CN106006831B - 一种基于紫外灯阵列的抗污染连续立体光催化污水处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于紫外灯阵列的抗污染连续立体光催化污水处理装置，是由设置有进水口及出水口的反应容器和位于其中的光催化单元组成，其中所述光催化单元由硅胶层、石英套管、带电源接头的紫外灯、和固定于硅胶层上呈放射状排列的光导纤维基复合催化单元组成，该光催化单元相互平行以阵列形式排列于反应容器的中部方便与水充分接触且与水流方向垂直，其带电源接头端固定于反应容器的体壁上并与外界电源相连接。本发明的装置能利用光导纤维的光波导和纤维与二氧化钛纳米棒阵列之间的光的耦合，在氧化钛纳米棒内部实现内通光光催化，并利用紫外灯管阵列实现三维光催化，实现了对污水的连续光催化处理，效果明显，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及一种光催化污水处理装置，尤其涉及一种基于紫外灯阵列的抗污染连续立体光催化污水处理装置，属于污水处理装置技术领域。
背景技术
光催化是利用半导体材料在光的作用下，产生电子和空穴后，在水中生产的羟基自由基和超氧自由基对有机污染物的强氧化作用，实现对水中有机物的降解作用。由于光催化降解作用可以实现对有机物的完全矿化，可以用于污水深度处理。
以二氧化钛为代表的光催化材料已经问世三十多年，但目前为止，光催化降解在污水处理过程中仍然难以实用化。原因是：常见的光催化剂都是颗粒状，光催化降解过程一般是将光催化剂粉末放入污水中，进行紫外照射，光只在半导体催化剂表面发生光催化作用，实现对有机物的降解后，再将催化剂过滤取出，进行重复利用。这种光催化污水处理方法的缺点之一是这种批次式处理方式，时间长，效率低下，无法进行自动化生产；缺点之二是，这种光催化是利用光在水中的传播照射到光催化剂上，由于光催化剂穿透的厚度有限，所以，当光催化设备提高，尽管紫外灯功率加大，也难以照射到更远的位置，催化效率与实验室相比，会差很多；其三是，在污水处理过程中，催化剂容易被颗粒物污染，导致光无法照射到光催化剂表面，从而使光催化剂失效。为了解决颗粒状半导体光催化剂所必须采取的批次方式带来的缺点，人们将光催化剂组装到各种不同的材料表面，制备复合光催化剂，从而实现连续光催化。比如，将二氧化钛纳米颗粒粘结到玻璃表面，制成平流式光催化装置，但因为这种光催化装置，只有表面一层光催化剂起作用，水处理也只是发生在表面，所以，光催化效率很低；也有将颗粒状光催化剂组装到多孔玻璃，玻璃纤维、碳纤维表面，在紫外灯的照射下，实现一边过滤一边催化。这种模式尽管可以实现过滤催化，但由于光仍然是从材料的表面照射，所以，仍然难以穿透更深的材料，实现立体光催化，材料内部组装的催化剂无法起到作用，效率仍然无法提高。另外，这种方法组装的光催化剂，仍然是在复合材料的表面，污染问题无法解决。经检索，有关利用紫外灯阵列和玻璃纤维-氧化钛复合纤维构建的基于紫外灯阵列的抗污染连续立体光催化污水处理装置还未见报道。
发明内容
针对目前光催化剂和光催化装置存在的不足，本发明要解决的问题是提供一种基于紫外灯阵列的抗污染连续立体光催化污水处理装置。
本发明的主要技术方案是在透明纤维表面构建二氧化钛纳米结构阵列，形成二氧化钛-透明纤维光复合催化材料，并将这种材料的纤维端部粘结到紫外灯石英玻璃管表面，利用透明纤维的光波导和纤维与二氧化钛纳米棒阵列之间的光的耦合，在氧化钛纳米棒内部实现内通光光催化，利用紫外灯管阵列实现三维光催化，得到一种基于紫外灯阵列的抗污染连续立体光催化污水处理装置，实现对污水连续光催化处理。
