CN104261510B - 深度处理有机废水的光催化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种深度处理有机废水的光催化装置，包括若干个光催化板，其波峰面和波谷面交替排列从而在表面形成波浪形面，波浪形表面涂覆有光催化剂涂层；若干个所述光催化板从上往下依次设置，且其波浪形面均朝上；相邻的上、下两块光催化板反向倾斜搁置且位于上方的光催化板的低端与位于下方的光催化板的高端靠近；位于所述光催化板波浪形表面的上方平行设置有一金属反光板；所述光催化板与金属反光板之间设置有若干个紫外灯；每一块光催化板的高端均安装有一布水器；若干个光催化板中位于最底部的光催化板的低端下方安装有水槽。本发明解决了低浓度有毒、有害、难生化降解工业有机废水难治理的问题，大大提高了分解这些有机污染物的速度和能力。
Description
技术领域
本发明涉及有机废水处理装置领域，特别涉及一种深度处理有机废水的光催化装置。
背景技术
二十世纪九十年代以来，把二氧化钛光催化技术应用于环境污染的治理，已成为世界各国十分关注的课题。
二氧化钛光催化技术是一种高级氧化分解技术。二氧化钛的光催化活性是由强烈吸收紫外光后生成的具有极强氧化能力的活泼自由基引起，它能够非选择性地氧化分解水中各类低浓度的有毒、有害难降解的有机污染物（如苯类、酚类等），其氧化能力远远高于臭氧和过氧化氢。
二氧化钛光催化水处理技术具有其它传统水处理技术无法替代的先进性—彻底分解、无二次污染和广泛的适用性，特别适用于其它传统水处理技术难以解决的有毒、有害、难生化降解的低浓度工业有机废水的治理，使之达标排放。因此被认为是一种最有前途的水处理高新技术。
然而经过二十来年的努力，目前在国内外“光催化水处理技术及设备”仍然只处于前工业化水平。尚未真正实用化的原因是：在高效光催化剂的研制和高效光催化反应器的设计上还需要解决一些技术上的难题。
采用纳米技术是提高二氧化钛光催化效率的重要途径。这是因为纳米二氧化钛具有巨大的比表面积，其表面吸附有机污染物的能力大大增加；同时，由于纳米二氧化钛粒径小，处于表面态的原子数多，光激发产生电子和空穴(e-，h+)的几率大大增加，促使其光催化氧化反应速率大大提高，从而能够把其表面吸附的有机污染物快速地氧化分解为二氧化碳和水等无机物。因此，纳米二氧化钛是一种高效光催化剂。
然而，纳米二氧化钛在实际使用中必须附着在一种载体上，研发一种高比表面积、高附着力的载体是光催化氧化治污技术进入实用化的关键技术之一。
发明内容
本发明目的是提供一种深度处理有机废水的光催化装置，该光催化装置大大提高了光催化分解水中有机污染物的速度和能力，无二次污染，可重复循环使用，解决了低浓度有毒、有害、难生化降解的工业有机废水难治理的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种深度处理有机废水的光催化装置，包括若干个光催化板，所述光催化板的上表面具有若干个平行设置的波峰面和波谷面，此波峰面和波谷面交替排列从而在表面形成波浪形面，所述波浪形表面涂覆有光催化剂涂层；
若干个所述光催化板从上往下依次设置，且其波浪形面均朝上，相邻的上、下两块光催化板反向倾斜搁置且位于上方的光催化板的低端与位于下方的光催化板的高端靠近；
位于所述光催化板波浪形表面的上方平行设置有一金属反光板；所述光催化板与金属反光板之间设置有若干个紫外灯；每一块光催化板的高端均安装有一布水器；若干个光催化板中位于最底部的光催化板的低端下方安装有水槽，一输水管连接水槽和若干个光催化板中位于最顶部的光催化板的高端，所述输水管上安装有水泵；
所述光催化剂涂层通过以下步骤获得：
步骤一、将金属钛放入玻璃烧杯中，加入过氧化氢水溶液形成混合液，金属钛与过氧化氢的摩尔比为1：8~12，所述金属钛为颗粒海绵钛；
