CN102030388A - 光催化明渠式紫外线消毒设备 - Google Patents

Abstract

一种光催化明渠式紫外线消毒设备，包括明渠，多组紫外线灯管模块、电子镇流器模块、控制系统，所述紫外线灯管模块悬挂在明渠中，在明渠上设有维护吊车，所述任意两组紫外线灯管模块之间设有一组二氧化钛光催化模块，所述二氧化钛光催化模块包括不锈钢框架，所述框架上的两侧面均设有光催化网，两层光催化网内夹置有光催化球，所述光催化网由不锈钢网和覆盖在不锈钢网上的超细二氧化钛涂层构成，光催化球由不锈钢球和覆盖在不锈钢球上的超细二氧化钛涂层构成。本发明将紫外线杀菌技术、二氧化钛光催化灭菌技术等诸多新技术应用在消毒明渠中，具有节能效果好、杀菌广谱、杀菌效率高、工作效率高等特点。

Description

              光催化明渠式紫外线消毒设备

技术领域

本发明涉及水处理消毒设备，尤其是涉及一种光催化明渠式紫外线消毒设备。

背景技术

人类赖以生存的水体当下正面临着环境污染的巨大压力。水体中除了大量致病微生物和细菌外，还有众多有机或无机污染物，而且各种水体中污染物成分复杂，浓度亦不相同，因此给水体消毒或净化带来难题。

传统的氯消毒技术虽然成本低、效果可靠，但因在消毒过程中会产生二氯胺、三氯胺、三卤甲烷等诸多副产物，而这些副产物长期作用于人体，会对人体的健康造成一定的危害，容易致癌，致畸，致突变。因此逐渐淡出人们视野，成为将来要淘汰的技术。   

在现有的水处理消毒技术中，臭氧消毒技术成熟，杀菌效果好。其原理是：臭氧具备的强氧化性，可以破坏分解细菌的细胞壁，氧化分解细菌内部氧化葡萄糖所必须的葡萄糖氧化酶等，也可以直接与细菌、病毒发生作用，破坏细胞、核糖核酸（RNA），分解脱氧核糖核酸（DNA）、RNA、蛋白质、脂质类和多糖等大分子聚合物，使细菌的代谢和繁殖过程遭到破坏。但是臭氧消毒系统复杂，投资成本和运行费用高，存在操作难度大，需要大量的日常维护，对操作人员的技术要求高等问题，因此难以推广应用。

紫外线消毒就是通过紫外线的照射，破坏及改变微生物的DNA（脱氧核糖核酸）结构，使细菌当即或不能繁殖后代，达到杀菌的目的。真正具有杀菌作用的是UV-C紫外线，因为C波段紫外线很易被生物体的DNA吸收，尤以253.7nm左右的紫外线最佳。紫外线消毒技术的应用历史比较悠久，1877 Downes和Blunt 报道太阳光辐射能量的杀菌作用；1906-1909年，法国的马赛一家自来水厂最先安装了一套紫外线消毒系统对饮用水进行消毒，规模为200m3/d；1916年，美国第一个大规模的饮用水紫外线消毒系统为Kentucky的Henderson的12000居民服务。20世纪60年代，随着高效率、长寿命紫外灯管的出现，以及人们对氯消毒系统安全性问题的广泛关注，紫外线在水处理领域的应用得到了非常迅速发展。

紫外线消毒的缺点主要是：能耗大、紫外灯管清洗不彻底，无持久杀菌能力，容易造成管网的二次污染；浊度及水中悬浮物(SS) 对紫外杀菌效果有较大影响；对于某些抗紫外线的病毒需要较高的灭活剂量；杀灭的细菌有可能会光修复。由于细菌、病菌和病毒长期暴露在太阳光下面（日光中包括紫外线），长时间的进化过程，使这些细菌、病菌和病毒产生对单一紫外线的抵抗力，这种抵抗力被人们定义为为活化酶。活化酶存在于细菌和病菌的细胞内，一旦细菌和病菌的DNA受到损伤，这种活化酶就会发挥功效，帮助受损部分迅速恢复成原来的状态。这样一个反应过程被称为细菌和病菌的复活反应，在有光的情况下此种反应能进行的非常迅速。

光催化作为水（或污水）处理的新技术，有以下优点：一是作为应用最广泛的高活性光催化剂——二氧化钛具有稳定性好、无毒、廉价等优点；二是在紫外光的照射下，二氧化钛具备极强的氧化—还原作用，将光催化剂表面的各种细菌及污染物摧毁。但常规化学方法制备的二氧化钛粉末及薄膜一般晶化程度不高，比表面积低，造成性能受到一定的影响。如何提高光催化反应的光量子产率，是光催化大规模应用面临的主要难题之一。