本发明所述的基于紫外灯阵列的抗污染连续立体光催化污水处理装置由设置有进水口及出水口的反应容器和位于其中的光催化单元组成；其特征在于：所述反应容器是由不锈钢、玻璃或陶瓷制成的任意形状的且带有进水口和出水口的容器；所述光催化单元由硅胶层、石英套管、带电源接头的紫外灯、和固定于硅胶层上呈放射状排列的光导纤维基复合催化单元组成，其中所述石英套管内放置紫外灯，石英套管外是固定光导纤维基复合催化单元末端的硅胶层，该光催化单元相互平行以阵列形式排列于反应容器的中部方便与水充分接触且与水流方向垂直，其带电源接头端固定于反应容器的体壁上并与外界电源相连接；其中所述的光导纤维基复合催化单元是以光导纤维为基底，利用化学法在上面原位生长负载二氧化钛纳米结构而制得。
其中，上述的基于紫外灯阵列的抗污染连续立体光催化污水处理装置中，所述反应容器的形状优选是长方体状或圆桶状，进水口在反应容器的前端或上部设置，出水口在反应容器的后端或下部设置；上述光催化单元相互平行以阵列形式排列于反应容器的中部，其可以根据反应容器空间任意多排排列，以不影响容器中的水流运动为原则；上述带电源接头的紫外灯优选是5-50瓦的汞蒸气灯管或者金属卤化物灯管；上述光导纤维优选是直径为5-300微米的、单股或多股玻璃长纤维、石英纤维、聚乳酸纤维或者透明尼龙细丝；上述二氧化钛纳米结构优选为纳米棒、纳米片或者纳米线。
上述的基于紫外灯阵列的抗污染连续立体光催化污水处理装置中：所述光导纤维基复合催化单元的制备方法优选是：
(1)将总量为0.2-1.0克二氯二茂钛(C10H10Cl2Ti)加入40毫升体积比例为1:5-5:1的去离子水与二甘醇混合溶液中，混匀即得到钛源前驱体溶液；
(2)将制得的钛源前驱体溶液转移到容积为50毫升的反应釜中，将20克直径为5-300微米的光导纤维束一端扎紧放入中反应釜中，然后在120-220℃下水热反应5-50小时，自然冷却，取出后，用去离子水冲洗，在80℃烘箱中烘干2小时，即得到光导纤维基复合催化单元。
其中：所述水热反应的温度优选为150-200℃，所述水热反应的时间优选为25-50小时。
本发明所述的基于紫外灯阵列的抗污染连续立体光催化污水处理装置的构建。
(1)利用上述化学法制得光导纤维基复合催化单元；
(2)将制得光导纤维基复合催化单元的一端用透明硅胶粘结固定在石英玻璃套管表面，使其形成呈放射状排列的光导纤维基复合催化单元阵列层，石英套管外形成固定光导纤维基复合催化单元末端的硅胶层；
(3)将带电源接头的紫外灯放置到石英玻璃套管中，形成光催化紫外灯器件；
(4)将光催化紫外灯器件以并联形式与电源连接，即制得光催化单元；
(5)将光催化单元相互平行以阵列形式排列于反应容器的中部方便与水充分接触且与水流方向垂直，其带电源接头端固定于反应容器的体壁上并与外界电源相连接，打开紫外灯电源，连续注入污水，即可实现连续立体光催化污水处理。
本发明公开了一种基于紫外灯阵列的抗污染连续立体光催化污水处理装置，其实施具有如下突出效果：
①光催化过程在紫外灯阵列表面进行，可以实现整个容器内的三维立体催化，催化效率高；
②本发明的紫外灯阵列光催化装置，在反应容器两端装有进水口和出水口，可以实现过滤式连续光催化，大大提高水处理效率和自动化水平；
③紫外灯管发出的紫外光透过套管直接进入表面粘结有TiO2的光导纤维，进入纤维侧面的TiO2纳米结构光催化剂实现光催化。通过光导纤维传输的紫外光，传输距离长，消除了悬浮催化剂体系中光的传播距离受到催化剂散射影响导致传输距离小，效率低下的缺点；
④经过光导纤维进入二氧化钛纳米结构实现的光催化，光-电响应发生在二氧化钛内部，而光催化反应发生在二氧化钛表面，从而实现内通过光催化。这种光催化与普通的表面感光光催化相比，光催化剂的表面污染不会影响到催化剂的光电响应，具有很好的抗污染效果。
