CN102120220A - 一种光催化金属网的超声波清洗装置及其清洗方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种光催化金属网的超声波清洗装置及其清洗方法。本发明的超声波清洗装置包括超声波清洗池、超声波换能器、电加热丝、磁力转动装置、机械转动装置、金属网支撑架，超声波换能器安装在超声波清洗池四周的池壁上，并密封在超声波清洗池四周的池壁内，电加热丝安装在超声波清洗池所设中空腔体底部的内侧，磁力转动装置安装在超声波清洗池所设中空腔体底部的外侧，金属网支撑架安装在超声波清洗池所设中空腔体内，并与机械转动装置连接。本发明的超声波清洗装置对受污染的光催化金属网进行清洗，剥离去除金属网表面的污染物，从而提高光催化剂的效率，使得光催化金属网得以循环利用，达到节约、高效的目。本发明的光催化金属网的超声波清洗装置的清洗方法方便实用。
Description
技术领域
本发明是一种光催化金属网的超声波清洗装置及其清洗方法，属于光催化金属网的超声波清洗装置及其清洗方法的改造技术。
背景技术
随着光催化氧化技术在水处理行业中的广泛应用，负载TiO2等光催化剂的基体材料光催化性能的失活问题，已日益引起人们的关注。反应物分子吸附于催化剂表面是光催化反应发生的重要前提。但污染物或水中的杂质吸附在光催化剂表面，尤其当水中有机物含量较高而形成的污垢膜、微生物生长形成的生物膜吸附在光催化剂表面时，势必会影响催化剂表面电荷与载流子的迁移速率，从而影响光催化反应进行，降低光催化剂活性，缩短光催化剂寿命。因此，光催化核心材料——负载光催化剂的金属网的清洗就显得尤为必要。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种对受污染的光催化金属网进行清洗，剥离去除金属网表面的污染物，从而提高光催化剂的效率，使得光催化金属网得以循环利用，达到节约、高效的目的光催化金属网的超声波清洗装置。本发明设计合理，为光催化技术具体的工程应用提供了保障。
本发明的另一目的在于提供一种方便实用的光催化金属网的超声波清洗装置的清洗方法。
本发明的技术方案是：本发明的光催化金属网的超声波清洗装置，包括有超声波清洗池、超声波换能器、电加热丝、控制面板、磁力转动装置、机械转动装置、金属网支撑架，其中超声波换能器安装在超声波清洗池四周的池壁上，并密封在超声波清洗池四周的池壁内，电加热丝安装在超声波清洗池所设中空腔体底部的内侧，磁力转动装置安装在超声波清洗池所设中空腔体底部的外侧，金属网支撑架安装在超声波清洗池所设中空腔体内，并与机械转动装置连接，超声波换能器、磁力转动装置、机械转动装置均与控制面板上的控制装置连接。
上述超声波清洗池所设中空腔体内还安装有实时监控清洗液的pH值和温度的pH探针及温度探针，且pH探针固定在超声波清洗池池壁上，温度探针固定在超声波清洗池内所设的安装板上，pH探针及温度探针的信号输出端与控制面板上的控制装置连接。
上述控制面板通过螺母固定于超声波清洗池上。
上述磁力转动装置安装在超声波清洗池所设中空腔体底部外侧的几何中心位置上，并与超声波清洗池固定结合成一体。
上述机械转动装置包括有固定平台、固定杆、转动马达、转动杆，超声波清洗池及固定杆固定在固定平台上，转动马达固定在呈倒L形的固定杆的尾端，转动马达与转动杆连接，金属网支撑架固定在转动杆上。
上述转动杆上设有卡缘或卡槽，金属网支撑架上相应设有卡槽或卡缘，转动杆与金属网支撑架之间通过彼此所设的卡缘及卡槽卡装在一起。
上述金属网支撑架包括有直通圆管及金属网架，金属网架固定在直通圆管的外圆面上。
上述金属网支撑架包括有4～8片金属网架，4～8片金属网架对称固定在直通圆管的外圆面上。
上述金属网支撑架上所设的金属网架是负载TiO2金属网，或负载ZnO金属网，或负载SnO2金属网，或负载ZrO2金属网。
本发明的光催化金属网的超声波清洗装置的清洗方法，其特征在于包括如下步骤：
1）去油：在40～50℃的温度条件下将受污染的三维金属网浸泡在1%～30%的NaOH溶液中3～10min，去除表面的油脂；
