CN103101991A - 一种浸没式光电催化反应装置 - Google Patents

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郑益群
邱丽娟
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Abstract

本发明涉及一种用于杀菌除藻净化水质的装置，尤其涉及一种浸没式光电催化反应装置。该光电催化反应装置包括多根光电催化管，光电催化管分别与出水管和进水管相连。本发明由独立的光电催化管构成，根据不同的水体面积和水质情况制成拥有不同数量的光电催化管的不同大小的反应装置，管数是可调节设定的，可为4根、8根等（4n，n>=1）。本发明采用TiO2制成薄膜，克服了克服纳米粉体不易与水体分离的缺点，经大量工程实践证明，本发明虽然结构简单，但是处理效果好，操作简单，且无二次污染，对于富营养化水体的除藻十分有效。本发明的该反应装置具有结构紧凑，占地面积小，能耗少，不用添加任何化学药剂，运行费用低、处理量大。

Description

一种浸没式光电催化反应装置
技术领域
本发明涉及一种用于杀菌除藻净化水质的装置，尤其涉及一种浸没式光电催化反应装置。
背景技术
光电催化反应装置是利用光催化反应的原理进行杀菌除草、水质净化的装置。光催化是指在光的照射下，纳米半导体材料促进化合物分解或合成的过程，其中TiO2以其催化活性高、稳定性好、对人体无毒害、连续光照能持续保持活性等优点而成为光催化的研究焦点。TiO2光催化性能几乎对所有的有机污染物都具有净化能力。美国环保局公布的114种有机污染物在光照下用TiO2作催化剂均可以逐步降解，最终完全氧化为CO2、H2O以及无毒的无机物。但是，由于在光电催化反应中使用的TiO2粉末在悬浮体系中易于凝聚，分离回收比较困难且易中毒，不利于催化剂的再生，这是以TiO2为基础的光催化方法难以走向大规模应用的主要原因之一。
发明内容
针对以上不足，本发明提供一种结构简单、使用方便、催化剂与水可分离的浸没式光电催化反应装置。
本发明通过以下方案达到上述目的：
一种浸没式光电催化反应装置，包括多根光电催化管，光电催化管分别与出水管和进水管相连。
优选的，上述光电催化管由管体及管体内的紫外灯和TiO2薄膜构成。
优选的，上述紫外灯为发射发射波长为380nm的紫外灯。优选的，上述TiO2薄膜为锐钛矿型TiO2薄膜。
在一个具体的实施例中，上述光电催化管为4根。
在另一个具体的实施例中，上所述光电催化管为8根。
锐钛矿型TiO2属于一种n型半导体材料，它的禁带宽度为3.2ev（锐钛矿），当它受到波长小于或等于387.5nm的紫外光照射时，价带的电子就会获得光子的能量而越前至导带，形成光生电子（e-），而价带中则相应地形成光生空穴(h+)。由于半导体能带的不连续性，电子和空穴的寿命较长，它们能够在电场作用下或通过扩散的方式运动，与吸附在半导体催化剂粒子表面上的物质发生氧化还原反应，或者被表面晶格缺陷俘获。空穴和电子在催化剂粒子内部或表面也可能直接复合。空穴能够同吸附在催化剂粒子表面的OH或H2O发生作用生成HO·。HO·是一种活性很高的粒子，能够无选择地氧化多种有机物并使之矿化，通常认为是光催化反应体系中主要的氧化剂。光生电子也能够与O2发生作用生成HO2·和O2-·等活性氧类，这些活性氧自由基也能参与氧化还原反应。该过程可用如下反应式表示：
Figure 2013100489329100002DEST_PATH_IMAGE002
HO·能与电子给体作用，将之氧化，矿能够与电子受体作用将之还原，同时h+也能够直接与有机物作用将之氧化：
Figure 2013100489329100002DEST_PATH_IMAGE004
对于锐钛矿相TiO2，其吸收阈值为387nm。光吸收阈值λg越小，半导体的禁带宽度Eg越大，则对应产生的光生电子和空穴的氧化-还原电极电势越高。空穴的电势大于3.0eV，比高锰酸根、氯气、臭氧甚至比氟气的电极电势还高，具有很强的氧化性。研究发现，纳米TiO2能氧化多种有机物，由于其氧化能力很强，能把有机物最终氧化为二氧化碳和水等无机小分子。
本发明的浸没式光电催化反应装置采用锐钛矿型TiO2薄膜为光敏材料，采用波长λ=380nm左右的近紫外光照射，由于紫外光的催化作用，使锐钛矿相TiO2激发，具有很强的氧化还原电位，导致细菌和藻类细胞壁或者活性酶发生蛋白质变性，并改变水体中有机污染物的分子特性，使得有机污染物变得更加容易分解。污染水体中的有机物随即被氧化，最终得到无机小分子产物如二氧化碳和水等，达到杀菌除藻、净化水质的目的。
本发明浸没式光电催化反应装置具有三大功能：
1）  除藻：通过光电反应杀死藻类，尤其是蓝绿藻等丝状藻类，提高水体氧化还原定位，沉淀水体中N、P，抑制藻类生长，把浮游藻转化成附生藻，少量的附生藻对水体是有帮助的；
2）  杀菌：通过水体中微生物的作用，杀灭水体中的致病菌，达到水质净化的目的；
3）  净水：除去水体中生化无法处理的难降解有机物，消解双键化合物。
本发明由独立的光电催化管构成，根据不同的水体面积和水质情况制成拥有不同数量的光电催化管的不同大小的反应装置，管数是可调节设定的，可为4根、8根等（4n，n>=1）。本发明采用TiO2制成薄膜，克服了克服纳米粉体不易与水体分离的缺点，经大量工程实践证明，本发明虽然结构简单，但是处理效果好，操作简单，且无二次污染，对于富营养化水体的除藻十分有效。本发明的该反应装置具有结构紧凑，占地面积小，能耗少，不用添加任何化学药剂，运行费用低、处理量大。
附图说明
图1为本发明实施例的立体结构示意图。
其中，1-光电催化管，2-进水管，3-出水管，4-紫外灯，5- TiO2薄膜。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示的浸没式光电催化反应装置，包括4根光电催化管1，每根光电催化管1分别与出水管2和进水管3相连，光电催化管为圆柱形，光电催化管的管体内的设置有紫外灯4和钛矿型TiO2薄膜5构成，紫外灯可发射出发射波长为380nm左右的紫外光。 
使用时，将该光电催化反应装置浸没于河底，水从进水管进入光电催化管，经紫外灯发出的紫外光和TiO2薄膜的协同催化反应作用净化后，再从出水管排出。
以上所述，仅为本发明的较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种浸没式光电催化反应装置，其特征在于，包括多根光电催化管（1），所述光电催化管（1）分别与出水管（3）和进水管（2）相连。
2.如权利要求1所述的一种浸没式光电催化反应装置，其特征在于，所述光电催化管（1）由管体及管体内的紫外灯（4）和TiO2薄膜（5）构成。
3.如权利要求1所述的一种浸没式光电催化反应装置，其特征在于，所述紫外灯（4）为发射发射波长为380nm的紫外灯。
4.如权利要求1所述的一种浸没式光电催化反应装置，其特征在于，所述TiO2薄膜（5）为锐钛矿型TiO2薄膜。
5.如权利要求1所述的一种浸没式光电催化反应装置，其特征在于，所述光电催化管（1）为4根。
6.如权利要求1所述的一种浸没式光电催化反应装置，其特征在于，所述光电催化管（1）为8根。
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