CN103771638A - 一种以超声雾化强化污水处理效果的光催化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水污染处理新技术领域，是关于以超声雾化过程强化水污染处理效果的一种新型的光催化水处理技术。其特征是将含光催化剂废水破碎成直径为微米级的液滴，在光源照射下，激发光催化剂产生光生活性物种催化氧化液膜中的污染物，生成二氧化碳和水以及其他脱毒降解副产物。本发明借助超声雾化的辅助作用，可减小颗粒表面的外扩散阻力，强化传质效率，提高光催化剂表面利用率，防止催化剂中毒，并利用光催化剂表面液膜为反应媒介，降低光扩散、吸收的损耗，提高光能利用率，同时提高光催化剂利用率，防止出现催化剂团聚、沉淀而导致的催化活性下降等问题。

Description

一种以超声雾化强化污水处理效果的光催化方法
技术领域
本发明属于水污染处理新技术领域，是关于以超声雾化过程强化水污染处理效果的一种新型的光催化水处理技术。
背景技术
人类的活动会使大量的工业、农业和生活废弃物排入水中，使水受到污染。每年，全世界约有6000多亿吨的污水排入天然水体，污染了5.5万亿吨的清洁水源。此外，大量有毒有害物质流入天然水体中，造成水质下降，水环境遭到破坏。污水中的重金属化合物，有毒有机污染物等，可毒死水生生物，破坏自然景观，严重影响饮用水源安全。此外，污水中的有机物，特别是生活污水中富含的表面活性剂等，在水中会促进微生物的大量繁殖。微生物生长过程中会消耗大量水中的溶解氧，待水中溶解氧耗尽后，有机物进行厌氧分解，产生硫化氢、硫醇等难闻气体，使水质进一步恶化。据环境部门监测，我国城镇每天至少有1亿吨污水未经处理直接排入水体，导致全国七大水系中一半以上的河段水质受到污染，全国1/3的水体不适于鱼类生存，1/4的水体不适于灌溉，90％的城市水域污染严重。尽管目前每年新增城市污水处理能力3亿立方米，但仍以每年处理能力缺口21亿立方米的速度在不断增大。因此，亟待开发新型的高效水处理技术以提高目前水处理设施的利用效率，解决水处理需求容量不断提高的难题。
光催化技术是一种高效清洁的新型水处理技术，由于其具有能耗低、环境友好、选择性低等显著优点，得到了水处理领域的广泛的重视和深入研究。Carey等首先报道了TiO2水溶液在紫外光的照射下可使多氯联苯完全脱氯去毒，开启了光催化用于水处理领域的新篇章。此后，大量的深入研究表明：利用光催化技术不仅能够处理多种难降解有机污染物，同时具有很好的杀菌及抑菌性能，副产物少、毒害作用低。TiO2光催化技术逐渐在水处理领域展现出了诱人的前景，并被认为是当前最具有开发前景的水处理技术。但太阳光中可被TiO2直接利用的紫外光含量只占4％～5％，进行光催化的效率较低。另一方面，由于光能在水中存在一定程度的吸收和能量损失，以及污染物与催化剂颗粒之间相界面存在较大的扩散阻力，光催化的实用化效率收到严重的抑制。为了改善TiO2对太阳光的利用能力，提高光能利用效率，降低相界面传质阻力，许多科学家和实验室都做了大量的研究。
如何设计合理的光催化反应形式，改善光催化对污水的处理效果是目前光催化研究的热点和难点。近年来有研究者从纳米TiO2的制备和成型方式、TiO2固定化新载体开发等方面进行了大量研究，通常有采用电化学辅助的光催化方法，或称光电催化方法。该方法以光电协同的方法阻止光生电子和空穴发生简单复合以提高量子效率；此外，还有学者设计了圆盘型、平板式、流化床式的光催化反应器以提高光催化效率，取得了一些进展。但目前光催化研究中，传质问题依然存在，过程反应速率还有待提高。