步骤二、将玻璃烧杯置于冰水浴中，冰水浴温度控制在5~15℃之间，中速搅拌所述混合液形成中间反应物；
步骤三、将一定量的氨水倒入带支管和活塞的烧瓶中，将烧瓶置于热水浴中，水浴温度控制在60℃左右，加热使氨挥发形成氨蒸汽，此氨蒸汽通过支管进入中间反应物中，调节中间反应物的pH值至8~11范围内获得调节后中间反应物，此时金属钛与氨的摩尔比为1：9~15；
步骤四、持续搅拌调节后中间反应物3~8小时，直到获得透明的黄色络合物水溶液；
步骤五、将黄色络合物水溶液转移至带支管的烧瓶中，放入60℃左右的热水浴中，蒸发除去过量的过氧化氢和氨，得到黄色络合物胶体；
步骤六、将黄色络合物胶体倒入高压反应釜中，150℃~200℃水热反应4~8小时，获得纯白色水性乳液；
步骤七、将纯白色水性乳液倒回玻璃烧杯中，常温下边搅拌边加入无机酸，调节乳液的pH值至2～4获得酸化后水性乳液；
步骤八、将玻璃烧杯放入60～80℃水浴装置中，在持续搅拌3～6小时使酸化后水性乳液渐渐胶化成纳米二氧化钛水性胶体；
步骤九、将步骤八的纳米二氧化钛水性胶体与纳米二氧化钛粉末按照重量比1~2：1混合，并经混合球磨1~2小时后得到高分散态的光催化剂涂料，并将此光催化剂涂料涂覆于光催化板的上表面，烧结后获得所述光催化剂涂层。
上述技术方案中进一步改进的技术方案如下：
1、上述方案中，相邻波峰面之间的距离为5~10mm，波峰面顶部和波谷面的底部之间的高度为2~6mm。
2、上述方案中，所述光催化板与水平面成10~25°倾斜角。
3、上述方案中，所述金属反光板平行设置有若干个半圆弧形凹槽，所述紫外灯位于半圆弧形凹槽内。
4、上述方案中，所述紫外灯与光催化板的距离为1~3厘米。
5、上述方案中，所述光催化板为轻质陶瓷。
6、上述方案中，所述光催化板的面积为0.15~1.0平方米。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
1、本发明深度处理有机废水的光催化装置，除了光催化板基体本身具有巨大、粗糙的表面积外，光催化板的上表面还具有若干个平行设置的波峰面和波谷面，此波峰面和波谷面交替排列，既有利于将水流的流速降低并形成均匀的水膜，也使其表面积大大增加；其次，通过金属反光板提高了光源的利用率，大大降低了光源在有机废水处理时的光损失；本发明解决了低浓度有毒、有害、难生化降解工业有机废水难治理的问题，大大提高了分解这些有机污染物的速度和能力，无二次污染，可重复循环使用。
2、本发明深度处理有机废水的光催化装置，采用纳米二氧化钛水性胶体和纳米二氧化钛粉末混合球磨的方法制得高分散态的光催化剂涂料。其中纳米二氧化钛水性胶体是核心原料，它具有优良的粘结性能和烧结活性。胶体的粘结作用使细微、松散的纳米二氧化钛粉末得以通过喷涂的办法在光催化板上形成光催化剂涂层；同时，纳米二氧化钛水性胶体在烧结过程中可以形成高分子 -O-Ti-O- 网状多孔结构的凝胶，这种凝胶起支撑物的作用，把纳米二氧化钛粉末颗粒粘结起来，成为具有一定机械强度的烧结物，可以经得住水流的浸泡和冲刷；倘若用无机粘合剂替代，则会引入影响光催化活性的无机杂质；倘若用高分子有机物粘合剂替代，则有机物在后期的烧结过程中挥发贻尽，光催化剂涂层会粉化，与其它的无机粘合剂或高分子有机物粘合剂不同，纳米二氧化钛水性胶体烧结后形成的高分子-O-Ti-O- 凝胶的成分仍然是纳米二氧化钛，与纳米二氧化钛粉末一样具有优良的光催化活性，因此它是一种具有光催化活性的支撑物。
附图说明
附图1为本发明深度处理有机废水的光催化装置结构示意图一；
附图2为本发明深度处理有机废水的光催化装置结构示意图二；
附图3为本发明光催化板结构示意图；
