CN103232090A - 一种超声波协助光催化处理水的装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种超声波协助光催化处理水的装置。包括水处理装置外壳、水处理腔（2）、紫外灯（3）、超声波组件（4）、光催化金属网（5）、环形石英玻璃隔板（6）、控制面板（7），水处理腔（2）置于水处理装置外壳（1）内，紫外灯（3）安装于水处理腔（2）内，超声波组件（4）安装于水处理腔（2）的腔体与外壳（1）之间，环形石英玻璃（7）安装于水处理腔（2）的腔体内，光催化金属网（5）安装于相邻环形石英玻璃隔板（6）间，控制面板（7）安装在外壳（1）上，紫外灯（3）及超声波组件（4）与控制面板（7）电连接。本发明将超声波与光催化技术结合起来处理水，光催化的降解作用和超声波的空化作用合二为一，能发挥二者的协同效应，达到了节能高效的目的。

Description

一种超声波协助光催化处理水的装置

技术领域

本发明是一种使用超声波协助光催化的处理冷却水的装置，属于水处理装置的创新技术。

背景技术

水资源短缺以及水污染带来的环境污染问题使得世界各国加大了对冷却水等工业用水的循环利用和水装置产品化的推进力度。工业循环冷却水占工业用水的80%以上，冷却循环水在使用过程中，随着时间的推移，水质将逐渐恶化。如果不进行水质处理，将在热交换器的壁上沉积生成活动污垢，使得热交换效果降低，而对循环水进行化学处理则可提高水的利用率及其循环浓缩倍数，减少排污。所以对循环冷却水实行循环利用，具有显著的环境效益、经济效益和社会效益。利用超声波空化作用的水处理装置以及利用紫外线光催化作用的水处理装置都可以净化冷却水，减少杂质，这对减少工业对水资源的过度依赖，平衡水资源需求都具有重大意义。利用超声波协助光催化的水处理装置受到各国政府、企业、大学等机构研究者的关注，成为水处理装置产业化过程的最关键技术之一。

目前，对于进一步提高水处理装置的处理效果、寿命，以及降低成本等问题各国均做了大量研究。水处理装置的内部处理结构和对冷却水的处理方法是水处理技术中的关键，不仅影响到水质的化学性能，还决定水处理装置的制造成本。目前市场上主流是利用单一技术原理（即单一的超声波技术和光催化技术）制造水处理装置，超声波的空化作用在冷却水中形成无数微小的超高压冲击压，它随超声波的辐射在冷却水中不断交替产生，从而破坏了冷却水中各种成垢物质的自然积垢环境；光催化作用产生形成的电子和空穴迁移到半导体表面，空穴具有很强的氧化能力，能将表面吸附的污染物直接或间接地氧化成H2O、C02及其它小分子无机物质，从而降低废水中COD的含量，达到处理废水的目的。以上两种技术只能适用于冷却水数量较少的时候，特别是对于水输出需求相对较低的小型用户。但是对于水处理效果要求更高、寿命要求更长的水处理装置来讲，显然利用单一技术不能满足对于水处理量较大的用户。利用超声波协助光催化技术处理冷却水，发挥二者的协同作用，乃是大势所趋，具有无可替代的除杂效果。

市场上有少量的利用两种技术处理冷却水，不过普遍存在水池里装置内部结构简单，没有充分挖掘水体流动空间的优势，水处理效果低下，水处理装置寿命较短，功率调节不理想等问题。由于存在以上问题，大幅度改进水处理装置内部结构，技术条件以及水处理方法，显得十分迫切和必要。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种设计合理，方便实用的超声波协助光催化处理水的装置。本发明的超声波协助光催化处理水的装置能有效提高冷却水的处理效率，降低杂质含量，减少水处理步骤，加强处理冷却水的效果。本发明制作简便，生产效率高，不仅缩短处理冷却水制造周期，大大降低能量消耗，且节约处理冷却水的生产成本。

本发明的超声波协助光催化处理水的装置，包括水处理装置外壳、水处理腔、紫外灯、超声波组件、光催化金属网、环形石英玻璃隔板、控制面板，水处理腔置于水处理装置外壳内，紫外灯安装于水处理腔内，超声波组件安装于水处理腔的腔体与外壳之间，环形石英玻璃安装于水处理腔的腔体内，光催化金属网安装于相邻环形石英玻璃隔板之间，控制面板安装在外壳上，紫外灯及超声波组件与控制面板电连接。  

