CN102531252A

CN102531252A - 用于水体杀菌的三维电极和光催化联用的方法和装置及应用

Info

Publication number: CN102531252A
Application number: CN2012100316999A
Authority: CN
Inventors: 安太成; 李桂英; 史慧贤; 朱锡海; 谢小玲
Original assignee: Guangzhou Institute of Geochemistry of CAS
Current assignee: Guangzhou Institute of Geochemistry of CAS
Priority date: 2012-02-13
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2032-02-13
Also published as: CN102531252B

Abstract

本发明公开了一种用于水体杀菌的三维电极和光催化联用的方法和装置及应用。该方法为首先利用三维电极电化学反应作用待处理的水体；然后在紫外光的激发下，通过光催化反应剂接着处理水体，得到杀菌后的水体。实现该方法的装置包括依次连接的三维电极电化学杀菌池和紫外光催化杀菌池；三维电极电化学杀菌池的两扇池壁上分别设置有与电源连接的阴极和阳极，池内装有三维电极填料；紫外光催化杀菌池的池壁上固定有光催化剂层，内部装有由若干支用于激发光催化剂的紫外灯。本发明通过三维电极灭菌和紫外光催化联用技术，通过施加较低的电压和紫外光催化，可高效处理含菌浓度较高的废水，能够实现一步法连续高效灭菌的效果，应用前景明朗。

Description

用于水体杀菌的三维电极和光催化联用的方法和装置及应用

技术领域

本发明涉及一种水体杀菌方法，特别涉及一种用于水体杀菌的三维电极和光催化联用的方法和装置及应用。

背景技术

水安全是人们普遍关心的问题，随着环境污染的不断加剧，水环境中不断增加的致病微生物如细菌、病毒及其它病原微生物等给人类的生命安全与健康带来了巨大的挑战。传统的处理技术有氯消毒、紫外线(UV)消毒分离技术，以各自独特的优点如经济、有效且使用方便等均能够显著降低以水作为载体的病原微生物导致的疾病爆发，在一定程度上提高了人类的健康生活水平，因此这些成熟技术目前仍然在广泛应用。但同时这些技术在使用的过程中也都具有一定的缺点，如氯气消毒会与水体中的腐殖质作用产生具有较强三致作用的副产物如卤代乙酸、三卤甲烷等；部分被紫外线杀伤的微生物可能在光复活机制下进行自我修复损伤的DNA分子，从而可以使细菌再生，因此导致紫外消毒效果并不是很彻底；另外很多病毒类病原微生物对氯和紫外均具有一定的抗性而不能有效地杀灭。因此，寻求新型、高效的杀菌消毒技术也是目前有关水处理领域的热点和核心问题。

目前，研究较多的光催化杀菌技术被认为是一种最有前途的高级氧化技术，是半导体材料在光辅助的条件下产生具有很强的氧化能力的活性氧物种，能无选择性地降解大部分有机物以及彻底杀死大多数细菌、病毒等微生物，是一种低成本的环境友好型的水处理技术。但是对于细菌浓度较高的废水，采用单独的光催化技术很难在很短的时间内使细菌完全灭活，而且光催化剂固定化及其失活等缺点制约了其进一步的工业化进程。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种用于水体杀菌的三维电极和光催化联用的方法。

本发明的另一目的在于提供实现上述用于水体杀菌的三维电极和光催化联用方法的装置。

本发明的再一目的在于提供所述装置的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种用于水体杀菌的三维电极和光催化联用的方法，具体包括以下步骤：

