CN104528912B - 一种基于纳米磁性二氧化钛催化剂的光催化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于纳米磁性二氧化钛催化剂的光催化装置，包括主体、进水单元、纳米磁性二氧化钛催化氧化单元、分离单元和出水单元；所述进水单元设于主体上方，所述进水单元包括进水管以及与进水管连通的二氧化钛补充口、铁粉补充口和炭粉补充口；所述纳米磁性二氧化钛催化氧化单元设于主体中部，采用完全混合形式，并设置有充气搅拌装置；所述分离单元设于主体下部，包括分离装置以及设于分离装置上的滤膜和滤膜下方的脉冲气洗装置，所述出水单元与分离单元直接连接。该新型光催化装置具有结构紧凑、使用方便、占地面积小、处理效果好等特点，具有较好的推广应用前景。
Description
技术领域
本发明属于水处理领域，特别涉及一种基于纳米磁性二氧化钛催化剂的光催化装置及方法。
背景技术
中国的水环境质量状况较差，其中以有机污染为主要的污染特征。针对水中有机污染的去除已经有了大量的研究，包括吸附法、生物降解法以及氧化法等。其中，以高级氧化为主要作用原理的光催化氧化法受到人们的广泛关注。
就光催化氧化方法而言，催化剂的种类及性质是影响其处理效能的关键因素。二氧化钛是目前最常用的催化剂，其粒度大小及晶型直接影响着处理效果的好坏，纳米级、锐钛型二氧化钛是目前最有效的光催化剂之一。然而其在实际工程应用中存在着回收困难，出水水质难以有效保障的问题，而且近期纳米级二氧化钛的毒性问题也是人们关注的焦点。因此，迫切需要研发一种新的基于纳米级二氧化钛的新型、高效、安全性的催化方法及装置。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种基于纳米磁性二氧化钛催化剂的光催化装置。
技术方案：本发明提供了一种基于纳米磁性二氧化钛催化剂的光催化装置，包括主体、进水单元、纳米磁性二氧化钛催化氧化单元、分离单元和出水单元；所述进水单元设于主体上方，所述进水单元包括进水管以及与进水管连通的二氧化钛补充口、铁粉补充口和炭粉补充口；所述纳米磁性二氧化钛催化氧化单元设于主体中部，采用完全混合形式，并设置有充气搅拌装置；所述分离单元设于主体下部，包括分离装置以及设于分离装置上的滤膜和滤膜下方的脉冲气洗装置，所述出水单元与分离单元直接连接。
作为改进，充气搅拌装置为穿孔曝气管，曝气管上的开孔尺寸为0.5-1.5mm，充气强度为2-30L/m2·s。
作为另一种改进，二氧化钛补充口、铁粉补充口和炭粉补充口投加的磁性纳米二氧化钛、铁粉、炭粉的质量比为4:2:1～3:1:1，粒径分别为10-100nm、1-10μm、1-10μm。
作为另一种改进，纳米磁性二氧化钛催化氧化单元中设置有一组紫外灯，相邻紫外灯间距为10-20cm。
作为另一种改进，分离装置为平行设置的2组以上孔径为2-10μm的平面网状截留装置，且每组截留装置呈倾斜设置，倾斜角为100～150°。
作为另一种改进，脉冲气洗装置的气洗强度为10-30L/m2.s、脉冲周期设置为10s～10min。
作为另一种改进，分离单元的顶部设有电磁阀。
作为另一种改进，所述出水单元为L形弯管，其底部分别设置出水口和进气口，其内部填充粒径10-30目的铁粉作为滤层，滤层厚度为0.2-0.5m，滤速为1-8m/h。
作为另一种改进，所述滤膜的孔径为1-10μm。
本发明还提供了一种基于磁性纳米二氧化钛的组合光催化氧化方法，包括以下步骤：
(1)将磁性纳米二氧化钛、铁粉、炭粉投入权利要求1至8任一项所述的基于纳米磁性二氧化钛催化剂的光催化装置内，作为复合催化氧化材料；
(2)在紫外灯光照射下，利用充气搅拌装置将溶液混合均匀并完成催化氧化反应；