曾经有人考虑将紫外线消毒与光催化技术结合起来进行水处理，如中国专利公开的一种水质消毒杀菌装置（申请号2005100366606），该装置采用紫外灯管照射涂有二氧化钛涂层的玻璃过水管形式对流过过水管的水进行双重处理。但从其技术方案分析，不难发现：即使不考虑其过水管结构过于复杂、难以实现的因素外，采用该技术方案进行杀菌消毒效果也必定不理想，尤其是不可能用于大规模、工厂化的水处理。这是因为：由于波长为253.7nm强紫外光对于杀菌最为有效，现有用于水处理的中压高强紫外灯的紫外光波长为200nm～280nm，低压高强紫外灯波长为253.7nm。而现有二氧化钛涂层的制备技术还存在很大局限，利用常规化学方法得到的二氧化钛薄膜的紫外光激发有效区间为300nm-388nm，并且以350nm-365nm为吸光峰。因此，即使使用杀菌紫外灯照射上述二氧化钛涂层，也不能得到有效激发。

发明内容

本发明主要解决现有明渠式紫外线消毒设备耗能大、杀菌能力有限，现有二氧化钛涂层的激发有效区间与紫外线灯管辐射区间不对应等技术问题、同时本发明还解决了紫外灯管清洗不彻底，电子镇流器散热耗能大等技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：该光催化明渠式紫外线消毒设备包括明渠，多组紫外线灯管模块、电子镇流器模块、控制系统，所述紫外线灯管模块悬挂在明渠中，在明渠上设有维护吊车，所述任意两组紫外线灯管模块之间设有一组二氧化钛光催化模块，所述二氧化钛光催化模块包括不锈钢框架，所述不锈钢框架上的两侧面均设有光催化网，两层光催化网内夹置有光催化球，所述光催化网由不锈钢网和覆盖在不锈钢网上的超细二氧化钛涂层构成，光催化球由不锈钢球和覆盖在不锈钢球上的超细二氧化钛涂层构成。

作为优选，所述不锈钢框架由边框、挂架焊接成包围结构，其中挂架设在边框顶部，挂架的两端部设有挂耳，在边框框内立面上靠近边框两外侧面处各设有一插槽，所述光催化网插在插槽内，两层光催化网之间距离为124.6～125.4mm。

作为优选，光催化网的顶部包裹有加强筋，光催化网网孔为正六边形，呈蜂窝形状。

作为优选，所述光催化球表面开有若干沉水孔。

作为优选，所述紫外线灯管模块包括灯管框架、自动清洗装置，其中灯管框架由挂架和位于挂架底部两端的灯管支架构成，石英玻璃套管通过Ω型圈固定在灯管支架上，石英玻璃套管内设有紫外灯管。

作为优选，所述自动清洗装置包括气缸、拖动杆、支撑环，其中气缸设在挂架的空腔内，气缸活塞杆的端部与槽型滑块连接，槽型滑块设置在空腔里的导轨上，槽型滑块底部与拖动杆顶端连接，拖动杆内设有从拖动杆底部一直延伸至拖动杆顶端的通气管道，通气管道顶端出口处设有主气嘴，主气嘴与汽缸上的供应气嘴的支气嘴连接，拖动杆上设有多个拨叉，每一拨叉根部的上方设有与通气导管连通的分气嘴；所述支撑环套设在石英玻璃套管上，其外圈设有拨叉槽，所述拨叉插入对应的支撑环上的拨叉槽内，支撑环内圈设有两道环形槽，一道为清洗圈槽，清洗圈槽中镶嵌有套住石英玻璃套管上的四氟乙烯清洗圈，另一道为喷气槽，喷气槽与贯穿支撑环壁的喷气槽气嘴连接，喷气槽气嘴上套有软管，软管的另一端与离该支撑环最近的分气嘴连接。

作为优选，所述电子镇流器设置在横跨明渠的跨水渠机柜内的散热底板上，散热底板底部与多个一字排开的片状铝、铜散热体连接，所述散热体的横截面为流线形，其底端设置在水渠中。

作为优选，所述光催化网或光催化球的制作方法包括以下步骤：

A. 控制溶解温度40℃～50℃，量取5～7份钛酸四丁酯液体倒入不锈钢容器内，在恒速剧烈搅拌的情况下，将25～35 份无水乙醇滴加到钛酸四丁酯中，同时加入2～3份柠檬酸、2～3份乙二醇制成混合溶液；

B.快速移取0.3～0.7份乙酰丙酮到混合溶液中，在恒速剧烈搅拌的状态下，以0.5滴/s的速度缓慢加入去离子水1～1.5份，滴毕后加入0.002～0. 003份N-酰基ED3A，继续搅拌3分钟，然后用超声波振荡封1～3小时，待溶液形成白色透明溶胶，将白色透明溶胶静置陈化96小时，于是得到具有很高的分散性及稳定性的二氧化钛溶胶；

