CN101811750A - 一种磁助-光解复合水净化装置及应用 - Google Patents

一种磁助-光解复合水净化装置及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种磁助-光解复合水净化装置，由电源线、紫外消毒灯、水容器、出水管、具孔塞子、玻璃导管和磁铁块组成。紫外消毒灯通过电源线与外接电源连接，蛇形玻璃导管和出水管一同被固定在具孔塞子中，紫外灯插入蛇形玻璃导管的中空部，具孔塞子插入镀有纳米二氧化钛膜的圆柱形水容器中，磁铁块按照每行三个，共四行有序地被固定在镀有纳米二氧化钛膜的圆柱形水容器外壁上。本发明是利用紫外消毒，光催化降解和磁净化在水净化中的综合效应，使水体得到净化，可以快速，高效地净化被轻度污染的水，具有降解效果明显、无二次污染、能耗和原材料消耗低的优点，可在水净化处理中应用。

Description

一种磁助-光解复合水净化装置及应用
技术领域
本发明涉及一种磁助-光解复合水净化装置，特别是涉及一种有效去除轻度污染水体中细菌、病毒和有机物的水净化装置。
背景技术
由于多种原因，我国存在大量轻度污染的水，其中含有的细菌，病毒和微量有机化合物，对人、畜的健康损害很大，所以通常这些水不能直接被利用。目前常用的水处理方法有：沉淀物过滤法、活性炭吸附法、逆渗透法、超过滤法、紫外线消毒法、臭氧杀菌等。这些方法都有其自身局限性，要么是净化效果不理想；要么是处理成本高，不利于市场推广。市场上的饮水机只依靠过滤方式对水净化，其效果与水温高低，水质好坏等有一定的关系，时间长了要频繁更换是它在饮水机上应用的局限性。
近年来用纳米二氧化钛(TiO2)等半导体光催化降解水中的污染物，被认为是最有前途、最有效的处理方法之一。其机理是：半导体粒子含有的能带结构和具有连续电子态的金属不同，通常情况下是由一个充满电子的低能价带(valence band，VB)和一个空的高能导带(conduction band，CB)构成，价带和导带之间由禁带分开。当用能量大于或等于禁带宽度(也称带隙，TiO2的带隙为3.2eV)的光照射半导体时，其价带上的电子(e-)被激发，越过禁带进入导带，同时在价带上产生相应的空穴(h+)，形成光生电子-空穴对，其光生电子具有很强的还原作用，而空穴具有强氧化作用。
悬浮在水中的半导体颗粒，在光作用下，出现电子-空穴对，并与半导体表面的水溶液发生光催化氧化反应，使水分子失去电子，生成氧化能力很强的·OH自由基，·OH能氧化大多数有机污染物及部分无机污染物，并能将污染物最终氧化成CO2和H20。
目前，用TiO2光催化剂处理废水主要有悬浮法和固定法，悬浮法是将TiO2光催化剂悬浮于有机废水中，这种方法催化活性较高，但由于催化剂颗粒细小，难以回收，难于重复使用，且易造成二次污染；固定法是将纳米TiO2负载于一定的载体上，常用的载体如石英砂、空心玻璃珠、耐火砖、活性炭、硅胶、沸石等，固定法的优点可重复使用，但光催化活性低。
国内外学者虽然围绕二氧化钛(TiO2)的光催化性能及其影响因素等方面进行了大量的实验研究，并获得了很大的进展，但二氧化钛(TiO2)光催化实用化的水平仍很低。提高降解效率是光催化工艺能否得到实际应用的关键。
发明内容
本发明目的是通过改善纳米二氧化钛(TiO2)膜的光催化性能，同时利用紫外消毒，光催化降解和磁净化在水净化中的综合效应，提供一种磁助-光解复合水净化装置。该装置由电源线、带石英玻璃保护套的紫外消毒灯、镀有纳米二氧化钛(TiO2)膜的圆柱形水容器、出水管、具孔塞子、镀有纳米二氧化钛膜的蛇形玻璃导管和磁铁块组成，紫外消毒灯通过电源线与外接电源连接，蛇形玻璃导管和出水管一同被固定在具孔塞子中，紫外消毒灯插入蛇形玻璃导管的中空部，具孔塞子插入镀有纳米二氧化钛膜的圆柱形水容器中，磁铁块按照每行三个，共四行有序地被固定在镀有纳米二氧化钛膜的圆柱形水容器外壁。
本发明的另一个目的是提供该净化装置在水净化处理中应用。
本发明一种磁助-光解复合水净化装置的原理是利用紫外消毒，光催化降解和磁净化在水净化中的综合效应，使水体得到净化。
本发明的创新点是通过磁场作用来提高纳米TiO2膜光催化性能，使之满足实用要求；利用紫外消毒，光催化降解和磁净化在水净化中的综合效应，使水体净化更彻底。
实施本发明可以快速，高效地净化被轻度污染的水，具有降解效果明显、无二次污染、能耗和原材料消耗低的优点，具有广阔的市场空间和经济价值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
本发明结合附图和实施例作进一步的说明。
实施例1
本发明的磁助-光解复合水净化装置由电源线1、带石英玻璃保护套的紫外消毒灯2、镀有纳米二氧化钛(TiO2)膜的圆柱形水容器3、出水管4、具孔塞子5、镀有纳米二氧化钛膜的蛇形玻璃导管6和磁铁块7组成，紫外消毒灯2通过电源线1与外接电源连接，蛇形玻璃导管6和出水管4一同被固定在具孔塞子5中，紫外灯2插入蛇形玻璃导管6的中空部，具孔塞子5插入镀有纳米二氧化钛膜的圆柱形水容器3中，磁铁块7按照每行三个，共四行有序地被固定在镀有纳米二氧化钛膜的圆柱形水容器3外壁。