总的来说，在以往的研究中人们多注重对光催化剂本身的承载形式的改善，对于水中污染物与光催化及相界面的传质过程研究的不多，对于含污染物水体在光催化过程中的影响未引起足够的重视，致使光催化过程总的反应速率得不到显著的提高。本发明旨在提供一种简单高效的以超声雾化过程强化光催化的新型水处理技术，以解决目前光催化技术处理效率低、催化剂利用率不高、光能利用差、污染物-催化剂相间传质阻力大等难题，以推进光催化技术在水处理领域的进一步实用化。
发明内容
本发明的任务是针对现有的光催化剂和废水相间传质阻力大、光能利用效率不高、光催化剂利用率低等问题，提出了一种可以强化传质效率、提高光利用率，并进一步改善光催化过程效率的以超声雾化过程强化光催化的新型水处理技术及其实施方法。
本发明是通过采用以下的技术方案来实现上述发明目的的：
称取一定量的粉末状的光催化剂预先与含污染物的废水混合，并进一步超声分散，以破坏纳米团聚体；待光催化剂与污水充分混匀后，倒入雾化室内，控制液面高于一定高度；雾化室底部安装超声换能器，可将含光催化剂废水破碎成直径为1～5微米的液滴，并将光催化剂夹带进入光反应腔体中；将带有紫外灯光源或氙灯光源的光反应器内外腔安装于雾化室顶部，开启超声换能器形成雾化液滴，雾气逐渐升高到与光源下界面接触时，触发光源，在光源照射下，激发光可穿透极薄的液膜(0.1～2微米)，激发光催化剂产生光生活性物种催化氧化液膜中的污染物，生成二氧化碳和水以及其他脱毒降解副产物；反应结束后，液滴沉积于光反应器内腔，并回流到雾化室内循环参与反应。
本发明中所述的粉末状光催化剂可为纳米TiO2、Bi2O3、Cu2O等之一种，粒径小于120纳米，在污水中呈悬浊液状态；
本发明中所述的光催化剂在污水中的浓度为1.0～5.0克/升；
本发明中所述的含光催化剂废水液面应控制在不高于超声换能器头部5厘米，不低于头部2.5厘米；
本发明中所述的超声换能器来自佛山市力丰达机械设备公司，型号为MU-360，雾化功率23瓦，雾化量350毫升/小时；
本发明中所述的光源为氙灯(XG1000，1000瓦，北京天脉恒辉光源电器有限公司)或紫外灯(UV-500，主波长365纳米，500瓦，北京天脉恒辉光源电器有限公司)之一种。
本发明的优点在于借助超声雾化辅助作用，将污水直接破碎成微米级液滴，可同时实现：
1)减小污水中可溶性污染物与光催化颗粒表面的外扩散阻力，强化污染物传质效率，提高光催化剂表面利用率，防止催化剂中毒；
2)利用光催化剂表面极薄的液膜为反应媒介，降低光能在液体中传输导致的扩散、吸收的损耗，提高光能利用率；
3)提高光催化剂利用率，防止催化剂在水中团聚、沉淀而导致的催化活性下降等问题。
附图说明
图1为超声雾化辅助条件下光催化降解五氯酚模拟废水的浓度变化规律；
图2为超声雾化辅助条件下光催化降解双酚A模拟废水的浓度变化规律；
图3为超声雾化辅助光催化水处理设备的示意图；1-光反应器套腔；2-光反应器内腔；3-光源；4-雾化室；5-超声换能器；6-底座；7-光催化剂污水悬浊液。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图3所示，本发明的超声雾化辅助光催化水处理设备，由光反应器套腔(1)、光反应器内腔(2)、光源(3)、雾化室(4)、超声换能器(5)、底座(6)组成。底座(6)用于固定雾化室(4)，超声换能器(5)置于雾化室(4)底部，用于雾化含光催化颗粒的污水悬浊液，光反应器内(2)外(1)腔支撑于雾化室(4)顶部，内置光源(3)以提供雾化污水液滴的光催化反应场所。
实施例1