综上，本发明公开的基于紫外灯阵列的抗污染连续立体光催化污水处理装置是一种高效的、过滤式、抗污染连续光催化装置，其制备成本低，水处理效果优良，抗污染、使用寿命长、简单可行，适合工业废水深度处理，具有巨大的应用前景。
附图说明
图1：本发明所述基于紫外灯阵列的抗污染连续立体光催化污水处理装置结构示意图。
其中：1.光催化单元；2.反应容器；3.进水口；4.出水口。
图2：光催化单元结构示意图。
其中：5.硅胶层；6.石英套管；7.带电源接头的紫外灯；8.光导纤维基复合催化单元。
图3:光导纤维基复合催化单元结构示意图。
其中：9.光导纤维；10.二氧化钛纳米结构。
图4:实施例1中制得的光导纤维基复合催化单元扫描电镜照片。
其中：左为石英纤维束断面，右为二氧化钛纳米棒。
具体实施方式
实施例1：
1.将总量为1.0克二氯二茂钛(C10H10Cl2Ti)加入40毫升比例为5:1的去离子水与二甘醇混合溶液中，得到钛源前驱体溶液；
2.将上述钛源前驱体溶液转移到容积为50毫升的反应釜中，将直径为5微米的透明石英纤维束20克，将一端扎紧放入反应釜中，在220℃下水热27.5小时。自然冷却，取出后，用去离子水冲洗，在80℃烘箱中烘干2小时，得到光导纤维基复合催化单元，其扫描电镜照片如图4所示，此光导纤维基复合催化单元的结构示意图如3所示，此结构是以光导纤维为基底，利用水热法在上面原位生长负载二氧化钛纳米结构而获得。
3.将得到的光导纤维基复合催化单元的一端用透明硅胶粘结固定在石英玻璃套管表面，使其形成呈放射状排列的光导纤维基复合催化单元阵列层，石英套管外形成固定光导纤维基复合催化单元末端的硅胶层；并将带电源的5W的紫外灯管放置到石英玻璃套管中，形成光催化紫外灯器件；将光催化紫外灯器件以并联形式与电源连接，即制得如图2所示的光催化单元；
4.取16根制得的光催化单元相互平行以阵列形式置入500升带有进水口和出水口的长方形反应容器的中部方便与水充分接触且与水流方向垂直，其带电源接头端固定于反应容器的体壁上并与外界电源相连接，即形成如图1所示的基于紫外灯阵列的抗污染连续立体光催化污水处理装置；
具体结构是：所述装置由设置有进水口3及出水口4的反应容器2和位于其中的光催化单元1组成；其特征在于：所述反应容器是由不锈钢、玻璃或陶瓷制成的任意形状的且带有进水口和出水口的容器；所述光催化单元由硅胶层5、石英套管6、带电源接头的紫外灯7、和固定于硅胶层上呈放射状排列的光导纤维基复合催化单元8组成，其中所述石英套管内放置紫外灯，石英套管外是固定光导纤维基复合催化单元末端的硅胶层，该光催化单元相互平行以阵列形式排列于反应容器的中部方便与水充分接触且与水流方向垂直，其带电源接头端固定于反应容器的体壁上并与外界电源相连接；其中所述的光导纤维基复合催化单元是以光导纤维9为基底，利用水热法在上面原位生长负载二氧化钛纳米结构10而制得；
5.打开紫外灯电源，连续注入污水，即可实现连续立体光催化污水处理。
6.装置效果：将COD为300mg/L的造纸废水以每小时0.5吨的流速注入反应器中，出水口测得的废水COD值为40mg/L。
实施例2：
1.将总量为0.2克二氯二茂钛(C10H10Cl2Ti)加入40毫升比例为1:5的去离子水与二甘醇混合溶液中，得到钛源前驱体溶液；
2.将上述钛源前驱体溶液转移到容积为50毫升的反应釜中，将直径为300微米的透明尼龙纤维束20克，将一端扎紧放入反应釜中，在170℃下水热5小时。自然冷却，取出后，用去离子水冲洗，在80℃烘箱中烘干2小时，得到光导纤维基复合催化单元。
3.将步骤2得到的光导纤维基复合催化单元的一端用透明硅胶粘结在石英玻璃套管表面，形成一层光催化复合纤维阵列，并将带电源的50W的紫外灯管放入石英套管内部，形成如图2所示的光催化单元；