附图4为本发明光催化分解水中甲基红的可见分光光度计测试谱图；
附图5为本发明光催化分解水中苯胺、硝基苯的紫外/可见分光光度计测试图谱。
以上附图中，1、光催化板；2、波峰面；3、波谷面；4、波浪形面；5、光催化涂层；6、金属反光板；61、半圆弧形凹槽；7、紫外灯；8、布水器；9、水槽；10、水泵。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例：一种深度处理有机废水的光催化装置，包括若干个光催化板1，所述光催化板1的上表面具有若干个平行设置的波峰面2和波谷面3，此波峰面2和波谷面3交替排列从而在表面形成波浪形面4，所述波浪形表面4涂覆有一光催化涂层5；
若干个所述光催化板1从上往下依次设置，且其波浪形面4均朝上；相邻的上、下两块光催化板1反向倾斜搁置且上板的低端与下板的高端靠近；位于所述光催化板1波浪形表面4的上方平行设置有一金属反光板6；所述光催化板1与金属反光板6之间设置有若干个紫外灯7；每一块光催化板1的高端均安装有一布水器8；位于最底部的光催化板1的低端下方安装有水槽9，一输水管连接水槽9和若干个光催化板1中位于最顶部的光催化板1的高端，所述输水管上安装有水泵10；所述水泵10将待处理的有机废水从水槽9打到最顶部的光催化板1的布水器8中，有机废水经过布水器8自上而下地、均匀地流经每一块光催化板1进入最底部的水槽9中，如此循环进行光催化反应。
所述光催化剂涂层5通过以下步骤获得：
步骤一、将金属钛放入玻璃烧杯中，加入过氧化氢水溶液形成混合液，金属钛与过氧化氢的摩尔比为1：8~12，所述金属钛为颗粒海绵钛；
步骤二、将玻璃烧杯置于冰水浴中，冰水浴温度控制在5~15℃之间，中速搅拌所述混合液形成中间反应物；
步骤三、将一定量的氨水倒入带支管和活塞的烧瓶中，将烧瓶置于热水浴中，水浴温度控制在60℃左右，加热使氨挥发形成氨蒸汽，此氨蒸汽通过支管进入中间反应物中，调节中间反应物的pH值至8~11范围内获得调节后中间反应物，此时金属钛与氨的摩尔比为1：9~15；
步骤四、持续搅拌调节后中间反应物3~8小时，直到获得透明的黄色络合物水溶液；
步骤五、将黄色络合物水溶液转移至带支管的烧瓶中，放入60℃左右的热水浴中，蒸发除去过量的过氧化氢和氨，得到黄色络合物胶体；
步骤六、将黄色络合物胶体倒入高压反应釜中，150℃~200℃水热反应4~8小时，获得纯白色水性乳液；
步骤七、将纯白色水性乳液倒回玻璃烧杯中，常温下边搅拌边加入无机酸，调节乳液的pH值至2～4获得酸化后水性乳液；
步骤八、将玻璃烧杯放入60～80℃水浴装置中，在持续搅拌3～6小时使酸化后水性乳液渐渐胶化成纳米二氧化钛水性胶体；
步骤九、将步骤八的纳米二氧化钛水性胶体和纳米二氧化钛粉末按照重量比1~2：1混合，并经混合球磨1~2小时后得到高分散态的光催化剂涂料，并将此光催化剂涂料涂覆于光催化板1的上表面，烧结后获得所述光催化剂涂层5。
上述相邻波峰面2之间的距离为5～10mm；上述波峰面2顶部和波谷面3的底部之间的高度为2~6mm，上述光催化板1与水平面成10~25°倾斜角；上述紫外灯7与光催化板1 的距离为1~3厘米，
上述金属反光板6平行设置有若干个半圆弧形凹槽61，所述紫外灯7位于半圆弧形凹槽61内，上述金属反光板用镜面反光铝板制成。
上述光催化板1为轻质陶瓷，上述光催化板1的面积为0.15~1.0平方米。
采用波浪形的轻质陶瓷作为光催化剂的载体，其优点是：陶瓷本身具有多孔、高比表面积的特性，进而在它需要涂覆光催化剂的表面再设计成横向锯齿波浪形，这样载体的表面积将增加3～5倍。
为便于运输，单块陶瓷板以不大于500mm*500mm*10mm为宜。根据实际应用的需要，可将波浪形轻质陶瓷板通过拼装的办法组合成大于0.25平方米的光催化板。