(3)利用滤膜将催化氧化反应材料截留并回流至纳米磁性二氧化钛催化氧化单元内；
(4)经滤膜过滤后的水经出水单元过滤，得净化后的水。
有益效果：本发明提供的光催化氧化装置结构紧凑、占地面积小、使用方便、运行灵活、适用范围广，可较好地保障催化氧化效果及整体出水水质，具有较好的推广应用前景。
具体而言，一方面，本发明通过采用具磁性的纳米级二氧化钛作为基本的催化剂，从而较好地保障了催化氧化的效果；另一方面，本发明又创新性地将铁粉以及较易被磁化的碳粉引入到系统中，使铁粉、碳粉、纳米磁性二氧化钛等物质充分粘附在一起，形成较大的、易截留的颗粒，便于后续分离单元的高效分离并可确保其截留效能；同时，铁粉、碳粉的加入在改善二氧化钛分离效果的同时，可以有效利用二氧化钛的磁性来改善铁碳内电解对有机污染物的去除效果，进一步强化装置的整体处理效能。
纳米磁性二氧化钛催化氧化单元中采用气冲单元来进行系统的搅拌，从而在保证搅拌效果的同时，并可实现溶液的充氧过程，可在一定程度上强化催化氧化反应。
分离单元根据颗粒粒径所优选的截留孔径范围即可有效保障其对纳米二氧化钛、铁粉、碳粉所形成的粘结体的截留效能，同时可保证其基本的过水能力；分离单元所设置的滤布或滤膜可设置成装卸型以利于及时的更换；分离单元下方设置的脉冲气冲洗装置可及时地将粘附于初步过滤单元滤膜上的颗粒冲洗掉并重新回到纳米磁性二氧化钛催化氧化单元中，并可显著降低气冲所带来的能耗。
该装置的初步分离单元中创新性地将滤膜倾斜设置，从而即避免了水平设置时水流方向与截留物质滑落方向截然相反，容易出现滤膜堵塞，过膜压力急剧增加的缺陷，又可充分滤膜下部的脉冲曝气装置将截留物质冲洗回主体溶液，还可以对光催化氧化单元中的水流方向起到引导的作用，从而确保了整个装置的顺利运行。
出水单元中根据磁性纳米二氧化钛的基本特性，设置了铁粉过滤单元，从而可以进一步降低出水中纳米级二氧化钛出现的几率，有效规避了纳米材料应用中所带来的健康风险；出水单元中针对铁粉过滤层的反冲洗装置的设置巧妙地利用所设置电磁阀的开闭来实现滤层内截留纳米二氧化钛的重新回流至纳米磁性二氧化钛催化氧化单元中，又可利用反冲洗后段较清洁的水、气来实现分离单元中滤膜的冲洗。
附图说明
图1为本发明基于纳米磁性二氧化钛催化剂的光催化装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明基于纳米磁性二氧化钛催化剂的光催化装置做出进一步说明。
基于纳米磁性二氧化钛催化剂的光催化装置，包括主体1、进水单元2、纳米磁性二氧化钛催化氧化单元3、分离单元4和出水单元5。
进水单元2设于主体1上方，进水单元包括进水管21以及与进水管21连通的二氧化钛补充口22、铁粉补充口23和炭粉补充口24。
纳米磁性二氧化钛催化氧化单元3设于主体1中部，采用完全混合形式，并设置有充气搅拌装置31；充气搅拌装置31为穿孔曝气管，曝气管上的开孔尺寸为0.5-1.5mm；纳米磁性二氧化钛催化氧化单元3中设置有一组紫外灯32。
分离单元4设于主体1下部，包括分离装置41以及设于分离装置41上的滤膜42和滤膜下方的脉冲气洗装置43；分离装置41为平行设置的2组以上孔径为2-10μm的平面网状截留装置，且每组截留装置呈倾斜设置，倾斜角为100～150°；分离单元4的顶部设有电磁阀44；
出水单元5与分离单元4直接连接；出水单元5为L形弯管，其底部分别设置出水口和进气口，其内部填充粒径10-30目的铁粉作为滤层。
利用上述装置处理废水，包括以下步骤：
(1)将磁性纳米二氧化钛、铁粉、炭粉投入权利要求1至8任一项所述的基于纳米磁性二氧化钛催化剂的光催化装置内，作为复合催化氧化材料；
(2)在紫外灯光照射下，利用充气搅拌装置将溶液混合均匀并完成催化氧化反应；