4.将步骤3得到的60根光催化单元以阵列排列方式置入装有入水口和出水口的容积为5000升的长方形反应容器中，形成图1所示的基于紫外灯阵列的抗污染连续立体光催化污水处理装置。打开紫外灯电源，连续注入污水，实现连续光催化。
5.装置效果：将COD为300mg/L的造纸废水以每小时2.5吨的流速注入反应器中，出水口测得的废水COD值为65mg/L。
实施例3：
1.将总量为0.6克二氯二茂钛(C10H10Cl2Ti)加入40毫升比例为1:1的去离子水与二甘醇混合溶液中，得到钛源前驱体溶液；
2.将上述钛源前驱体溶液转移到容积为50毫升的反应釜中，将直径为150微米的玻璃长纤维束20克，将一端扎紧放入反应釜中，在120℃下水热50小时。自然冷却，取出后，用去离子水冲洗，在80℃烘箱中烘干2小时，得到光导纤维基复合催化单元。
3.将步骤2得到的光导纤维基复合催化单元的一端用透明硅胶粘结在石英玻璃套管表面，形成一层光催化复合纤维阵列，并将带电源的30W的紫外灯管放入石英套管内部，形成如图2所示的光催化单元；
4.将步骤3得到的30根光催化单元以阵列排列方式置入装有入水口和出水口的容积为2500升的长方形反应容器中，形成图1所示的基于紫外灯阵列的抗污染连续立体光催化污水处理装置。打开紫外灯电源，连续注入污水，实现连续光催化。
5.装置效果：将COD为300mg/L的造纸废水以每小时1.5吨的流速注入反应器中，出水口测得的废水COD值为50mg/L。
实施例4：
(1)利用实施例1所述水热法制得光导纤维基复合催化单元；
(2)将制得光导纤维基复合催化单元的一端用透明硅胶粘结固定在石英玻璃套管表面，使其形成呈放射状排列的光导纤维基复合催化单元阵列层，石英套管外形成固定光导纤维基复合催化单元末端的硅胶层；如图3所示；
(3)将27.5W的带电源接头的紫外灯放置到石英玻璃套管中，形成光催化紫外灯器件；
(4)将光催化紫外灯器件以并联形式与电源连接，即制得光催化单元；
(5)将33根光催化单元相互平行以阵列形式排列于反应容器的中部方便与水充分接触且与水流方向垂直，其带电源接头端固定于2750升的反应容器的体壁上并与外界电源相连接，打开紫外灯电源，连续注入污水，即可实现连续立体光催化污水处理。
装置效果：将COD为300mg/L的造纸废水以每小时1.5吨的流速注入反应器中，出水口测得的废水COD值为48mg/L。
Claims (1)
1.一种基于紫外灯阵列的抗污染连续立体光催化污水处理装置，所述装置由设置有进水口(3)及出水口(4)的反应容器(2)和位于其中的光催化单元(1)组成；其中：所述反应容器是由不锈钢、玻璃或陶瓷制成的任意形状的且带有进水口和出水口的容器；所述光催化单元由硅胶层(5)、石英套管(6)、带电源接头的紫外灯(7)、和固定于硅胶层上呈放射状排列的光导纤维基复合催化单元(8)组成；
其特征在于：
所述石英套管内放置紫外灯，石英套管外是固定光导纤维基复合催化单元末端的硅胶层，该光催化单元相互平行以阵列形式排列于反应容器的中部方便与水充分接触且与水流方向垂直，其带电源接头端固定于反应容器的体壁上并与外界电源相连接；其中所述的光导纤维基复合催化单元是以光导纤维(9)为基底，利用化学法在上面原位生长负载二氧化钛纳米结构(10)而制得，其方法是：
(1)将总量为0.2-1.0克二氯二茂钛(C10H10Cl2Ti)加入40毫升体积比例为1:5-5:1的去离子水与二甘醇混合溶液中，混匀即得到钛源前驱体溶液；
(2)将制得的钛源前驱体溶液转移到容积为50毫升的反应釜中，将20克直径为5-300微米的光导纤维束一端扎紧放入中反应釜中，然后在150-200℃下水热反应25-50小时，自然冷却，取出后，用去离子水冲洗，在80℃烘箱中烘干2小时，即得到光导纤维基复合催化单元。
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