2）酸洗：将水洗后的三维金属网，浸入1%～30%H2SO4中，并不断转动，浸泡3～10 min，将表面存在的杂质覆盖物及金属的氧化物去除；
3）超声波及清洗液组合清洗：配制1%～30%的乳酸清洗液，加入超声波清洗池中，并浸入三维金属网，清洗10～30min；或将水洗后的三维金属网，浸入2.0%～3.0%的柠檬酸溶液中，用氨水调节pH值至3.0～4.0，加入超声波清洗池中，并浸入三维金属网，清洗10～30min；
4）烘干：用干燥箱将水洗后的金属网烘干；
5）检验：检验清洗后金属网的光催化效率；
6）备用：经检验，合格品，进入循环系统再次利用；不合格品，回收重新负载TiO2，然后进入循环系统重新利用。
本发明由于采用一种基于气穴原理的超声波清洗原理，并与化学清洗方法相结合的光催化金属网的清洗方装置，由于基于气穴原理的超声波清洗方法具有物理和化学两种清洗功能：利用产生的冲击波剥离去除清洗物表面附着的污染物的物理清洗功能，以及通过超声波所产生的自由基（·OH）分解去除有机污渍的化学清洗功能。超声波清洗具有快速、干净、高效等特点，因此，本发明能剥离、去除光催化金属网表面的无机污染物，特别是泥沙、水垢等，有机污染物或微生物碎片等其它物质。保证光催化金属网表面清洁，从而提高光催化剂的效率，使得光催化金属网得以循环利用，达到节约、高效的目的，为光催化技术具体的工程应用提供了保障。本发明在一定波长的光照下，可发挥更大的光催化效率。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的光催化金属网的超声波清洗装置及其清洗方法。
附图说明
图1为本发明光催化金属网的超声波清洗装置的结构简图；
图2 为本发明光催化金属网的超声波清洗装置的三维实体简图；
图3为本发明光催化金属网的超声波清洗装置中金属网支撑架的简图；
图4为本发明光催化金属网的超声波清洗装置的清洗方法的流程图。
图中：超声波清洗池外壳 1；超声波换能器 2；电加热丝 3；控制面板 4；磁力转动装置 5；机械转动装置 6；固定平台 61；固定杆 62；转动杆 63；转动马达 7；金属网支撑架 8；直通圆管 81；金属网架 82；pH探针 9；温度探针 10。
具体实施方式
实施例：
本发明的结构示意图如图1、2、3所示，本发明的光催化金属网的超声波清洗装置，包括有超声波清洗池1、超声波换能器2、电加热丝3、控制面板4、磁力转动装置5、机械转动装置6、金属网支撑架8，其中超声波换能器2安装在超声波清洗池1四周的池壁上，并密封在超声波清洗池1四周的池壁内，电加热丝3安装在超声波清洗池1所设中空腔体底部的内侧，磁力转动装置5安装在超声波清洗池1所设中空腔体底部的外侧，金属网支撑架8安装在超声波清洗池1所设中空腔体内，并与机械转动装置6连接，超声波换能器2、磁力转动装置5、机械转动装置6均与控制面板4上的控制装置连接。
上述超声波清洗池1所设中空腔体内还安装有实时监控清洗液的pH值和温度的pH探针9及温度探针10，且pH探针9固定在超声波清洗池1的池壁上，温度探针10固定在超声波清洗池1内所设的安装板上，pH探针9及温度探针10的信号输出端与控制面板4上的控制装置连接。
上述控制面板4通过螺母固定于超声波清洗池1上。
上述磁力转动装置5安装在超声波清洗池1所设中空腔体底部外侧的几何中心位置上，并与超声波清洗池1固定结合成一体。
上述机械转动装置6包括有固定平台61、固定杆62、转动马达7、转动杆63，超声波清洗池1及固定杆62固定在固定平台61上，转动马达7 固定在呈倒L形的固定杆62的尾端，转动马达7与转动杆63连接，金属网支撑架8固定在转动杆63上。
上述转动杆63上设有卡缘或卡槽，金属网支撑架8上相应设有卡槽或卡缘，转动杆63与金属网支撑架8之间通过彼此所设的卡缘及卡槽卡装在一起。
上述金属网支撑架8包括有直通圆管81及金属网架82，金属网架82固定在直通圆管81的外圆面上。
