CN103754982A

CN103754982A - 一种光催化水处理消毒设备

Info

Publication number: CN103754982A
Application number: CN201410003174.3A
Authority: CN
Inventors: 全燮; 宋亮; 于洪涛; 陈硕
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2014-01-04
Filing date: 2014-01-04
Publication date: 2014-04-30

Abstract

本发明公开了一种光催化水处理消毒设备，属于环境工程中的水污染控制领域。该设备包括紫外线消毒器、进水泵、液体流量计、控制阀以及流量调节阀；其中，控制阀的两端分别与原水管路和进水泵的吸口连接，进水泵的出水口连接流量调节阀，流量调节阀连接液体流量计，液体流量计连接紫外线消毒器；在所述的紫外线消毒器中添加负载光催化剂的载体，该载体为独立部件，与紫外线消毒器规格匹配，便于安装与拆卸。本发明利用光催化技术彻底杀死水体中微生物，抑制紫外线消毒工艺出水中微生物复活现象，并能够降解水体中的有机污染物。这种光催化水处理消毒工艺具有潜在的实际应用价值，并对探索光催化在水处理消毒领域的实际应用途径具有指导意义。

Description

一种光催化水处理消毒设备

技术领域

本发明属于环境工程中的水污染控制领域，涉及到一种光催化技术结合紫外线消毒工艺进行光催化水处理消毒设备。

背景技术

在各类供水系统以及城镇污水处理系统中，消毒都是保证水质安全的必备工艺。紫外线消毒技术在实际水体消毒处理中应用广泛，但是由于紫外线消毒的原理是改变微生物的DNA结构，使其丧失繁殖能力，不能彻底杀死微生物，因此紫外线消毒的出水常有微生物复活现象，存在安全隐患。为了解决上述紫外线消毒过程中的一系列问题，人们研究了光催化氧化技术在水处理消毒领域的作用以及效果。光催化技术被认为是当今最具发展前景的新技术之一。光催化技术用于水体消毒过程的原理是，利用光子诱导产生的强氧化性空穴或与水反应生成的羟基自由基分解破坏菌类等微生物的细胞壁或细胞膜结构，使细胞质流出，流出的细胞质以及遗传物质经光催化作用后也都被氧化分解，最终导致微生物的死亡。运用光催化技术对水体进行消毒的优势在于，光催化氧化技术环境友好，无二次污染，能够氧化分解绝大多数污染物。

在光催化消毒领域中，光催化剂的形式，目前主要分为两种：悬浮型光催化剂以及负载型光催化剂。在实际应用中，悬浮型的光催化剂催化活性更高，与水体中的微生物接触更充分，因此消毒效果比较好；但缺点是催化剂回收困难，并且不适用于连续反应方式。而负载型光催化剂的优势在于解决了悬浮式光催化剂回收困难的问题。但其主要问题是，与水体中微生物接触不充分，催化活性不高。此外，光催化剂负载的机械强度不够，易导致催化剂从载体脱落，造成催化剂流失甚至污染水质等问题。

实际水体中含有多种有害微生物，人们针对水体中的一些有害病菌及病毒，分别研究了光催化对水体中隐孢子虫，绿脓杆菌，选择性食源致病菌，噬菌体，植物病原体，胶囊状的胞外聚合物物质，大肠杆菌，诺瓦克病毒等微生物的去除作用。光催化消毒技术对于水体中微生物具有广谱消毒性，但是目前的研究进展都是停留在固定反应器、小处理量阶段，没有针对实际的流动态水体进行实验研究。

从上述可以看出，人们从催化剂的形式，催化剂针对不同微生物等方面开展了相关研究。虽然从各个角度论证了光催化用于水体消毒的原理以及消毒效果，但是现有技术普遍停留在间歇处理阶段。因此，这种“静态”反应方法不适用于连续流动水体消毒处理，距离实际应用还有很大一段距离。此外，粉末状催化剂的回收困难以及负载型光催化复合材料机械强度不够导致的催化剂脱落等问题也抑制了光催化消毒技术的实用化。并且针对水体中含有的有机污染物，单独的紫外线技术不能够将其去除。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是在紫外线消毒工艺上添加具有光催化功能的部件，制造光催化水处理消毒设备。本发明利用光催化氧化技术消毒原理，抑制紫外线消毒工艺出水中微生物的复活现象，并能够去除水体中的有机污染物。

一种光催化水处理消毒设备，技术方案是：

该设备包括紫外线消毒器、进水泵、液体流量计、控制阀以及流量调节阀；其中，控制阀的两端分别与原水管路和进水泵的吸口连接，进水泵的出水口连接流量调节阀，流量调节阀连接液体流量计，液体流量计连接紫外线消毒器；紫外灯位于紫外线消毒器内部中间，灯外套有石英套管；在所述的紫外线消毒器中添加负载光催化剂的载体，该负载光催化剂的载体为独立部件，其规格与紫外线消毒器匹配，可独立安装和拆卸，这种添加光催化载体的紫外线消毒器即为光催化水处理消毒器。