称取粉末状纳米TiO2光催化剂(粒径30纳米)0.25克，分散于称有100毫升含五氯酚浓度为10mg/L的模拟污水的烧杯中。将该烧杯置于超声波清洗机中超声分散30分钟，以破坏纳米团聚体。待光催化剂与模拟污水充分混匀后，倒入容积为150毫升的雾化室内，液面高于超声换能器头部2.5厘米。将带有紫外灯光源(UV-500，北京天脉恒辉光源电器有限公司)的光反应器内外腔安装于雾化室顶部，超声换能器(MU-360，佛山市力丰达机械设备公司)通电，雾化液滴形成的雾气逐渐升高，当雾气高度与紫外灯下界面接触时，激发紫外灯开始光催化水处理操作。反应60分钟后，关闭换能器和紫外灯电源，停止反应。反应过程中，定时采集水样，以高效液相色谱(UltiMate3000，戴安中国有限公司)分析五氯酚浓度。
分析结果表明，超声雾化显著改善了光催化水处理效率，60分钟内可将光催化对五氯酚的降解率从36.3％提高到70.2％(如图1所示)。
实施例2
称取粉末状纳米TiO2光催化剂(粒径25纳米)0.1克，分散于称有100毫升含双酚A浓度为10mg/L的模拟污水的烧杯中。超声分散30分钟后倒入雾化室内，液面高于超声换能器头部3.2厘米。雾化，紫外灯光照60分钟后停止反应。定时采样分析。其余具体操作同实施例1。
在超声雾化作用下，60分钟内可将光催化对双酚A的降解率从19.2％提高到41.7％(如图2所示)。
实施例3
称取粉末状纳米Bi2O3光催化剂(粒径120纳米)0.35克，分散于称有100毫升含五氯酚浓度为10mg/L的模拟污水的烧杯中。超声分散30分钟后倒入雾化室内，液面高于超声换能器头部4.0厘米。雾化，氙灯光照60分钟后停止反应。定时采样分析。其余具体操作同实施例1。
在超声雾化作用下，60分钟内可将光催化对五氯酚的降解率从14.9％提高到66.8％。
实施例4称取粉末状纳米Cu2O光催化剂(粒径45纳米)0.5克，分散于称有100毫升含五氯酚浓度为10mg/L的模拟污水的烧杯中。超声分散30分钟后倒入雾化室内，液面高于超声换能器头部5厘米。雾化，氙灯光照60分钟后停止反应。定时采样分析。其余具体操作同实施例1。
在超声雾化作用下，60分钟内可将光催化对五氯酚的降解率从9.3％提高到24.6％。

Claims (5)

1.一种以超声雾化强化污水处理效果的光催化方法，其特征在于包括如下步骤：称取一定量的粉末状的光催化剂预先与含污染物的废水混合，并进一步超声分散，以破坏纳米团聚体，待光催化剂与污水充分混匀后，倒入雾化室内，控制液面高于一定高度；雾化室底部安装超声换能器，可将含光催化剂废水破碎成液滴，并将光催化剂夹带进入光反应腔体中；将带有紫外灯光源或氙灯光源的光反应器内外腔安装于雾化室顶部，开启超声换能器形成雾化液滴，雾气逐渐升高到与光源下界面接触时，触发光源，在光源照射下，开始光催化水处理操作；经一段时间后，既得经光催化降解后的净化污水。
2.根据权利要求1所述的一种以超声雾化强化污水处理效果的光催化方法，其特征在于，粉末状光催化剂可为纳米TiO2、Bi2O3、Cu2O等之一种，粒径小于120纳米，在污水中呈悬浊液状态，浓度为1.0～5.0克/升。
3.根据权利要求1所述的一种以超声雾化强化污水处理效果的光催化方法，其特征在于，所述的超声换能器来自佛山市力丰达机械设备公司，型号为MU-360，雾化功率23瓦，雾化量350毫升/小时。
4.根据权利要求1所述的一种以超声雾化强化污水处理效果的光催化方法，其特征在于，含光催化剂污水液面应控制在不高于超声换能器头部5厘米，不低于头部2.5厘米。
5.根据权利要求1所述的一种以超声雾化强化污水处理效果的光催化方法，其特征在于，本发明中所述的光源为氙灯或紫外灯之一种。
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