上述金属网支撑架8包括有4～8片金属网架82，4～8片金属网架82对称固定在直通圆管81的外圆面上。
上述金属网支撑架8上所设的金属网架82是负载TiO2金属网，或负载ZnO金属网，或负载SnO2金属网，或负载ZrO2金属网。
本实施例中，超声波清洗池1的外壳应选用耐腐蚀性的不锈钢或者其它材料制成。超声波换能器2的频率选用28KHz～100KHz，功率选用40～120W，根据实际清洗要求，选用不同数量、不同功率和频率的超声波换能器2。
本实施例中，电加热丝3安装固定于超声波清洗池1的底部。因超声波清洗在30～60℃温度范围内具有最佳的清洗效果，且化学清洗液具有一定的腐蚀性，电加热丝3需安装于清洗池底部不锈钢板内。接线端采用焊接以及其他密封技术进行密封，电线通过外壳内部，与控制面板4相连。通过控制面板4里面的集成芯片控制，并通过温度探针10监测清洗液的温度，若温度超过30～60℃范围，智能控制芯片自动开启或关闭加热功能，同时，禁止电加热丝3的空烧，以免损坏。
本实施例中，磁力转动装置5安装于超声波清洗装置底部的外层，如图1 所示。根据清洗条件的需要，可安装不同功率的磁力转动装置5。磁力转动装置5安装于不锈钢清洗池底部正中，与超声波清洗池1结合成一体。为了保证清洗效果，磁力转动装置5的功率、转速需根据实际条件选用。接线通过外壳内部与控制面板4相连，调节控制面板4上相应的控制按钮，就能改变磁力转动装置5的转速。
本实施例中，机械转动装置6中的转动马达7固定于倒L形不锈钢固定杆62的尾端。所有的连接，均采用焊接工艺，以确保机械转动装置6与不锈钢超声波清洗池1外壳焊接牢固，防止转动马达7在不断的震动中歪斜、松动。转动马达7上连接的转动杆63为不锈钢转动杆，转动杆63上预设一“十字”形卡件，与金属网支撑架8上的“十字”槽相互固定。开启开关，转动马达7开始旋转，并带动金属网支撑架8转动。
本实施例中，金属网支撑架8中间是一直通圆管81，直通圆管（81）周围焊接金属网架82。金属网架82根据实际工程条件的区别，可以焊接或采用其它方式连接，安装不同数量的金属网框，在保证清洗效果的前提下，可安装4～8片的金属网架（82）。金属网架（82）材料由耐腐蚀的不锈钢材料制成，其结构如图3所示。将需要清洗的金属网，直接放入大小合适的金属网架82，然后将其与转动马达7上的带十字形的杆件固定。安放于装有清洗液的超声波清洗池1内，开启开关即可进行清洗。
本实施例中，pH探针9以及温度探针10分别与底部预留的接头相连，控制线通过外壳内部与控制面板4相连。通过预设的芯片程序控制，将实时的pH值，以及温度值显示在控制面板4上。
本发明根据清洗池的大小，确定磁力转动装置5的功率及转速。通过控制面板4上的控制按钮，可调节磁力转动装置5的转速、清洗液的温度。根据需清洗的金属网的大小、形状及数量的不同，调整清洗装置内部的金属网支撑架8。与机械转动装置6固定成一个整体的金属网支撑架8，保证其转动方向与磁力转动装置5转动方向相反。运动方向相反的流体流动，在光催化金属网表面形成相互摩擦，及时去除待清洗物体上的污染物，或者其它吸附物。
在水处理过程中，光催化金属网由于其所处理的水质不同，形成的污染差别很大。清洗液的成份，可根据镍网失活原因的不同而调整。清洗主要流程如图4所示，本发明的光催化金属网的超声波清洗装置的清洗方法，其包括如下步骤：
1）去油：在40～50℃的温度条件下将受污染的三维镍网浸泡在1%～30%的NaOH溶液中3～10min，去除表面的油脂；
2）酸洗：将水洗后的三维镍网，浸入1%～30%H2SO4中，并不断转动，浸泡3～10 min，将表面存在的杂质覆盖物及镍的氧化物去除；
3）超声波及清洗液组合清洗：配制1%～30%的乳酸清洗液，加入超声波清洗池中，并浸入三维镍网，清洗10～30min；或将水洗后的三维镍网，浸入2.0%～3.0%的柠檬酸溶液中，用氨水调节pH值至3.0～4.0，加入超声波清洗池中，并浸入三维镍网，清洗10～30min；
4）烘干：用干燥箱将水洗后的镍网烘干；
5）检验：检验清洗后镍网的光催化效率；