C. 采用浸渍－提膜的方法将不锈钢网或不锈钢球放入二氧化钛溶胶中，温度控制在27～30℃，浸渍24小时后取出，提拉速度为2 mm／s，湿膜在50～60 ℃烘箱中烘15分钟，然后放入溶胶中进行第二次浸渍，5分钟后取出，送入烘箱中于90℃～100℃烘15 分钟，然后在马福炉中以2℃／min的速度升温至550℃，保温3 小时，于是光催化网或光催化球表面均匀的覆盖了一层超细二氧化钛涂层。

作为优选，所述光催化网或光催化球还可以采用以下方法制作，该制作方法包括以下步骤：A.取钛酸四丁酯液体5～6份与异丙醇20～26份稀释成混合溶液，在恒速剧烈搅拌的情况下，快速移取0.1 份浓盐酸加入到混合溶液中，搅拌2 分钟后，加入去离子水1～1.2份继续搅拌30min，得到浅黄色透明凝胶；

B.往透明凝胶中加入重量比为30%的P25纳米级二氧化钛粉得到二氧化钛前驱体溶液，将不锈钢网或不锈钢球放入前驱体溶液中，浸渍5小时后取出，提拉速度为2 mm／s，湿膜在80 ℃烘箱中烘15分钟，然后放入溶胶中进行第二次浸渍，5分钟后取出，送入烘箱中于100℃烘15 分钟，然后在马福炉中以2℃／min的速度升温至550℃，保温3 小时后取出用去离子水清洗，烘干后即得到光催化网或光催化球。

作为优选，所述维护吊车包括电动起重葫芦、起重横梁和行车，其中行车顶部设有跨水渠横梁、起重横梁吊挂在跨水渠横梁下方的轨道上，电动起重葫芦设置在起重横梁上，所述明渠两侧埋设有工字钢轨道梁，行车的车轮搁置在工字钢轨道梁上。

本发明将紫外线杀菌技术、二氧化钛光催化灭菌技术等诸多新技术应用在消毒明渠中，具有节能效果好、杀菌广谱、杀菌效率高、工作效率高等特点。在C波段紫外光的照射下，本发明对所有的细菌和病毒都能高效杀灭，能够永久灭活抗氯性微生物组织，例如嗜肺军团菌、大肠杆菌、假单胞菌、隐孢子虫、阿米巴虫等，紫外线通过破坏这些微生物的DNA和DNA修复酶来达到灭活效果。同时本发明特制的光催化网或光催化球在C波段紫外光的照射下，能够产生强氧化性的自由基，该自由基能够将光催化网或光催化球表面几乎所有的有机物彻底摧毁，具备降解包括一氯胺、二氯胺、三氯胺在内的有机化合物的能力，从而有效杜绝了有毒有机化合物对人体的影响。并且消毒过程中，没有复活反应，没有菌群反弹现象，对水体和周围环境不会产生有毒及有害副产物，不产生二次污染，能绝对保证消毒效果和出水水质。   

此外，在使用一定时间后，本发明特别设计的自动清洗装置可以及时对紫外灯管进行清洗，以保证系统的杀菌能力不受影响。应用表明：与普通明渠式紫外线消毒设备相比，在同发明等消毒效果下，本发明耗电量仅为普通明渠式紫外线消毒设备的60～70%。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的剖面图；

图3是图1所示二氧化钛光催化模块的结构示意图；

图4是图3所示二氧化钛光催化模块的左视图；

图5是图3所示二氧化钛光催化模块的主视图；

图6是光催化网的结构示意图；

图7是光催化球的结构示意图；

图8是图1所示电子镇流器模块的结构示意图；

图9是图8所示B-B处剖视图；

图10是图1所示紫外线灯管模块的左视图；

图11是图1所示紫外线灯管模块的主视图；

图12是图11所示A处结构放大图；

图13是图11所示B处结构放大图；

图14是超细二氧化钛涂层SEM图；

图15是不锈钢网或不锈钢球表面超细二氧化钛涂层的UV图谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的剖面图。由图1结合图2可知，本发明首先根据实际水处理需要设计明渠渠体1，在明渠1土建施工时，明渠1两侧应先预埋20#工字钢轨道梁4。水位控制采用过水堰构造，包括后过水堰门3、前过水堰门31、进水孔21、出水孔2等，待消毒水体从进水孔21进入，翻过前过水堰门31后进入明渠内，然后翻过后过水堰门3从出水孔2流出，该过水堰构造运行可靠，既可保持高峰流量时间的最高水位，也可保证在零流量时紫外灯管浸没在水中。

