能评价规范—一般水质处理器》(2001))。考虑到没有电源的情况，在增压泵的基础上，增加一只轻质的脚踏进水器，频率为1次/秒即可满足进水压力要求。

■适用水压：0.05-0.30MPa，一般操作压力0.05-0.10MPa

■额定净水流量：0.5L/min

■适用环境温度：5-40℃

■单次总净水量：5-10万L  (视进水水质情况定)

■适用净水水质：市政自来水，微污染地下水及微污染江河湖水

■电源供应方式：可充电6000mAh锂电池，24V直流。

■进水驱动方式：脚踏取水器或增压泵进水。

同时附有一套常用工具和替换滤芯。由于现有技术中净水设备常存在结构单一，难以操作，光催化剂的负载、失活与更换问题尚未得到很好的解决、较少与市场其它模块进行组合，容易二次污染，净水器使用寿命短等缺陷，本发明针对这些缺陷很好的进行了改进。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带有金刚石电催化反应器和纳米光催化反应器的多级净水设备，包括进水口(1)和出水口(2)，所述进水口(1)和出水口(2)间设置过滤装置(3)，其特征在于所述过滤装置包括依次连接的前端过滤器、设置有金刚石电催化反应器的电催化反应过滤器(31)、设置有纳米光催化反应器的光催化反应过滤器(32)和后端过滤器。

2.根据权利要求1所述的带有金刚石电催化反应器和纳米光催化反应器的多级净水设备，其特征在于所述前端过滤器输入端连接进水口(1)；所述后端过滤器输出端连接出水口(2)；所述过滤器之间通过水管连接。

3.根据权利要求1所述的带有金刚石电催化反应器和纳米光催化反应器的多级净水设备，其特征在于所述前端过滤器包括对进水进行预处理的一级过滤器(33)和与一级过滤器(33)输出端连通的二级过滤器(34)；所述后端过滤器包括截留光催化反应过滤器的细菌尸体或微小悬浮物的五级过滤器(35)和与五级过滤器(35)输出端连通的六级过滤器(36)。

4.根据权利要求1所述的带有金刚石电催化反应器和纳米光催化反应器的多级净水设备，其特征在于所述电催化反应过滤器(31)包括串联连接的多级电催化模块，所述电催化模块外侧设置供电的锂电池。

5.根据权利要求4所述的带有金刚石电催化反应器和纳米光催化反应器的多级净水设备，其特征在于所述电催化模块包括有机玻璃和不锈钢板密封构成的壳体，所述壳体内相向设置阴、阳电极(310、311)；所述阳极选用掺硼金刚石电极(311)；所述阴极选用抛光不锈钢片(310)。

6.根据权利要求5所述的带有金刚石电催化反应器和纳米光催化反应器的多级净水设备，其特征在于所述壳体内还设置用于水道控制的分水块结构(312)，所述分水块结构设置阴阳电极间；所述电催化模块的两端为输入口和输出口。

7.根据权利要求6所述的带有金刚石电催化反应器和纳米光催化反应器的多级净水设备，其特征在于所述分水块结构选用硅橡胶球体或硅橡胶椭圆体。

8.根据权利要求1所述的带有金刚石电催化反应器和纳米光催化反应器的多级净水设备，其特征在于光催化反应过滤器(32)包括串联连接的多级光催化模块。

9.根据权利要求8所述的带有金刚石电催化反应器和纳米光催化反应器的多级净水设备，其特征在于所述光催化模块包括石英玻璃圆筒分割的进水区(320)和催化区(321)；所述进水区和催化区的底端设置沟通的进水槽(322)，所述催化区内设紫外灯(323)，所述催化区上端设置出水槽(324)。

10.根据权利要求1所述的带有金刚石电催化反应器和纳米光催化反应器的多级净水设备，其特征在于所述多级净水设备还包括壳体(4)，所述壳体上设置拉杆形成便携型净水设备。

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