上述水处理腔安装在水处理装置外壳内，水处理装置外壳由上顶盖和环形不锈钢箱体构成，水处理腔采用圆柱形空壳结构，水处理装置外壳的上顶盖为翻盖结构，水处理腔的顶部设有供紫外灯穿过的通孔，水处理腔的下端面装设有穿过水处理装置外壳的进水管，水处理腔的侧壁装设有穿过水处理装置外壳的两个出水管，水处理腔的内部使用石英玻璃隔板将圆柱形腔体空间分隔成若干环形柱体空间。

本发明的水处理流动结构是由环形隔板上下错位水体流动结构和光催化金属网环形螺旋上升结构组成，环形隔板将腔内空间分为若干层环形柱体空间，水体经过每一层环形柱体空间都会与在该层的金属网光催化载体发生接触，最大限度地增大水体的流通路程和与催化剂的接触面积。由于隔板是由石英玻璃制成的，所以腔体内的若干支紫外灯发出的紫外线全都会透过石英玻璃，隔板催化降解冷却水，此外，超声波组件工作所产生的超声波具有空化作用，光催化的降解作用和超声波的空化作用合二为一，能发挥二者的协同效应，极大地提高了去除冷却水中杂质的效果，达到了高效节能的目的。本发明的超声波协助光催化处理水的装置能有效提高冷却水的处理效率，降低杂质含量，减少水处理步骤，加强处理冷却水的效果。本发明不仅缩短处理冷却水制造周期，大大降低能量消耗，且节约处理冷却水的生产成本。本发明是一种将超声波与光催化技术结合起来处理冷却水的水处理装置，设计合理，方便实用，制作简便，生产效率高。

附图说明

图1是本发明水处理装置的三维图。

图2是本发明水处理装置的剖面图。

图3是本发明水处理装置中控制面板的示意图。

图4是本发明水处理装置的俯视图。

具体实施方式：

本发明的超声波协助光催化处理水的装置，包括水处理装置外壳、水处理腔2、紫外灯3、超声波组件4、光催化金属网5、环形石英玻璃隔板6、控制面板7，水处理腔2置于水处理装置外壳1内，紫外灯3安装于水处理腔2内，超声波组件4安装于水处理腔2的腔体与外壳1之间，环形石英玻璃7安装于水处理腔2的腔体内，光催化金属网5安装于相邻环形石英玻璃隔板6之间，控制面板7安装在外壳1上，紫外灯3及超声波组件4与控制面板7电连接。  

上述水处理装置外壳1使用钢材制成，其与水处理腔2焊接在一起。水处理装置外壳1可自由拆卸安装。

上述水处理腔2安装在水处理装置外壳1内，水处理装置外壳1由上顶盖11和环形不锈钢箱体构成，水处理腔2采用圆柱形空壳结构，水处理装置外壳1的上顶盖11为翻盖结构，可以打开，以方便安装水处理腔2，水处理装置工作前要对上述上顶盖11进行密封处理，保证水处理腔完全密封。水处理腔2的顶部设有可供紫外灯3穿过的通孔，水处理腔2的下端面装设有穿过水处理装置外壳1的进水管8，水处理腔2的侧壁装设有穿过水处理装置外壳1的两个出水管9，水处理腔2的内部使用石英玻璃隔板6将圆柱形腔体空间分隔成若干环形柱体空间。

上述水处理腔2的下端面中心处装设有穿过水处理装置外壳1的进水管8，水处理腔2的侧壁在距离底面六分之一处装设有穿过水处理装置外壳1的两个出水管9。

上述紫外灯3沿竖直方向穿过水处理腔2顶部所设的插孔插装在水处理腔2的腔体内；水处理腔2顶部所设的插孔的数量根据紫外灯3的数量确定；本实施例中，上述紫外灯3设有5～8根，其中水处理腔2的腔体中心处安装有一支紫外灯3，其他紫外灯3分布在水处理腔2内。上述紫外灯3的功率为5W-50W,波长为254nm。 

本实施例中，上述超声波组件4安装于水处理腔2的腔体与水处理装置外壳1之间，超声波组件4与控制面板7电连接，超声波组件4的功率直接由控制面板7调节。

上述超声波组件4中超声波发生器可为小功率超声波发生器，或高频超声波发生器，或大功能超声波发生器，或数字显示超声波发生器等。

上述超声波组件4中的超声波发生器为频率可调超声波发生器，其功率为0～3000瓦，频率为20KHZ～40KHZ，输出功率为10%～100%，以适应不同冷却水处理的要求。

   上述光催化金属网5是负载TiO2金属网，或是负载ZnO 金属网，或是负载SnO2金属网，或负载ZrO2金属网。

上述光催化金属网5采用环形螺旋上升结构，其镶嵌在任意两相邻石英玻璃隔板6之间，呈螺旋上升状，此结构迫使待冷却水通过螺旋状的光催化金属网5，最大限度地增大冷却水与金属网光催化载体的接触面积，充分发挥催化反应的效果。为保证装置的水处理效果，要求光催化金属网5获得均匀的声强，根据从水处理腔2出水口流出来的水体的水质情况，对输入功率进行适当调整。