其中镀有纳米二氧化钛膜的圆柱形水容器3，选用长度为21cm，内径为34mm，厚度为2mm的玻璃试管，采用溶胶-凝胶在其内壁镀上纳米二氧化钛膜制作而成；带有石英保护套的紫外灯2选用雪莱特ZW10D15Y(W)-Z212型单端，直管，功率10W的水处理专用套件(配有专用整流器和外接电源线1)；蛇形玻璃导管6选用外径为5mm，管壁厚0.5mm的普通玻璃管制作而成，其内径约为22mm，外径约为32mm，螺旋部分长度为18cm，上端留有6cm延伸段(插入具孔塞子5的小孔中)；磁铁块7选用规格为40×20×5mm钕铁硼磁铁12块；具孔塞子5选用8号橡皮塞子在中部打一个直径为2cm的大孔，边缘分别打两个直径为4mm的小孔。出水管4选用外径为5mm，管壁厚0.5mm长度8cm的90°玻璃弯管。
纳米二氧化钛制作方法采用溶胶-凝胶法，试剂为分析纯钛酸丁酯，分析纯乙酰丙酮，分析纯无水乙醇，分析纯硝酸和无离子水。将189ml钛酸丁酯，28.5ml乙酰丙酮和290ml无水乙醇混合配制成A液，将290ml无水乙醇，20ml无离子水，5ml硝酸混合配制成B液，然后将B液缓慢滴加到A液中，即可配制成凝胶液。室温下避光保存陈化24h。
将水容器3和蛇形玻璃导管6洗净后，在10％的NaOH溶液中浸泡15min，随后在10％HCl溶液中浸泡15min无离子水冲洗干净后，105℃烘干备用。将水容器3和蛇形玻璃导管6浸入凝胶液中15min，然后以1mm/s速度缓慢抽提，室温下自然干燥15min后，于105℃烘干30min，以上操作重复5次。最后于马弗炉中焙烧，从室温(30℃)以3℃/min的速度加热至550℃，恒温焙烧1h，然后关闭马弗炉，当温度自然降低到室温后，打开马弗炉取出。
装置的组装程序为：先将带有石英保护套的紫外灯2、镀有纳米二氧化钛膜的蛇形玻璃导管6和出水管4固定在具孔塞子5中，其中有石英保护套的紫外灯2插入蛇形玻璃导管6中空部，随后将具孔塞子5插入镀有纳米二氧化钛膜的圆柱形水容器3中，并固定，磁铁块7按照每行三个，共四行有序地用万能胶固定在圆柱形玻璃水容器3外壁，最后将电源线1与带有石英保护套的紫外灯2相连，即完成装置的制作和组装。
实施例2
苯酚及其衍生物是污染水体中常见的一类高毒性和难降解有机物。将1mg/L苯酚溶液加入实施例1的装置中，静置处理20min后，测得苯酚的清除率达到100％。若水样处于流动状态，当通过装置的流速≤(容器的总容积÷20)/min时，测得的苯酚的清除率达到100％。
注：1，挥发酚的检测采用4-氨基安替比林直接光度法(GB7490-87)。
2，苯酚去除率的计算：分别测样本和净化水的光吸收值，记作A1和A2，则：
苯酚光解率＝(A1-A2)/A1X100％
实施例3
偶氮类化合物结构复杂，具有强烈的生物毒性。将1mg/L氨基黑10B溶液加入实施例1的装置，静置处理20min后，测得氨基黑10-B的脱色率达到100％。若水样处于流动状态，当通过装置的流速≤(容器的总容积÷20)/min时，测得的氨基黑10B的脱色率达到100％。
注：1，染料氨基黑10B浓度的测定，采用UV-1600紫外可见分光光度计测定溶液在618nm处的吸光度计算氨基黑10B溶液浓度变化。
2，氨基黑10B脱色率的计算：分别测样本和净化水在618nm处的光吸收值，记作A1和A2，则：
氨基黑10B脱色率＝(A1-A2)/A1X100％
实施例4
取杭州某酶制剂生产工厂的生产废水作为水样，测得废水浓度(mg/L)CODcr为4.632，细菌总数4.92×107个/ml。将水样加入实施例1的装置，静置处理20min，然后让水样以≤(容器的总容积÷20)/min的流速通过装置，净化后的水中CODcr为2.613，COD清除率为43.6％，细菌总数为72个/ml。

Claims (5)

1.一种磁助-光解复合水净化装置，其特征在于，该装置由电源线(1)、带石英玻璃保护套的紫外消毒灯(2)、圆柱形水容器(3)、出水管(4)、具孔塞子(5)、蛇形玻璃导管(6)和磁铁块(7)组成，紫外消毒灯(2)通过电源线(1)与外接电源连接，蛇形玻璃导管(6)和出水管(4)一同被固定在具孔塞子(5)中，紫外消毒灯(2)插入蛇形玻璃导管(6)的中空部，具孔塞子(5)插入圆柱形水容器(3)中，磁铁块(7)固定在圆柱形水容器(3)外壁。
2.根据权利要求1所述的一种磁助-光解复合水净化装置，其特征在于，圆柱形水容器(3)和蛇形玻璃导管(6)均镀有纳米二氧化钛膜。
3.根据权利要求1所述的一种磁助-光解复合水净化装置，其特征在于，紫外消毒灯(2)带石英玻璃保护套。
4.根据权利要求1所述的一种磁助-光解复合水净化装置，其特征在于，磁铁块(7)按照每行三个，共四行有序地固定在圆柱形水容器(3)外壁。
5.权利要求1所述的一种磁助-光解复合水净化装置在水净化处理中的应用。
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