6）备用：经检验，合格品，进入循环系统再次利用；不合格品，回收重新负载TiO2，然后进入循环系统重新利用。
上述清洗步骤为标准清洗步骤，根据特定的水质，可以加入其它清洗处理措施。上述步骤中各清洗措施的作用为：
（1） 去油：光催化金属网，由于污水中微生物的吸附及污水的侵蚀，容易在金属网表面形成氧化膜，影响后续清洗效果。将光催化金属网浸入NaOH溶液中3～10min，去除表面油层。
（2） 酸洗：硫酸的酸性在氧化层以及污染物清洗过程中，起着重要的作用。因浓度较高的浓硫酸表现出极强的氧化性，会造成金属网腐蚀，所以此清洗时间5～10min为最佳。
（3）超声波以及清洗液组合清洗：此过程在整个流程中，起主导作用。主要目的是清除酸洗过程中未清洗去除的污染物。同时，对光催化金属网中的各个网孔，进行系统的清洗，彻底去除吸附在光催化金属网表面的残留污染物。
（4）水洗：清洗去油、酸洗及超声波清洗液组合清洗过程中残留的碱液、酸液等。
清洗液的配方，根据光催化金属网的实际应用工程条件而调整，确保受污染的光催化金属网的清洗效果能达到最佳。清洗液可以是有机弱酸，如乳酸、柠檬酸、甲酸、丙酮酸、葡萄糖酸、醋酸、草酸、苯甲酸、山梨酸、苹果酸等；或有机溶剂，如乙醇、汽油等，特别用于溶解某些有机污染物。根据实际工程情况的不同，可适当添加其它去垢剂等清洗剂。其中用乳酸和柠檬酸做清洗剂的清洗过程如下：
(1). 去油：1%～30%的NaOH，酸洗：1%～30%的H2SO4，超声波与清洗液组合清洗：1.0%～30%的乳酸，并用适量OP乳化剂。
(2). 去油：1%～30%的NaOH，酸洗：1%～30%的H2SO4，超声波与清洗液组合清洗：2.0%～3.0%的柠檬酸，用氨水调节pH值至3.0～4.0。
具体清洗实例：
本清洗实例是采用超声波清洗装置按照上述清洗工艺流程清洗受污染的负载TiO2光催化剂的金属镍网，但此超声波清洗装置，不仅仅限于光催化镍网，亦适合清洗其它负载光催化剂的金属网和载体。
选用在实际工程条件下受污染的光催化镍网，吸附在镍网基体表面的污染物完全遮掩了TiO2微粒，已无法看清负载TiO2的三维镍网基体。吸附在光催化金属镍网表面的污染物，完全遮挡了紫外线辐射到TiO2微粒表面。因此，在紫外光无法穿透厚厚的污染层时，此光催化金属镍网就完全丧失了光催化活性。
为更明确地说明污染物的组成成分，对此三维镍网进行能谱分析，元素结果如表1所示。在表1中，C、O元素，分别高达21.57%、48.52%，并含有许多杂质元素，如Ca、Si、Fe、S、Mg等。Ca、S、Si的百分比含量分别为8.10%、4.58%、3.20%，考虑到实际工程应用条件，可知，此杂质以CaCO3为主，以及其它有机污染物为辅。
表1失活镍网表面各元素重量含量
| 元素 | 重量百分比 | 元素 | 重量百分比 |
| C | 21.57 | P | 0.61 |
| O | 48.52 | S | 4.58 |
| Na | 0.97 | K | 0.63 |
| Mg | 0.56 | Ca | 8.10 |
| Al | 0.99 | Fe | 3.80 |
| Si | 3.20 | Ni | 5.94 |
采用超声波和清洗液组合清洗受污染的光催化镍网，清洗后，对比出清洗前后的效果。金属镍网表面的污染物及吸附物，已经被完全清洗去除。光催化金属镍网表面负载的TiO2微粒，清晰可见。因此采用此超声波清洗装置，配合化学清洗液，剥离光催化金属镍网表面吸附的污染物，具有显著的效果。
镍网清洗后各元素重量百分含量如表2所示：
表2 镍网清洗后各元素重量百分含量
| 元素 | 重量百分比 |
| C | 3.52 |
| O | 1.74 |
| Ti | 0.35 |
| Ni | 94.39 |
由表2可看出，经过超声波清洗后的镍网表面主要含有Ni、O、Ti、C这几种元素，其中，C元素可能是由于真空测量室中微量有机物污染所致，或有机前驱体在热处理过程中没有完全燃烧造成，Ni元素为金属泡沫基底材料的贡献。与超声波清洗前的镍网表面元素进行比较，已经未能检出Ca、Si、Fe、S等元素，由此说明镍网污垢已基本去除。