上述环形石英玻璃隔板6是用石英玻璃制成，石英玻璃耐高温，化学热稳定性好，它可以透过远紫外光谱，是所有透紫外材料最优者。环形石英玻璃隔板6上下错位交替安装于水处理腔2的腔体内，由腔体内壁逐渐逼近腔体中心，此结构将腔内空间分为若干层环形柱体空间，冷却水经过每一层环形柱体空间都会与在该层的金属网光催化载体发生接触，可以最大限度地加长冷却水的流通路程。

   上述控制面板7装在水处理装置外壳1上，控制面板7上设有若干按钮，旋钮和指示灯，本实施例中，控制面板7设有4个按钮，一个旋钮和指示灯，4个按钮分别为控制整套装置启动和停机的电源开关按钮71、暂停按钮72、超声波组件的开关按钮73、超声波组件功率的调节旋钮74，一个按钮是超声波组件工作频率的调节旋钮75，此外，可以根据实际安装紫外灯3的数量布置紫外灯的开关按钮76的个数，电源灯77用于指示装置电源是否接通，接通显示绿色。

上述进水管8和出水管9均用不锈钢材料制成，进水管8的数量为一个，穿过装置外壳1安装在水处理腔2下端面的中心处，利用重力减缓进水的速度。出水管9的数量为两个，穿过装置外壳1安装在靠近水处理腔2外表面端约六分之一处。

上述水处理装置外壳1的底部还设有底座支撑脚12，底座支撑脚12用不锈钢制成，采用三角形支撑结构，稳定地支撑起整个水处理装置，该底座支撑脚可供拆卸。

上述紫外灯3的屏蔽电缆穿过水处理腔2和水处理装置外壳1，连接紫外灯3的管接线插座和控制面板7，控制面板7与外部电源相接。

本发明飞水处理流程是：在线水处理时，该装置的运行是根据装置的出水口的水体水质进行调节控制的。首先按下电源开关按钮71，电源灯77变绿后根据实际需要按下控制面板7上的紫外灯开关按钮76，使全部紫外灯3发光，然后按下控制面板7上的超声波组件4的开关按钮73，旋转超声波组件功率的调节旋钮74和超声波组件工作频率的调节旋钮75，控制超声波组件4将220V、50Hz的交流电经过滤波、整流、电源激励波形控制等部分产生所需的功率信号，经实现电、机、声的转换而发出超声波。超声波的输出功率可根据不同的工况需求而进行调节。超声波组件4产生的超声波机械振动透过水处理腔2的腔壁进入水处理腔2内部进行水处理，在水体中形成直线辐射传播的超声波束，以连续不断的方式传播，在其过程中，会产生无数微小气泡并形成负压，而这些气泡又在正压时破裂，瞬间使微小区域内产生几十至上千个大气压，能打开结合力强的化学键，并促进水相高温分解或自由基反应，极大地增强光催化处理水的效果。当装置运行了一段时间后，按下控制面板7上的暂停按钮72，停机，人工检测已处理的冷却水，根据水质情况调节超声波组件功率，重新按下暂停按钮72，接通工作电源，继续进行水处理，直到冷却水处理完毕后将超声波组件功率调节旋钮74旋转到0，按下相应数量的紫外灯开关按钮76，关掉紫外灯3，再按下电源开关按钮71，电源灯77熄灭，停机，等待下一次冷却水处理。

本发明是一种将超声波与光催化技术结合起来处理冷却水的水处理装置，其中光催化作用产生的光生载流子发生分离形成电子和空穴迁移到半导体表面，空穴具有很强的氧化能力，能将表面吸附的污染物直接或间接地氧化成H2O、C02及其它小分子无机物质，从而降低废水中COD的含量，达到处理废水的目的。

 本发明的超声波空化效应是指液体中的微小气核在超声波的作用下被激活，形成空穴，一些空化泡将进入持续振荡，而另一些空化泡将完全崩溃。空化泡崩溃的极短时间内，在周围的极小空间产生1900K到5200K的高温和超过50MPa的高压，并伴有强烈的冲击波和时速高达400km／h的射流。这些条件足以打开结合力强的化学键，并促进水相燃烧、高温分解或自由基反应。

    光催化和超声波联合处理废水，除了发挥各自的除杂作用外，二者还有协同作用。超声波的物理机械效应清洗催化剂表面，使其保持较多的活性位，同时加快有机物向催化剂表面的传质；超声空化泡压缩产生局部高温高压，在O2的条件下水分解会生成·OH、·O、·H自由基，提高了自由基的浓度，从而加速了有机物的降解；超声波辐射产生声波的传递会直接加强光子对化学键的振动，加快了相关基团的断裂速度，从而加快了其对污染物的分解速率。