所述光催化板的制备工艺如下：在超声波清洗机中用水将波浪形轻质陶瓷板清洗30分钟，然后150℃烘干60～120分钟；用喷枪把高分散态的纳米二氧化钛胶体/纳米二氧化钛粉末混合涂料（二氧化钛含量为55%左右）喷涂在陶瓷板的波浪形表面上，喷涂量为每平方米500～1000克； 经过350～500℃烧结40～120分钟，烧结后每平方米陶瓷板上附载的纳米二氧化钛量为275～550克。
所述紫外灯7为带石英玻璃套管的冷阴极或热阴极紫外灯，紫外灯波长254～365nm。在光催化反应板上方距离1～3厘米处间隔均匀地平行排列紫外灯，使紫外光在整个光催化反应板上辐照均匀。每支灯的功率不宜过大，优选功率300～400瓦/平方米。
将2～8个所述光催化板1由上到下组装成光催化有机废水处理装置，相邻
的上、下两块光催化板反向倾斜搁置，分别与水平面成10～25°倾斜角。
本实施例深度处理有机废水的光催化装置工作过程如下：存放有机废水的水槽置于水处理装置的底部；采用不锈钢泵将有机废水从装置底部的水槽打到装置顶端，通过顶端的布水器使废水自上而下流动时分布均匀，能够在光催化板上形成薄薄的均匀的一层水膜，以便紫外光透过水膜被二氧化钛光催化剂吸收，并在二氧化钛颗粒表面进行光催化分解有机污染物的反应。经光催化处理后的出水流入水槽，再经不锈钢泵打到装置顶端，进行反复循环处理，直至达到规定要求。
待处理的有机废水应先经过沉淀、过滤，去除废水中的颗粒物， 以免堵塞光催化剂涂层；适当调节有机废水的浓度，入水口的COD以200～400为宜；根据实际处理能力的大小，选择光催化板的层数；达标的废水可以直接排放。
光催化处理有机废水效果之一：光催化分解水中甲基红实验
A. 试验方法：
1. 目标分解物：甲基红（C15H15N3O2）, 具有两个苯环的偶氮染料，是一种难分解的有机物。配制20ppm甲基红水溶液，30升；
2. 陶瓷板：300mm*500mm*10mm陶瓷板两块，喷涂附载的纳米二氧化钛光催化剂量约为50克／块；上、下两块光催化板反向倾斜搁置，分别与水平面成15°倾斜角；用于对比的空白陶瓷板两块，无光催化剂涂层。
3. 光源：每块陶瓷板上方安装4支紫外灯，波长365nm，辐照强度4000mw/cm2左右，开灯光催化反应时间为30分钟。
4. 水循环：不锈钢泵使水自上而下不断循环，循环时间30分钟。
5. 实验设计：三个试样对比试验，观察30分钟后各试样的颜色变化。
三个试样实验条件列表如下：
| 试样号 | 20ppm甲基红水溶液 | 陶瓷板 | 紫外光 |
| 1# | 30升 | 无催化剂涂层 | 有 |
| 2# | 30升 | 有催化剂涂层 | 无 |
| 3# | 30升 | 有催化剂涂层 | 有 |
B. 30分钟光催化分解甲基红后的目测试验结果：
| 试样号 | 处理前颜色 | 30分钟处理后颜色 | 实验效果 |
| 1# | 紫红 | 不退色 | 不分解 |
| 2# | 紫红 | 不退色 | 不分解 |
| 3 # | 紫红 | 退成无色 | 100%分解 |
C. 可见分光光度计测试图谱：该图谱再次验证了上述目测试验结果：在1 #曲线和2 # 曲线中，峰值位于520～525nm波长范围内的吸收峰为甲基红的可见光吸收光谱，吸收峰的存在表明甲基红没有被分解掉，即在虽有紫外光但无光催化剂/或虽有光催化剂但无紫外光的条件下，甲基红都没有被分解，故紫红色不退；然而在有紫外光同时又有光催化剂的条件下，3 # 曲线的相应吸收峰完全消失，证明甲基红已经完全被光催化分解掉了，故由紫红色退成无色。
光催化处理有机废水效果之二：光催化分解水中苯胺、硝基苯实验
A. 试验方法：
1.目标分解物：助剂厂生化出水—一种用生化法无法继续分解的含苯胺、硝基苯的低浓度有毒有机废水，达不到国家排放标准。CODcr约150左右，水量50升。