Claims (10)
1.一种光催化金属网的超声波清洗装置，其特征在于包括有超声波清洗池（1）、超声波换能器（2）、电加热丝（3）、控制面板（4）、磁力转动装置（5）、机械转动装置（6）、金属网支撑架（8），其中超声波换能器（2）安装在超声波清洗池（1）四周的池壁上，并密封在超声波清洗池（1）四周的池壁内，电加热丝（3）安装在超声波清洗池（1）所设中空腔体底部的内侧，磁力转动装置（5）安装在超声波清洗池（1）所设中空腔体底部的外侧，金属网支撑架（8）安装在超声波清洗池（1）所设中空腔体内，并与机械转动装置（6）连接，超声波换能器（2）、磁力转动装置（5）、机械转动装置（6）均与控制面板（4）上的控制装置连接。
2.根据权利要求1所述的光催化金属网的超声波清洗装置，其特征在于上述超声波清洗池（1）所设中空腔体内还安装有实时监控清洗液的pH值和温度的pH探针（9）及温度探针（10），且pH探针（9）固定在超声波清洗池（1）的池壁上，温度探针（10）固定在超声波清洗池（1）内所设的安装板上，pH探针（9）及温度探针（10）的信号输出端与控制面板（4）上的控制装置连接。
3.根据权利要求1所述的光催化金属网的超声波清洗装置，其特征在于上述控制面板（4）通过螺母固定于超声波清洗池（1）上。
4.根据权利要求1所述的光催化金属网的超声波清洗装置，其特征在于上述磁力转动装置（5）安装在超声波清洗池（1）所设中空腔体底部外侧的几何中心位置上，并与超声波清洗池（1）固定结合成一体。
5.根据权利要求1所述的光催化金属网的超声波清洗装置，其特征在于上述机械转动装置（6）包括有固定平台（61）、固定杆（62）、转动马达（7）、转动杆（63），超声波清洗池（1）及固定杆（62）固定在固定平台（61）上，转动马达（7） 固定在呈倒L形的固定杆（62）的尾端，转动马达（7） 与转动杆（63）连接，金属网支撑架（8）固定在转动杆（63）上。
6.根据权利要求1所述的光催化金属网的超声波清洗装置，其特征在于上述转动杆（63）上设有卡缘或卡槽，金属网支撑架（8）上相应设有卡槽或卡缘，转动杆（63）与金属网支撑架（8）之间通过彼此所设的卡缘及卡槽卡装在一起。
7.根据权利要求1所述的光催化金属网的超声波清洗装置，其特征在于上述金属网支撑架（8）包括有直通圆管（81）及金属网架（82），金属网架（82）固定在直通圆管（81）的外圆面上。
8.根据权利要求1所述的光催化金属网的超声波清洗装置，其特征在于上述金属网支撑架（8）包括有4～8片金属网架（82），4～8片金属网架（82）对称固定在直通圆管（81）的外圆面上。
9.根据权利要求1所述的光催化金属网的超声波清洗装置，其特征在于上述金属网支撑架（8）上所设的金属网架（82）是负载TiO2金属网，或负载ZnO金属网，或负载SnO2金属网，或负载ZrO2金属网。
10.一种根据权利要求1所述的光催化金属网的超声波清洗装置的清洗方法，其特征在于包括如下步骤：
1）去油：在40～50℃的温度条件下将受污染的三维金属网浸泡在1%～30%的NaOH溶液中3～10min，去除表面的油脂；
2）酸洗：将水洗后的三维金属网，浸入1%～30%H2SO4中，并不断转动，浸泡3～10 min，将表面存在的杂质覆盖物及金属的氧化物去除；
3）超声波及清洗液组合清洗：配制1%～30%的乳酸清洗液，加入超声波清洗池中，并浸入三维金属网，清洗10～30min；或将水洗后的三维金属网，浸入2.0%～3.0%的柠檬酸溶液中，用氨水调节pH值至3.0～4.0，加入超声波清洗池中，并浸入三维金属网，清洗10～30min；
4）烘干：用干燥箱将水洗后的金属网烘干；
5）检验：检验清洗后金属网的光催化效率；
6）备用：经检验，合格品，进入循环系统再次利用；不合格品，回收重新负载TiO2，然后进入循环系统重新利用。
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