明渠1内设有水位传感器100，后过水堰门3上设有水位控制阀门110，控制系统根据水位传感器100的信号对水位控制阀门110进行自动控制，在最低水位和最高水位之间自动调节，以恒定水位，保证灯管全部淹没在污水中。当水流量增大，水压增大，水位控制阀门110开启放水，水压恢复正常后水位控制阀门110关闭。水位传感器100还可以确保水渠中的水位在低于设定最小水位时自动发出警报，并将相关灯管熄灭。

在明渠1内平行悬挂有3个紫外灯管模块5，任意两组紫外线灯管模块5之间设有一组二氧化钛光催化模块6。明渠1上设有跨水渠机柜7，电子镇流器73安装在跨水渠机柜7内。

明渠1上方还设有结构紧凑、使用非常方便的维护吊车9，该维护吊车9由跨水渠横梁91、电动起重葫芦93、起重横梁94和行车95等构成。行车95的车轮96搁置在工字钢轨道梁4上，起重横梁94吊挂在跨水渠横梁91下方的轨道上，电动起重葫芦93设置在起重横梁94上。通过控制器，操作人员可以方便的控制起重横梁94行走以及挂钩92升降。

明渠1内各模块安装、维护均可用吊车9吊离水面，因此维护或检修时无须中断整个系统的运行，即使一个消毒模块出现故障也不会影响别的消毒模块的运行，只需将发生故障的消毒模块维修或更换，系统又可正常运转。

图3是图1所示二氧化钛光催化模块的结构示意图；图4是图3所示二氧化钛光催化模块的左视图；图5是图3所示二氧化钛光催化模块的主视图；由图3结合图4、图5可知，二氧化钛光催化模块6具有一不锈钢框架61，框架61由边框611、挂架64焊接成包围结构，挂架64设在边框611顶部，挂架64的两端部设有挂耳62，挂架64的顶部两头设有供维护吊车9的吊钩固定的吊耳63。

在边框611框内立面上，靠近边框611外侧面8 mm～12 mm处设有插槽68，插槽68深10～15 mm，光催化网65插在插槽68内，两层光催化网65之间距离为124.6～125.4mm。

光催化网65由不锈钢网650和覆盖在不锈钢网650表面的超细二氧化钛涂层651构成（如图6所示）。光催化网65顶部包裹有20mm加强筋66。光催化网65的网孔67为正六边形，呈蜂窝形状，网孔67尺寸为：内切圆半径为0.4～0.5cm。

两层光催化网65内夹置有光催化球69，光催化球69直径Φ为90～100 mm，由不锈钢球690和覆盖在不锈钢球690上的超细二氧化钛涂层670构成，不锈钢球690为空心构造，其表面开有若干沉水孔691（如图7所示）。

超细二氧化钛涂层670最好采用以下方法制作，该制作方法为：控制溶解温度40℃～50℃，量取5～7份钛酸四丁酯（化学纯）液体倒入不锈钢容器内，在恒速剧烈搅拌的情况下，将25～35 份无水乙醇滴加到钛酸四丁酯中，同时加入2～3份柠檬酸（分析纯）、2～3份乙二醇（分析纯）制成混合溶液；

然后快速移取0.3～0.7份乙酰丙酮（分析纯）到混合溶液中，在恒速剧烈搅拌的状态下，以0.5滴/s的速度缓慢加入去离子水1份（或1.2份或1.5份），滴毕后加入0.002～0. 003份N-酰基ED3A（分析纯），继续搅拌3分钟，然后用超声波振荡封1～3小时，待溶液形成白色透明溶胶，将白色透明溶胶静置陈化96小时，陈化期间需不断的过滤析出物，于是得到具有很高的分散性及稳定性的二氧化钛溶胶；

采用浸渍－提膜的方法将不锈钢网或不锈钢球放入二氧化钛溶胶中，温度控制在27～30℃，浸渍24小时后取出，提拉速度为2 mm／s，湿膜在50～60 ℃烘箱中烘15分钟，然后放入溶胶中进行第二次浸渍，5分钟后取出，送入烘箱中于70℃～80℃烘15 分钟，然后在马福炉中以2℃／min的速度升温至550℃，保温3 小时后取出用去离子水清洗，烘干后即得到光催化网或光催化球。

在以上制作方法中，聚乙二醇是一种非离子表面活性剂，二氯氧钛溶液中加入该添加剂后，N-酰基ED3A是一种螯合性表面活性剂，具有较强的螯合能力与分散效果。适量的N-酰基ED3A对溶液中的离子具有优良的分散作用，适量的N-酰基ED3A（0.002～0.003份）在反应中可以改变偏钛酸凝胶颗粒的表面特性，增强空间位阻效应，与Ti形成螯合物，起到缩聚和控制TiO2结晶生长的作用，使偏钛酸凝胶颗粒均匀地分散在反应体系中，而乙二醇、柠檬酸对晶化过程有重要影响，与Ti结合后进一步阻碍了晶体生长，使TiO2粒径降低。