2.光催化板：500mm*500mm*10mm三块，喷涂附载的纳米二氧化钛光催化剂量约为70克／块；相邻的上、下两块光催化板反向倾斜搁置，分别与水平面成25°倾斜角。
3.光源：每块光催化板上方安装5支紫外灯，波长254nm，辐照强度4500mw / cm2左右，开灯光催化反应时间为1小时。
4.水循环：采用不锈钢泵使水自上而下不断循环，循环时间为1小时
B. 紫外/可见分光光度计测试图谱：
1# 曲线为助剂厂生化出水--苯胺、硝基苯的紫外吸收峰图谱；
2# 曲线为光催化反应1小时后的图谱，苯胺、硝基苯的紫外吸收峰基本消失，苯胺的去除率大约为88.9%、硝基苯的去除率为100%。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种深度处理有机废水的光催化装置，其特征在于：包括若干个光催化板（1），所述光催化板（1）的上表面具有若干个平行设置的波峰面（2）和波谷面（3），此波峰面（2）和波谷面（3）交替排列从而在表面形成波浪形表面（4），所述波浪形表面（4）涂覆有光催化剂涂层（5）；
若干个所述光催化板（1）从上往下依次设置，且其波浪形表面（4）均朝上，相邻的上、下两块光催化板（1）反向倾斜搁置且位于上方的光催化板（1）的低端与位于下方的光催化板（1）的高端靠近；
位于所述光催化板（1）波浪形表面（4）的上方平行设置有一金属反光板（6）；所述光催化板（1）与金属反光板（6）之间设置有若干个紫外灯（7）；每一块光催化板（1）的高端均安装有一布水器（8）；若干个光催化板（1）中位于最底部的光催化板（1）的低端下方安装有水槽（9），一输水管连接水槽（9）和若干个光催化板（1）中位于最顶部的光催化板（1）的高端，所述输水管上安装有水泵（10）；
所述光催化剂涂层（5）通过以下步骤获得：
步骤一、将金属钛放入玻璃烧杯中，加入过氧化氢水溶液形成混合液，金属钛与过氧化氢的摩尔比为1：8~12，所述金属钛为颗粒海绵钛；
步骤二、将玻璃烧杯置于冰水浴中，冰水浴温度控制在5~15℃之间，中速搅拌所述混合液形成中间反应物；
步骤三、将一定量的氨水倒入带支管和活塞的烧瓶中，将烧瓶置于热水浴中，水浴温度控制在60℃，加热使氨挥发形成氨蒸汽，此氨蒸汽通过支管进入中间反应物中，调节中间反应物的pH值至8~11范围内获得调节后中间反应物，此时金属钛与氨的摩尔比为1：9~15；
步骤四、持续搅拌调节后中间反应物3~8小时，直到获得透明的黄色络合物水溶液；
步骤五、将黄色络合物水溶液转移至带支管的烧瓶中，放入60℃的热水浴中，蒸发除去过量的过氧化氢和氨，得到黄色络合物胶体；
步骤六、将黄色络合物胶体倒入高压反应釜中，150℃~200℃水热反应4~8小时，获得纯白色水性乳液；
步骤七、将纯白色水性乳液倒回玻璃烧杯中，常温下边搅拌边加入无机酸，调节乳液的pH值至2～4获得酸化后水性乳液；
步骤八、将玻璃烧杯放入60～80℃水浴装置中，在持续搅拌3～6小时使酸化后水性乳液渐渐胶化成纳米二氧化钛水性胶体；
步骤九、将步骤八的纳米二氧化钛水性胶体和纳米二氧化钛粉末按照重量比1~2：1混合，并经混合球磨1~2小时后得到高分散态的光催化剂涂料，并将此光催化剂涂料涂覆于光催化板（1）的上表面，烧结后获得所述光催化剂涂层（5）。
2.根据权利要求1所述的光催化装置，其特征在于：所述紫外灯（7）与光催化板（1） 的距离为1~3厘米。
3.根据权利要求1所述的光催化装置，其特征在于：所述光催化板（1）的面积为0.15~1.0平方米。
4.根据权利要求1所述的光催化装置，其特征在于：所述光催化板（1）为轻质陶瓷。
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