Claims (10)

1.一种超声波协助光催化处理水的装置，其特征在于包括水处理装置外壳、水处理腔（2）、紫外灯（3）、超声波组件（4）、光催化金属网（5）、环形石英玻璃隔板（6）、控制面板（7），水处理腔（2）置于水处理装置外壳（1）内，紫外灯（3）安装于水处理腔（2）内，超声波组件（4）安装于水处理腔（2）的腔体与外壳（1）之间，环形石英玻璃（7）安装于水处理腔（2）的腔体内，光催化金属网（5）安装于相邻环形石英玻璃隔板（6）间，控制面板（7）安装在外壳（1）上，紫外灯（3）及超声波组件（4）与控制面板（7）电连接。

2.根据权利要求1所述的超声波协助光催化处理水的装置，其特征在于上述水处理腔（2）安装在水处理装置外壳（1）内，水处理装置外壳（1）由上顶盖和环形不锈钢箱体构成，水处理腔（2）采用圆柱形空壳结构，水处理装置外壳（1）的上顶盖为翻盖结构，水处理腔（2）的顶部设有供紫外灯（3）穿过的通孔，水处理腔（2）的下端面装设有穿过水处理装置外壳（1）的进水管（8），水处理腔（2）的侧壁装设有穿过水处理装置外壳（1）的两个出水管（9），水处理腔（2）的内部使用石英玻璃隔板（6）将圆柱形腔体空间分隔成若干环形柱体空间。

3.根据权利要求1所述的超声波协助光催化处理水的装置，其特征在于上述水处理腔（2）的下端面中心处装设有穿过水处理装置外壳（1）的进水管（8），水处理腔（2）的侧壁在距离底面六分之一处装设有穿过水处理装置外壳（1）的两个出水管（9）。

4.根据权利要求3所述的超声波协助光催化处理水的装置，其特征在于上述水处理装置外壳（1）使用钢材制成，其与水处理腔（2）焊接在一起;上述进水管（8）和出水管（9）均用不锈钢材料制成，进水管（8）的数量为一个，穿过水处理装置外壳（1）安装在水处理腔（2）下端面的中心处，出水管（9）的数量为两个，穿过水处理装置外壳（1）的外壁安装在距离水处理腔（2）底面的六分之一处。

5.根据权利要求1所述的超声波协助光催化处理水的装置，其特征在于上述紫外灯（3）设有5～8根，其中水处理腔（2）的腔体中心处安装有一支紫外灯（3），其他紫外灯（3）分布在水处理腔（2）内；上述紫外灯（3）的功率为5W-50W,波长为254nm。

6.根据权利要求1至5任一项所述的超声波协助光催化处理水的装置，其特征在于上述超声波组件（4）中的超声波发生器为小功率超声波发生器，或高频超声波发生器，或大功能超声波发生器，或数字显示超声波发生器；上述超声波组件（4）中的超声波发生器为频率可调的超声波发生器，其功率为0～3000瓦，频率为20KHZ～40KHZ，输出功率为10%～100%。

7.根据权利要求6所述的超声波协助光催化处理水的装置，其特征在于上述光催化金属网（5）是负载TiO2金属网，或是负载ZnO 金属网，或是负载SnO2金属网，或负载ZrO2金属网。

8.根据权利要求7所述的超声波协助光催化处理水的装置，其特征在于上述光催化金属网（5）采用环形螺旋上升结构，其镶嵌在任意两相邻石英玻璃隔板（6）间，呈螺旋上升状。

9.根据权利要求8所述的超声波协助光催化处理水的装置，其特征在于上述环形石英玻璃隔板（6）是用石英玻璃制成，环形石英玻璃隔板（6）上下错位交替安装于水处理腔（2）的腔体内，将腔内空间分为若干层环形柱体空间。

10.根据权利要求9所述的超声波协助光催化处理水的装置，其特征在于上述控制面板（7）装在水处理装置外壳（1）上，控制面板（7）上设有4个按钮，一个旋钮和指示灯，4个按钮分别为控制整套装置启动和停机的电源开关按钮（71）、暂停按钮（72）、超声波组件的开关按钮（73）、超声波组件功率的调节旋钮（74），一个按钮是超声波组件工作频率的调节旋钮（75），指示灯为用于指示装置电源是否接通的电源灯（77）；控制面板（7）上还设有控制紫外灯的开关按钮（76）；上述水处理装置外壳（1）的底部还设有底座支撑脚（12），底座支撑脚（12）用不锈钢制成，采用三角形支撑结构。

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