其次，本发明中的二氧化钛涂层还可采用以下方法制取：取钛酸四丁酯液体5～6份与异丙醇20～26份稀释成混合溶液，在恒速剧烈搅拌的情况下，快速移取0.1 份浓盐酸加入到混合溶液中，搅拌2 分钟后，加入去离子水1～1.2份继续搅拌30min，得到浅黄色透明凝胶，往透明凝胶中加入重量比为30%的P25纳米级二氧化钛粉（市售产品，德国德固萨degussa公司用气相法生产工艺生产）得到二氧化钛前驱体溶液，将不锈钢网或不锈钢球放入前驱体溶液中，浸渍5小时后取出，提拉速度为2 mm／s，湿膜在80 ℃烘箱中烘15分钟，然后放入溶胶中进行第二次浸渍，5分钟后取出，送入烘箱中于100℃烘15 分钟，然后在马福炉中以2℃／min的速度升温至550℃，保温3 小时后取出用去离子水清洗，烘干后即得到光催化网或光催化球。

当二氧化钛晶粒尺寸减小到一定程度后，光能隙蓝移，对应于更高的氧化-还原电位，因而有更强的氧化-还原能力；另外晶粒尺寸减小后，光生载流子迁移到晶粒表面的时间大大缩短，有效地减少了光生电子和光生空穴的体相复合。因此，采用上述方法制作的超细二氧化钛层不仅能显著地提高其光催化活性，而且还具有成本低，制作方便、安全等优点。

为了验证以上制作方法制作的二氧化钛光催化模块的效果，以下对光催化网、光催化球上超细二氧化钛涂层性能进行检测。

1.采用FEI-SIRION-200型场发射扫描电镜(FESEM，美国)观察超细二氧化钛涂层的表面形态，透射电镜可以直观地了解这种纳米颗粒的形貌、几何形态和粒度分布等，从而辅助证明粉体颗粒外观特性。其表面形貌见图14（超细二氧化钛涂层SEM图），由图14可知，涂层表面均匀地分布着纳米级球形TiO2颗粒，颗粒直径为20～30 nm。并且涂层上排列有均匀分布的孔洞结构、直径大约为十几纳米。由于涂层表面具有多孔结构，因此提高了超细二氧化钛涂层的比表面积，从而大大提高了其光催化效率。

2.采用UV-2000型紫外-可见分光光度计（美国尤尼柯）对不锈钢网或不锈钢球表面超细二氧化钛涂层进行分析。图15是不锈钢网或不锈钢球表面超细二氧化钛涂层的UV图谱。

从图15可以看出：超细二氧化钛涂层的吸收峰λmax在250～270 nm间。可见本发明光催化网、光催化球在紫外光范围内有着很好的吸收率，表明普通杀菌紫外灯就可以激发本发明光催化网、光催化球，二氧化钛涂层受激发后产生的空穴—电子对氧化能力将会更强，可很好地利用紫外灯的光源。

3.胶带拉膜试验：采用胶带拉膜的方法对超细二氧化钛涂层与不锈钢网或不锈钢球结合性能进行测试，其测试结果见表1。

表1：带拉膜试验

样品号	1	2	3	4	5
						附着力（拉膜次数）	12	15	15	12	13

4.光催化性能试验：

取一方形测试槽，截取一截略小于测试槽面积的光催化网平放入其中，倒入三嗪染料黄C-2R染色废水1000 mL，以能将光催化网刚刚淹没为宜。用紫外光照射1分钟后取出，测定废水的吸光度和COD值，计算脱色率和COD去除率，测定结果表明。废水的脱色率和COD去除率分别到达了41．31％和25．63％，推测随着紫外光照射时间的延长，其脱色率和COD去除率会进一步提高。这是由于超细二氧化钛涂层中的TiO2颗粒吸收了波长为200nm～280nm的光子后，价带中的电子会被激发到导带，形成活性很高的电子(e-)，同时价带上形成带正电的空穴(h+)，从而形成空穴。电子对。而涂层表面的h+可以吸收水中的O₂，发生如下反应：

O₂+2H⁺+2e →H₂O₂ ；

H₂O₂+e→OH +HO· ；

OH+h⁺→HO·

反应生成了强氧化性的羟基自由基(HO·)。HO·的氧化性能在水体中最强，可以氧化大多数有机污染物和一部分无机污染物，从而达到降解染色废水的目的。

此外，本发明中的二氧化钛涂层也可参考现有公开技术，如中国专利申请（公开号：1842371）紫外线相应型薄膜光催化剂及其应用公开的紫外线相应型薄膜的制作方法。

图8是图1所示电子镇流器模块的结构示意图；由图8可知，电子镇流器模块73设置在跨水渠机柜7内，跨水渠机柜7为长方体形。机柜7底部设有散热底板75，该散热底板75为铝、铜或者装有煤油的箱体。电子镇流器模块73中的每一电子镇流器731均固定在散热底板75上。