(1)利用三维电极电化学反应作用待处理的水体；

(2)在紫外光的激发下，通过光催化反应剂处理经步骤(1)处理后的水体，得到杀菌后的水体；

步骤(1)优选为：在曝气环境中，利用三维电极电化学反应作用待处理的水体；

步骤(1)中所述的三维电极电化学反应的条件优选为：阴极和阳极之间的电压为10～60V；三维电极填料为活性炭或铁屑中的一种或两种；

所述的三维电极填料优选为质量百分比10～100％的铁屑与质量百分比0～90％的粒状活性炭配制形成的混合物；

步骤(1)中所述的三维电极电化学反应的条件更优选为：在待处理的水体中加入电解质；电解质的添加有利于提高电化学反应的效率；

所述的电解质优选为氯化钠或氯化钾中的一种或两种；

所述的电解质的终浓度优选为加入电解质后的水体中电解质的浓度为1～50mg/L；

步骤(1)中所述的三维电极电化学反应的条件更优选为：使用变频电源，变频参数优选为0～15次/min(阳极和阴极互换次数)；

步骤(2)所述的光催化剂为固定在反应器的器壁上，优选通过以下步骤进行固定：在器壁上先涂一层羧甲基纤维素钠稀溶液(浓度1wt％)，再将光催化剂溶液(浓度10wt％)均匀喷涂在羧甲基纤维素钠表面上，然后在红外灯下烘干即可；

步骤(2)中所述的光催化反应剂优选为TiO₂或ZnO；

步骤(1)中所述的待处理的水体的杀菌时间优选为总共0.5～10min；

实现上述用于水体杀菌的三维电极和光催化联用方法的装置，包括依次连接的三维电极电化学杀菌池和紫外光催化杀菌池；三维电极电化学杀菌池的两扇池壁上分别设置有与电源连接的阴极和阳极，池内装有三维电极填料；紫外光催化杀菌池的池壁上固定有光催化剂层，内部装有由若干支用于激发光催化剂的紫外灯；

为了实现水体连续流过式处理，所述的装置优选为包括依次连接的三维电极电化学杀菌池、导流槽和紫外光催化杀菌池；三维电极电化学杀菌池的一扇池壁的底部设置有入水口，远离入水口的另一扇池壁与导流槽连接，其低于其他三扇池壁；与导流槽连接的紫外光催化杀菌池的池壁A底部设有进水口，紫外光催化杀菌池中远离该进水口的池壁低于其他三扇池壁；待处理水体由三维电极电化学杀菌池的底部进入三维电极电化学杀菌池，一边流入一边被电解处理，当水位到达三维电极电化学杀菌池最矮的池壁高度时，溢流进入导流槽，通过紫外光催化杀菌池的下部进水口进入紫外光催化杀菌池，一边流入一边被光催化处理，当水位到达紫外光催化杀菌池最矮的池壁高度时，溢流出水，得到处理后的水体，从而实现连续流过式处理；

所述的三维电极电化学杀菌池还含有曝气管，曝气管优选设置于三维电极电化学杀菌池的底部；曝气管的设置有利于提高电解杀菌的效率；

所述的三维电极电化学杀菌池还含有与入水口连接的水泵；水泵的设置可以调节待处理水体进入三维电极电化学杀菌池的流速；

所述的阳极优选为石墨阳极；

所述的阴极优选为石墨阴极；

所述的电源优选为变频电源；

所述的光催化剂优选为TiO₂或ZnO；

所述的光催化剂层优选设置在相对的两扇池壁上；

所述的紫外灯优选设置在紫外光催化杀菌池的中部，与光催化剂层为平行排列关系；

所述的池壁A优选为悬空设置，从而水体可由池壁A的底部均匀进入紫外光催化杀菌池。

所述的装置的应用，包括以下步骤：

(1)开启三维电极电化学杀菌池的电源，设置电压；

(2)开启紫外光催化杀菌池的控制紫外灯的电源；

(3)调节水泵，控制待处理的水体进入三维电极电化学杀菌池的流速即可；

所述的装置的应用，优选包括以下步骤：

(1)开启三维电极电化学杀菌池的电源，设置电压和变频参数；

(2)开启紫外光催化杀菌池的控制紫外灯的电源；

(3)调节水泵，控制待处理的水体进入三维电极电化学杀菌池的流速；

(4)往三维电极电化学杀菌池加入电解质即可；

步骤(1)所述的电压优选为10～60V；

步骤(1)所述的变频参数为0～15次/min；

步骤(3)中所述的水泵的调节为根据待处理的水体经过三维电极电化学杀菌池和紫外光催化杀菌池的时间为0.5～10min进行调节；

步骤(4)中所述的电解质待处理的水体中的终浓度优选为1～50mg/L。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明通过三维电极和紫外光催化联用灭菌技术，通过施加较低的电压和紫外光催化，可高效处理含菌浓度较高的废水，能够实现一步法连续高效灭菌的效果。