(3)利用滤膜将催化氧化反应材料截留并回流至纳米磁性二氧化钛催化氧化单元内；
(4)经滤膜过滤后的水经出水单元过滤，得净化后的水。
为验证该装置的效能，在实验室利用自配制原水进行了相关的效能验证。试验期间自配水的水质情况如表1所示。
表1原水水质参数检测结果
通过采用不同的参数设置，验证水处理效果，该装置运行参数见表2。
表2新型催化氧化装置运行参数
检测处理后水质，结果见3。
表3处理出水水质参数检测结果
Claims (9)
1.一种基于纳米磁性二氧化钛催化剂的光催化装置，其特征在于：包括主体(1)、进水单元(2)、纳米磁性二氧化钛催化氧化单元(3)、分离单元(4)和出水单元(5)；所述进水单元(2)设于主体(1)上方，所述进水单元包括进水管(21)以及与进水管(21)连通的二氧化钛补充口(22)、铁粉补充口(23)和炭粉补充口(24)，二氧化钛补充口(22)、铁粉补充口(23)和炭粉补充口(24)投加的磁性纳米二氧化钛、铁粉、炭粉的质量比为4:2:1～3:1:1，粒径分别为10-100nm、1-10μm、1-10μm；所述纳米磁性二氧化钛催化氧化单元(3)设于主体(1)中部，采用完全混合形式，并分别设置有充气搅拌装置(31)；所述分离单元(4)设于主体(1)下部，包括分离装置(41)以及设于分离装置(41)上的滤膜(42)和滤膜下方的脉冲气洗装置(43)，所述出水单元(5)与分离单元(4)直接连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米磁性二氧化钛催化剂的光催化装置，其特征在于：充气搅拌装置(31)为穿孔曝气管，曝气管上的开孔尺寸为0.5-1.5mm，充气强度为2-30L/m2·s。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米磁性二氧化钛催化剂的光催化装置，其特征在于：纳米磁性二氧化钛催化氧化单元(3)中设置有一组紫外灯(32)，相邻紫外灯间距为10-20cm。
4.根据权利要求1所述的一种基于纳米磁性二氧化钛催化剂的光催化装置，其特征在于：分离装置(41)为平行设置的2组以上孔径为2-10μm的平面网状截留装置，且每组截留装置呈倾斜设置，倾斜角为100～150°。
5.根据权利要求1所述的一种基于纳米磁性二氧化钛催化剂的光催化装置，其特征在于：脉冲气洗装置(43)的气洗强度为10-30L/m2.s、脉冲周期设置为10s～10min。
6.根据权利要求1所述的一种基于纳米磁性二氧化钛催化剂的光催化装置，其特征在于：分离单元(4)的顶部设有电磁阀(44)。
7.根据权利要求1所述的一种基于纳米磁性二氧化钛催化剂的光催化装置，其特征在于：所述出水单元(5)为L形弯管，其底部分别设置出水口和进气口，其内部填充粒径10-30目的铁粉作为滤层，滤层厚度为0.2-0.5m，滤速为1-8m/h。
8.根据权利要求1所述的一种基于纳米磁性二氧化钛催化剂的光催化装置，其特征在于：所述滤膜(42)的孔径为1-10μm。
9.一种基于磁性纳米二氧化钛的组合光催化氧化方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将磁性纳米二氧化钛、铁粉、炭粉投入权利要求1至8任一项所述的基于纳米磁性二氧化钛催化剂的光催化装置内，作为复合催化氧化材料；
(2)在紫外灯光照射下，利用充气搅拌装置将溶液混合均匀并完成催化氧化反应；
(3)利用滤膜将催化氧化反应材料截留并回流至纳米磁性二氧化钛催化氧化单元内；
(4)经滤膜过滤后的水经出水单元过滤，得净化后的水。
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