散热底板75底部与多个一字排开的片状铝、铜散热体71连接，散热体71的横截面为流线形（如图9所示），其底端设置在明渠1中。

镇流器731主要部件采用控制芯片和大功率三极管及功率因素校正电路，功率因素不低于0.95。最高环境温度：50℃；输入电压：交流220V±10% 50/60Hz；输出功率：320W，50%～100%功率可调。

每个电子镇流器731能独立控制1支紫外光灯管593，提供每支紫外光灯管593的工作状况，并且把信息输送到PLC控制中心。电子镇流器731内部控制芯片可根据外部灭菌管理系统的控制信号调整镇流731器输出功率（50～100%），以正比于输入控制信号的强度输出紫外光，使紫外光投放量可以在50%至100%范围内自动作线性无级调整，实现调节紫外光灯供电量以维持足够强度之灭菌能力及最合适之用电量。

跨水渠机柜7与中央控制柜8之间联接有控制电源电缆，通过控制电源电缆将电力供应至每一镇流器，并且中央控制柜8内的PLC控制系统对镇流器731进行通断电控制，控制紫外灯消毒模块的工作状态。

PLC控制系统采用西门子、施耐德或欧姆龙产品。含A/D和D/A模块、总线监控板、PLC控制器，带液晶显示的触模式人机界面，以及消毒系统之接口接点。每个紫外灯回路可以独立地进行开断的控制。以满足使用及检修的需要。通过通信电缆以及通信电路板，可以采集每一盏灯的工作状态以及故障状态，并且显示在现场的人机界面液晶屏幕上，也可以传送至远端的中央控制室。

系统通过人机界面、A/D和D/A模块、总线监控板和PLC控制器配合，可以统计系统的整个工作（消毒）时间、检测系统电流、电压、温度、紫外灯光强，实现所有参数的监测及控制，包括开、关机紫外灯管状态监测，紫外光强监测、灯管光强自动控制、灯管运行计时、水温监测以及紫外C透射率监测，以利于操作者监控紫外消毒系统的运行。如：每支紫外光灯的工作状况在人机界面及计算机上都有独立显示：正常工作状态、故障状态和报警灯和蜂鸣报警、并同时显示该故障紫外光灯所处排架中的位置、运行时间。

PLC控制系统提供网络接口profibus－DP。通过profibus现场总线进行各种信号转换、传输到中央控制室，中控室内计算机可以在远端接受到现场所监测到的这些信号、对现场的设备工作状态进行控制。

中央控制柜8内还设有配电部分：配电柜进线设计为三相四线式，50Hz。防护等级不低于IP54或相同的级别。包含各种配电保护开关、接触器、熔断器、滤波器等。可以通过中央控制柜的人机界面以及PLC的配合对整个系统的工作状态进行手动或者自动的控制。并且对系统各个用电回路有过流、过载（空压机）、断路的保护作用。保险和接地探测线路板安装在柜内。柜内所有空气开关与配电器件均用法国施耐得低压配电元件；接线端子排均采用德国菲尼克斯单层、双层或带熔断器的弹片式笼式夹持端子，确保连接可靠性。

图10是图1所示紫外线灯管模块的左视图；图11是图1所示紫外线灯管模块的主视图。由图10结合图11可知，紫外线灯管模块5具有一不锈钢（316L不锈钢）框架，该框架由挂架51和位于挂架51底部两端的灯管支架595构成，两灯管支架595之间距离为1200 mm。

灯管支架595为方管状，采用30 *40 mm的304不锈钢方管制造，其顶部有一Y形分叉部55，分叉部55顶端与挂架51底面焊接。挂架51为中空、半包围构造，其两端部各设有一钩状挂耳512。

框架两侧面各设置有6支长1200 mm、直径27～35mm、管壁厚为2mm的石英玻璃套管510，共12支。石英玻璃套管510均采用国际熔融石英灯管套管标准，以含低OH成分的耐高温材料制造，具有高纯度、高透射率（≥90%）等优点。

石英玻璃套管510通过耐紫外线Ω型圈58固定在灯管支架595上，其两端在紫外灯挂架51两边的钢结构部分之内，且不与灯管支架595上任何钢体相接触。石英玻璃套管510的其中一端为闭口端，每个石英玻璃套管510内设有一个紫外灯管593，电路联接部分在石英玻璃套管510的另一端，并且电路联接部分上的电气附件将此端密封，石英玻璃套管510及其电气附件密封性应达到IP68等级。