负载光催化剂的载体为板状结构或螺旋式片状结构；将负载光催化剂的板状结构载体或螺旋式片状结构载体置于紫外线消毒设备中；紫外灯位于光催化水处理消毒器腔体中间，由石英套管保护；在紫外灯石英套管与光催化水处理消毒器腔体内壁之间设置负载光催化剂的板状结构载体或螺旋式片状结构载体。

在紫外线消毒器中添加负载光催化剂的载体，在紫外消毒作用进行的同时，光催化作用产生的强氧化性空穴或羟基自由基·OH(典型光催化剂TiO₂空穴的标准电极电位为3.0V，·OH自由基的标准电极电位为2.8V，是除氟以外最强的氧化物种)分解破坏菌类等微生物的细胞壁或细胞膜结构，使细胞质流出，流出的细胞质以及遗传物质经光催化作用后继续被氧化分解，最终导致微生物的彻底死亡，抑制了微生物的复活现象。同时，水体中的有机污染物与载体表面光催化剂产生的高氧化性空穴或羟基自由基·OH接触，进而被氧化分解。

针对不同的进水水质情况以及水质排放标准，在光催化水处理消毒器中，紫外灯管数量可根据实际处理需求进行增加，此外多个光催化水处理消毒器可根据实际情况采取串联或者并联方式连接。

本发明有益效果是：将光催化氧化技术耦合到紫外线消毒工艺中，利用光催化技术彻底杀死水体中微生物，其抑制紫外线消毒工艺出水中微生物复活现象，并能够降解水体中的有机污染物。这种光催化水处理消毒工艺具有潜在的实际应用价值，并对探索光催化在水处理消毒领域的实际应用途径具有指导意义。

附图说明

图1为光催化水处理消毒设备工艺流程图。

图2为板状结构载体/圆柱筒式光催化水处理消毒器结构示意图。

图3为板状结构载体/圆柱筒式光催化水处理消毒器内部左视图。

图4为螺旋式光催化水处理消毒器结构示意图。

图5为螺旋式片状结构载体放大示意图。

图中：1原水池；2进水泵；3液体流量计；4光催化水处理消毒器进水口；

5光催化水处理消毒器出水口；6光催化水处理消毒器外壳；7控制阀；

8流量调节阀a；9流量调节阀b；10圆柱筒结构催化剂载体；

11板状结构载体结构光催化水处理消毒器进水口；

12板状结构载体结构光催化水处理消毒器出水口；

13密封法兰、卡扣或螺纹旋盖；14负载光催化剂的板状结构载体；

15紫外灯管；16石英套管；17板状结构载体光催化水处理消毒器支架；

18圆柱筒结构催化剂载体；19负载光催化剂的板状结构载体；

20紫外灯石英套管；21板状结构载体/圆柱筒式光催化水处理消毒器外壳；

22螺旋式光催化水处理消毒器外壳；23螺旋式光催化水处理消毒器进水口；

24螺旋式光催化水处理消毒器出水口；25密封法兰、卡扣或螺纹旋盖；

26螺旋式光催化水处理消毒器支架；

27螺旋式片状结构载体外径边缘密封胶垫；28催化剂负载层；

29螺旋式片状结构载体；30紫外灯管；31石英套管；

32螺旋式片状结构载体外径边缘密封胶垫；33催化剂负载层；

34螺旋式片状结构载体。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图进一步说明本发明的实施例。

实施例1：板状结构载体负载光催化剂

负载光催化剂的板状结构载体以石英套管为中心辐射分布，并固定在框架上；螺旋式片状结构载体以石英套管为轴横向螺旋均匀分布，对其外径边缘进行密封；最后，用法兰盘、卡扣或者带有螺纹的旋盖对光催化水处理消毒器的腔体进行密封处理。其中，光催化水处理消毒器的外径为25mm-2000mm，装置腔体外壳材料为不锈钢、玻璃钢、聚四氟乙烯或PVC。

光催化水处理消毒设备的运行方式，针对单灯管光催化水处理消毒设备中的板状结构载体和螺旋式片状结构载体光催化水处理消毒器，装置运行流程如图1所示，原水经控制阀流经进水泵，通过流量调节阀控制流量，之后经过液体流量计进入光催化水处理消毒器进水口，流经光催化水处理消毒器后由出水口排出。经过流量调节阀的水流回原水。