(2)本发明在电解槽中加入三维电极填料，可增加对废水中菌种的吸附和截留，提高菌种和电解质的接触面积，大大提高了灭菌效率。

(3)本发明在废水消毒杀菌处理方法中，通过加入一定浓度的电解质如NaCl来有效提高电化学技术原位产生高效杀菌剂，可以有效提高细菌的杀灭效率。

(4)本发明采用固定化技术在紫外光催化灭菌池两壁固定有TiO₂、ZnO薄膜作为光催化剂，有效提高杀菌效率的同时，可减少光催化剂的流失，从而节约成本。

(5)本发明专利三维电极电化学灭菌池采用变频电源使电化学灭菌池阴极和阳极相互变换，有效提高电化学效率，有利于高浓度细菌的一步法杀灭。

附图说明

图1是实施例1中用于水体杀菌的三维电极和光催化联用的装置的结构示意图，其中：1-曝气管，2-入水口，3-水泵，4-壳体，5-石墨阴极，6-三维电极填料，7-电源，8-紫外灯电源，9-溢流板，10-溢流板，11-光催化剂层，12-石墨阳极，13-紫外灭菌灯，14-废水出口，15-导流槽，16-紫外光催化灭菌池，17-导流槽，18-三维电极电化学灭菌池。

图2是通过水体中细菌数量随杀菌时间的变化图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种用于水体杀菌的三维电极和光催化联用的装置，如图1所示：包含依次连接的三维电极电化学杀菌池18、三维电极电化学灭菌池和紫外光催化灭菌池之间的导流槽17和紫外光催化杀菌池16；三维电极电化学杀菌池18和紫外光催化杀菌池16的壳体4的材质为硬质塑料，其体积可根据废水的处理量及其中细菌的浓度的高低进行调节；三维电极电化学杀菌池18的底部设置有多个曝气管道1和入水口2，入水口2可与用于调节水体进入三维电极电化学杀菌池18速度的水泵3连接；在三维电极电化学杀菌池18的相对的两扇池壁上分别装有石墨阴极5和石墨阳极12，石墨阴极5和石墨阳极12分别与电源7的负极和正极连接；在三维电极电化学杀菌池18中填装由质量比10～100％的铁屑和质量比0～90％的活性碳颗粒组成的三维电极填料6；紫外光催化杀菌池16为10厘米宽的长方形槽型反应池，在该长方形槽型反应池的中部布有若干支与紫外灯电源8连接的紫外灭菌灯13，相对的两扇池壁上固定有光催化剂层11，紫外光灭菌灯13与光催化剂层11为平行排布关系，紫外光灭菌灯用于激发光催化剂发挥作用；与三维电极电化学灭菌池和紫外光催化灭菌池之间的导流槽17连接的三维电极电化学杀菌池溢流板9低于其他3扇池壁，高于石墨阴极5和石墨阳极12的上端；与三维电极电化学灭菌池和紫外光催化灭菌池之间的导流槽17连接的紫外光催化杀菌池16的池壁底部设置进水口(该池壁为悬空结构最佳)，从而保证从三维电极电化学杀菌池18进入的含菌废水经过电解处理后，溢流进入三维电极电化学灭菌池和紫外光催化灭菌池之间的导流槽17，再从紫外光催化杀菌池16的底部进入紫外光催化杀菌池16中，经紫外光催化杀菌后，废水从紫外光催化灭菌池溢流板10流入到紫外光催化灭菌池与出水口的导流槽15中，最后从废水出口14流出。

其中，光催化剂通过如下步骤固定在紫外光催化杀菌池的内池壁上：在器壁上涂一层羧甲基纤维素钠稀溶液(浓度1wt％)，再将光催化剂(TiO₂或ZnO)溶液(浓度10wt％)均匀喷在羧甲基纤维素钠表面上，然后在红外灯下烘干即可。