所有石英玻璃套管510彼此互相平行且为均匀排列，保证在明渠1中的紫外灯管模块组5中每一点有均匀的紫外光量，以保持稳定的灭菌效果。同时在任何流量时，位置最高的石英玻璃套管510顶以上的水层厚度需维持在1.9～2.54cm之间，水不应超出这一厚度，否则紫外强度太小而不能使所有的病原体灭活。

紫外线灯管593采用中压高强紫外灯，中压高强灯发出复色光，光强高、穿透力高，波长为230～300nm。当然也可以采用低压高强紫外灯。

 为了测试本发明光催化明渠式紫外线消毒设备的灭菌消毒效果，发明人做了以下对比试验。其结果如表2所示。

表2：灭菌、消毒数据对比表

从表2可以看出：联合使用紫外线灯管模块、二氧化钛光催化模块比单独使用紫外灯管模块杀菌、消毒的能力要好得多，这证明使用本发明，只要少量的紫外线灯管就能达到明显、符合标准的杀菌、消毒效果，因此大大减少了装置的耗电量。

参见图10、图11， 自动清洗装置包括气缸52、拖动杆56、支撑环57等。其中气缸52设在挂架51的空腔511内，拖动杆56顶端与槽型滑块53底部连接，槽型滑块53的一端与气缸活塞杆521的端部连接，槽型滑块53设置在空腔511里的导轨54上，因此可以在导轨54上运行。

支撑环57采用316L不锈钢制成，且套设在石英玻璃套管510上，支撑环57外圈设有拨叉槽597，拖动杆56采用316L不锈钢制成，拖动杆56上设有多个拨叉594，拨叉594插入对应的支撑环57上的拨叉槽597内；拖动杆56内设有从拖动杆56底部一直延伸至拖动杆56顶端的通气管道560，在拖动杆56上的每一拨叉594根部的上方均设有与通气导管560连通的分气嘴59，两个通气管道560顶端出口处分别设有主气嘴564、561，主气嘴564、561分别与汽缸52上的供应气嘴522上的支气嘴562、563连接。

由图12、图13进一步可知，支撑环57内圈开有两道环绕内圈的环形槽，一道为清洗圈槽571，清洗圈571槽中镶嵌有四氟乙烯清洗圈596，清洗圈596套住石英玻璃套管510；另一道为喷气槽598，喷气槽598与贯穿支撑环57环壁的喷气槽气嘴592连接，喷气槽气嘴592上套有软管591，软管591的另一端与离该支撑环57最近的分气嘴59连接。

石英玻璃套管510被清洗的长度是整个套管。气缸52通过拖动杆56带动支撑环57往复运动，支撑环57内圈的喷气槽598内形成环形气流，环形气流向外喷射，冲击力较大，可以吹除或松动石英玻璃套管510外表面附着的污物，同时套在石英玻璃套管510外的清洗圈596进一步刷洗石英玻璃套管510外表面残留或附着牢固的污物，以确保石英玻璃套管510表面干净如新，保证紫外灯实现连续灭菌功能。

本自动清洗装置使用的空压机为功率不小于1.2kw，额定压力为0.8Mpa。气缸52选用低摩擦，高防腐等级的缸体，气缸活塞杆521选用不锈钢材料，气缸52最低运行压力为2.5kgf/cm，系统管路压力为4kg/cm－6kg/cm，压力调整可通过气体减压阀来调节。

自动清洗装置可以由PLC 自动控制或由操作人员通过人机界面（HMI）调节洗擦频率和洗擦次数。一般采用在线清洗，这样不影响消毒效果。同时，UV传感器的清洗可以与石英玻璃套管510的清洗同步进行。

Claims (10)

1.一种光催化明渠式紫外线消毒设备，包括明渠，多组紫外线灯管模块、电子镇流器模块、控制系统，所述紫外线灯管模块悬挂在明渠中，在明渠上设有维护吊车，其特征是所述任意两组紫外线灯管模块之间设有一组二氧化钛光催化模块，所述二氧化钛光催化模块包括不锈钢框架，所述框架上的两侧面均设有光催化网，两层光催化网内夹置有光催化球，所述光催化网由不锈钢网和覆盖在不锈钢网上的超细二氧化钛涂层构成，光催化球由不锈钢球和覆盖在不锈钢球上的超细二氧化钛涂层构成。

2.根据权利要求1所述的光催化明渠式紫外线消毒设备，其特征是所述不锈钢框架由边框、挂架焊接成包围结构，其中挂架设在边框顶部，挂架的两端部设有挂耳，在边框框内立面上靠近边框两外侧面处各设有一插槽，所述光催化网插在插槽内，两层光催化网之间距离为124.6～125.4mm。