负载光催化剂的载体为板状结构载体，这种结构的光催化水处理消毒器主要由圆柱筒结构催化剂载体，紫外灯及石英套管，板状结构载体组成。紫外灯功率为11W-1000W，灯管长度为12cm-150cm，灯管在光催化水处理消毒器腔体中间，依靠装置右端螺纹固定，紫外灯靠石英套管隔离水体，石英套管的透光率在90%以上。紧贴设备腔体内壁，嵌入圆柱筒结构催化剂载体，表面负载光催化剂，其可以接受紫外灯发出的垂直光源。在紫外灯石英套管与环形筒状催化剂载体结构之间，围绕紫外灯石英套管辐射分布2-80片板状结构载体催化剂载体，每片厚度为0.1mm-5mm，板状结构载体固定在催化剂载体的刚性框架上，最后装置腔体左侧用法兰盘、卡扣或者带有螺纹的旋盖密封。设备运行时，水体从进水口进入，经过腔体时，与负载光催化剂的板状结构载体以及环形筒状结构充分接触，之后由出水口排出。

实施例2：螺旋式片状结构载体负载光催化剂

负载光催化剂的载体为螺旋式片状结构载体，这种结构的光催化水处理消毒器内部包括螺旋式片状结构载体催化剂载体、紫外灯、石英套管、螺旋式片状结构载体外径边缘密封胶垫。紫外灯功率为11W-1000W，灯管长度为18cm-150cm，灯管在光催化水处理消毒器腔体中间，依靠装置右端螺纹固定，紫外灯靠石英套管隔离水体，石英套管的透光率在90%以上。在石英套管与装置腔体内壁之间，填入螺旋式片状结构载体催化剂载体，这种螺旋式片状结构载体催化剂载体横向延伸，螺旋单元个数为2-100个，螺旋式片状结构载体与石英管的夹角为5°-85°。螺旋式片状结构载体表面负载光催化剂，接收紫外光照射。在螺旋式片状结构载体外径边缘，固定胶垫，其作用是使螺旋结构外径边缘与装置内壁紧贴，水体按照螺旋路径流动，延长了水流路径，并且使水体搅拌，充分接触螺旋式片状结构载体表面的光催化剂。最后装置腔体左侧用法兰盘、卡扣或者带有螺纹的旋盖密封。设备运行时，水体经该装置进水口进入，流经螺旋式片状结构载体后由出水口排出。

Claims

1.一种光催化水处理消毒设备，该设备包括紫外线消毒器、进水泵、液体流量计、控制阀以及流量调节阀；其中，控制阀的两端分别与原水管路和进水泵的吸口连接，进水泵的出水口连接流量调节阀，流量调节阀连接液体流量计，液体流量计连接紫外线消毒器；紫外灯位于紫外线消毒器内部中间，灯外套有石英套管；其特征在于，在所述的紫外线消毒器中添加负载光催化剂的载体，该载体为独立部件，与紫外线消毒器规格匹配，便于安装与拆卸，添加光催化载体的紫外线消毒器即为光催化水处理消毒器。

2.根据权利要求1所述的光催化水处理消毒设备，其特征在于，所述的负载光催化剂的载体为板状结构或螺旋式片状结构。

3.根据权利要求2所述的光催化水处理消毒设备，其特征在于，所述的负载光催化剂的板状结构载体以石英套管为中心呈辐射状分布；催化剂载体紧贴光催化水处理消毒设备的腔体内壁，其表面负载光催化剂并能接受紫外灯发出的垂直光源。

4.根据权利要求3所述的光催化水处理消毒设备，其特征在于，所述的催化剂载体为圆柱筒结构，其与光催化水处理消毒设备的结构相适应。

5.根据权利要求4所述的光催化水处理消毒设备，其特征在于，在紫外灯石英套管与环形筒状催化剂载体结构之间，围绕紫外灯石英套管辐射分布2-80片板状结构载体催化剂载体，每片厚度为0.1mm-5mm。

6.根据权利要求2所述的光催化水处理消毒设备，其特征在于，所述的负载光催化剂的螺旋式片状结构载体在光催化水处理消毒器内横向排列，紫外灯及灯外石英套管从螺旋式片状结构载体中心穿过，螺旋式片状结构载体外径边缘紧贴光催化水处理消毒器内壁。

7.根据权利要求6所述的光催化水处理消毒设备，其特征在于，所述的光催化水处理消毒器中负载光催化剂的螺旋式片状结构载体的螺旋单元数为2-100，螺旋式片状结构载体与紫外灯石英套管的夹角为5°-85°。

8.根据权利要求1-7任一所述的光催化水处理消毒设备，其特征在于，所述的光催化水处理消毒器外径为25mm-2000mm。

9.根据权利要求1-7任一所述的光催化水处理消毒设备，其特征在于，所述的光催化水处理消毒器的腔体外壳材料为不锈钢、玻璃钢、聚四氟乙烯或PVC。

10.根据权利要求8任一所述的光催化水处理消毒设备，其特征在于，所述的光催化水处理消毒器的腔体外壳材料为不锈钢、玻璃钢、聚四氟乙烯或PVC。