待处理的含菌废水由入水口2经水泵3注入三维电极电化学杀菌池18中，由曝气管道1向池中曝气；开启电源7并根据需要调节电压大小，同时开启紫外灯电源8进行连续杀菌实验。当含菌废水在三维电极电化学杀菌池18中处理一定时间后其水面高度到达三维电极电化学杀菌池溢流板9的顶端时，经电解处理的废水将溢流至三维电极电化学灭菌池和紫外光催化灭菌池之间的导流槽17中，由三维电极电化学灭菌池和紫外光催化灭菌池之间的导流槽17底部进入紫外光催化杀菌池16，在紫外光催化杀菌池16中继续灭菌一定时间后，废水从紫外光催化灭菌池溢流板10流入到紫外光催化灭菌池与出水口的导流槽15中，最后从废水出口14流出，接收试样做残留菌种测试。

实施例2

使用实施例1所述的装置对含菌废水进行处理，其中所用的三维电极填料为铁屑和活性炭颗粒按质量比1∶9混合得到的物料(使三维电极电化学灭菌池填充率为60％)，光催化剂层为TiO₂薄膜。

将待处理的含菌废水通过水泵注入三维电极电化学反应池18中，启动空气压缩机通过曝气管进行曝气，接通电源7向石墨阴极5和石墨阳极12施加10V电压，加入NaCl电解质使废水的电解质浓度为50mg/L。打开紫外灯(紫外灯的总共功率250W)进行连续杀菌实验。当废水在三维电极电化学反应池18和紫外光催化反应池16中处理3.5min后，实验结果表明，在上述条件下，初始细菌数为7×10⁴cfu/mL废水中的细菌全部灭活，灭菌效率为100％。

实施例3

使用实施例1所述的装置对含菌废水进行处理，其中所用的三维电极填料为铁屑和活性炭颗粒按质量比5∶5混合得到的物料(使三维电极电化学灭菌池填充率为30％)，光催化剂层为ZnO薄膜。

将待处理的含菌废水通过水泵注入三维电极电化学反应池18中，启动空气压缩机通过曝气管进行曝气，接通电源7向石墨阴极5和石墨阳极12施加10V电压，变频3次/min，加入KCl电解质使得水体的电解质浓度为15mg/L的。打开紫外灯(紫外灯的总共功率250W)进行连续杀菌实验。当废水在三维电极电化学反应池18和紫外光催化反应池16中处理0.5min后，实验结果如图2所示，在上述条件下，初始细菌数为6×10⁵cfu/mL废水中的细菌全部灭活，灭菌效率为100％。

实施例4

使用实施例1所述的装置对含菌废水进行处理，其中所用的三维电极填料为铁屑(使三维电极电化学灭菌池填充率为80％)，光催化剂层为ZnO薄膜。

将待处理的含菌废水通过水泵注入三维电极电化学反应池18中，启动空气压缩机通过曝气管进行曝气，接通电源7向石墨阴极5和石墨阳极12施加50V电压，变频15次/min，加入KCl电解质，使得水体中电解质浓度为10mg/L。打开紫外灯(紫外灯的总共功率是250W)进行连续杀菌实验。当废水在三维电极电化学反应池18和紫外光催化反应池16中处理1min后，实验结果表明，在上述条件下，初始细菌数为4×10⁵cfu/mL废水中的细菌全部灭活，灭菌效率为100％。

对比例1：使用实施示例1所述装置对含菌废水进行处理，不同之处是光催化剂不是固定在紫外光催化灭菌池两内壁上，而是以颗粒状分散在紫外光催化灭菌池底部。

将待处理的含菌废水通过水泵注入三维电极电化学灭菌池18中，启动空气压缩机通过曝气管进行曝气，接通电源7向石墨阴极5和石墨阳极12施加50V电压，变频15次/min，加入KCl电解质，使得水体中电解质浓度为10mg/L。打开紫外灯(紫外灯的总共功率是250W)进行连续杀菌实验。当废水在三维电极电化学反应池18和紫外光催化反应池16中处理2min后，实验结果表明，在上述条件下，初始细菌数为4×10⁵cfu/mL废水中的细菌效率为80％。

对比例2：使用实施示例1所述装置中三维电极电化学灭菌池单独对含菌废水进行处理，将待处理的含菌废水通过水泵注入三维电极电化学灭菌池18中，启动空气压缩机通过曝气管进行曝气，接通电源7向石墨阴极5和石墨阳极12施加50V电压，变频15次/min，加入KCl电解质，使得水体中电解质浓度为10mg/L。当废水在三维电极电化学反应池18中处理3min后，实验结果表明，在上述条件下，初始细菌数为4×10⁵cfu/mL废水中的细菌效率为70％。