3.根据权利要求2所述的光催化明渠式紫外线消毒设备，其特征是所述光催化网的顶部包裹有加强筋，光催化网网孔为正六边形，呈蜂窝形状。

4.根据权利要求1所述的光催化明渠式紫外线消毒设备，其特征是所述光催化球表面开有若干沉水孔。

5.根据权利要求1所述的光催化明渠式紫外线消毒设备，其特征是所述紫外线灯管模块包括灯管框架、自动清洗装置，其中灯管框架由挂架和位于挂架底部两端的灯管支架构成，石英玻璃套管通过Ω型圈固定在灯管支架上，石英玻璃套管内设有紫外灯管。

6.根据权利要求5所述的光催化明渠式紫外线消毒设备，其特征是所述自动清洗装置包括气缸、拖动杆、支撑环，其中气缸设在挂架的空腔内，气缸活塞杆的端部与槽型滑块连接，槽型滑块设置在空腔里的导轨上，槽型滑块底部与拖动杆顶端连接，拖动杆内设有从拖动杆底部一直延伸至拖动杆顶端的通气管道，通气管道顶端出口处设有主气嘴，主气嘴与汽缸上的供应气嘴的支气嘴连接，拖动杆上设有多个拨叉，每一拨叉根部的上方设有与通气导管连通的分气嘴；所述支撑环套设在石英玻璃套管上，其外圈设有拨叉槽，所述拨叉插入对应的支撑环上的拨叉槽内，支撑环内圈设有两道环形槽，一道为清洗圈槽，清洗圈槽中镶嵌有套住石英玻璃套管上的四氟乙烯清洗圈，另一道为喷气槽，喷气槽与贯穿支撑环壁的喷气槽气嘴连接，喷气槽气嘴上套有软管，软管的另一端与离该支撑环最近的分气嘴连接。

7.根据权利要求1所述的光催化明渠式紫外线消毒设备，其特征是所述电子镇流器设置在横跨明渠的跨水渠机柜内的散热底板上，散热底板底部与多个一字排开的片状铝、铜散热体连接，所述散热体的横截面为流线形，其底端设置在水渠中。

8.根据权利要求1或2或3所述的光催化明渠式紫外线消毒设备，其特征是所述光催化网或光催化球的制作方法包括以下步骤：

A.控制溶解温度40℃～50℃，量取5～7份钛酸四丁酯液体倒入不锈钢容器内，在恒速剧烈搅拌的情况下，将25～35 份无水乙醇滴加到钛酸四丁酯中，同时加入2～3份柠檬酸、2～3份乙二醇制成混合溶液；

B.快速移取0.3～0.7份乙酰丙酮到混合溶液中，在恒速剧烈搅拌的状态下，以0.5滴/s的速度缓慢加入去离子水1～2份，滴毕后加入0.002～0. 003份N-酰基ED3A，继续搅拌3分钟，然后用超声波振荡封1～3小时，待溶液形成白色透明溶胶，将白色透明溶胶静置陈化96小时，陈化期间需不断的过滤析出物，于是得到具有很高的分散性及稳定性的二氧化钛溶胶；

C.采用浸渍－提膜的方法将不锈钢网或不锈钢球放入二氧化钛溶胶中，温度控制在27～30℃，浸渍24小时后取出，提拉速度为2 mm／s，湿膜在50～60 ℃烘箱中烘15分钟，然后放入溶胶中进行第二次浸渍，5分钟后取出，送入烘箱中于90℃～100℃烘15 分钟，然后在马福炉中以2℃／min的速度升温至550℃，保温3 小时后取出用去离子水清洗，烘干后即得到光催化网或光催化球。

9.根据权利要求1或2或3所述的光催化明渠式紫外线消毒设备，其特征是所述光催化网或光催化球的制作方法包括以下步骤：A.取钛酸四丁酯液体5～6份与异丙醇20～26份稀释成混合溶液，在恒速剧烈搅拌的情况下，快速移取0.1 份浓盐酸加入到混合溶液中，搅拌2 分钟后，加入去离子水1～1.2份继续搅拌30min，得到浅黄色透明凝胶；

B.往透明凝胶中加入重量比为30%的P25纳米级二氧化钛粉得到二氧化钛前驱体溶液，将不锈钢网或不锈钢球放入前驱体溶液中，浸渍5小时后取出，提拉速度为2 mm／s，湿膜在80 ℃烘箱中烘15分钟，然后放入溶胶中进行第二次浸渍，5分钟后取出，送入烘箱中于100℃烘15 分钟，然后在马福炉中以2℃／min的速度升温至550℃，保温3 小时后取出用去离子水清洗，烘干后即得到光催化网或光催化球。

10.根据权利要求1所述的光催化明渠式紫外线消毒设备，其特征是所述维护吊车包括电动起重葫芦、起重横梁和行车，其中行车顶部设有跨水渠横梁、起重横梁吊挂在跨水渠横梁下方的轨道上，电动起重葫芦设置在起重横梁上，所述明渠两侧埋设有工字钢轨道梁，行车的车轮搁置在工字钢轨道梁上。

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