对比例3：使用实施示例1所述装置中紫外光灭菌池单独对含菌废水进行处理，将待处理的含菌废水直接注入紫外光催化灭菌池16中，光催化剂层为TiO₂薄膜，打开紫外灯(紫外灯的总共功率是250W)进行杀菌实验。当废水在紫外光催化反应池16中处理2min后，实验结果表明，在上述条件下，初始细菌数为4×10⁵cfu/mL废水中的细菌效率为60％。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于水体杀菌的三维电极和光催化联用的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)利用三维电极电化学反应作用待处理的水体；

(2)在紫外光的激发下，通过光催化反应剂处理经步骤(1)处理后的水体，得到杀菌后的水体。

2.根据权利要求1所述的用于水体杀菌的三维电极和光催化联用的方法，其特征在于：步骤(1)为：在曝气环境中，利用三维电极电化学反应作用待处理的水体；

步骤(2)所述的光催化剂为通过以下步骤固定在反应器的壁上：在器壁上涂一层羧甲基纤维素钠稀溶液，再将光催化剂溶液粉末均匀喷在羧甲基纤维素钠表面上，然后在红外灯下烘干即可。

3.根据权利要求2所述的用于水体杀菌的三维电极和光催化联用的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的三维电极电化学反应的条件为：使用变频电源；阴极和阳极之间的电压为10～60V；三维电极填料为活性炭或铁屑中的一种或两种；在待处理的水体中加入电解质；

步骤(2)中所述的光催化反应剂为TiO₂或ZnO。

4.根据权利要求3所述的用于水体杀菌的三维电极和光催化联用的方法，其特征在于：所述变频电源的变频参数为0～15次/min；

所述的三维电极填料为质量百分比10～100％的铁屑与质量百分比0～90％的粒状活性炭配制形成的混合物；

所述的电解质为氯化钠或氯化钾中的一种或两种；

所述的电解质的终浓度为1～50mg/L。

5.根据权利要求1所述的用于水体杀菌的三维电极和光催化联用的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的待处理的水体的杀菌时间为总共0.5～10min。

6.实现权利要求1～5任一项所述用于水体杀菌的三维电极和光催化联用的方法的装置，其特征在于：包括依次连接的三维电极电化学杀菌池和紫外光催化杀菌池；三维电极电化学杀菌池的两扇池壁上分别设置有与电源连接的阴极和阳极，池内装有三维电极填料；紫外光催化杀菌池的池壁上固定有光催化剂层，内部装有由若干支用于激发光催化剂的紫外灯。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：包括依次连接的三维电极电化学杀菌池、导流槽和紫外光催化杀菌池；三维电极电化学杀菌池的一扇池壁的底部设置有入水口，远离入水口的另一扇池壁与导流槽连接，其低于其他三扇池壁；与导流槽连接的紫外光催化杀菌池的池壁A底部设有进水口，紫外光催化杀菌池中远离该进水口的池壁低于其他三扇池壁。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述的三维电极电化学杀菌池还含有曝气管和与入水口连接的水泵；曝气管设置于三维电极电化学杀菌池的底部；

所述的阳极为石墨阳极；

所述的阴极为石墨阴极；

所述的电源为变频电源；

所述的光催化剂为TiO₂或ZnO；

所述的光催化剂层固定在相对的两扇池壁上；

所述的紫外灯设置在紫外光催化杀菌池的中部，与光催化剂层为平行排列关系；

所述的池壁A为悬空设置。

9.权利要求8所述的装置的应用，其特征在于包括以下步骤：

(2)开启紫外光催化杀菌池的控制紫外灯的电源；

(3)调节水泵，控制待杀菌水体进入三维电极电化学杀菌池的流速；

(4)在三维电极电化学杀菌池加入电解质。

10.根据权利要求9所述的装置的应用，其特征在于：

步骤(1)所述的电压为10～60V；

步骤(1)所述的变频参数为0～15次/min；

步骤(3)中所述的水泵的调节为根据水体经过三维电极电化学杀菌池和紫外光催化杀菌池的时间为0.5～10min进行调节；

步骤(4)中所述的电解质在水体中的终浓度为1～50mg/L。