CN106277176A - 用于处理高浓度有机废水的二氧化钛薄膜光催化系统 - Google Patents

用于处理高浓度有机废水的二氧化钛薄膜光催化系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于处理高浓度有机废水的二氧化钛薄膜光催化系统，包括有机玻璃筒和蠕动泵；所述有机玻璃筒侧壁上设置有进水口，底部设置有出水口，所述进水口和出水口分别与蠕动泵的两端连接；所述有机玻璃筒内设置有若干玻璃管，每个玻璃管内均设置有条形铝基板；所述玻璃管为外壁涂覆二氧化钛薄膜的玻璃管；所述条形铝基板上设置有若干紫外灯珠；所述紫外灯珠与稳压电源连接。该系统中二氧化钛薄膜与紫外光直接接触，紫外光被最大限度的利用。完全消除了粉末态二氧化钛与传统二氧化钛薄膜光催化剂所存在的无紫外光照射的工作盲区，成功解决了光催化系统因高浓度废水透光性差而无法应用的难题。

Description

用于处理高浓度有机废水的二氧化钛薄膜光催化系统
技术领域
本发明属于环保技术领域，涉及一种用于处理高浓度有机废水的二氧化钛膜光催化系统，可广泛应用于水处理领域；具体涉及一种采用特殊方法制备二氧化钛薄膜用于光催化系统处理高浓度有机废水。
背景技术
近年来，光催化技术作为新型的高级处理技术，因其反应快、矿化率高、不产生二次污染、运行简单以及运营维护成本低等优势成为研究的热点。
在众多的半导体光催化剂中，二氧化钛因绿色无毒、良好的化学稳定性和光催化效率高等优点而备受关注。二氧化钛在紫外光照射下能够产生具有强氧化性的空穴、羟基自由基、超氧离子自由基、超氧羟基自由基等，能快速无选择性地将大多数有机污染物氧化至最终产物CO2和H2O，不产生二次污染。二氧化钛半导体光催化反应系统，操作简单，能耗低，经济效益与环境效益显著，因此在工业水处理方面前景广阔，更是备受重视和关注。但是，二氧化钛的传统应用形式主要是纳米粉末和薄膜两种，均存在一定的缺陷。如粉末形态的二氧化钛，在污水反应后很难跟水分离回收困难，而且由于高浓度有机废水透光性很差，会造成粉末形态的二氧化钛对光的利用率极低，因而传统粉末态光催化技术无法对高浓度有机废水进行有效处理；二氧化钛薄膜技术可以解决光催化剂与水的分离难题，但是大部分二氧化钛薄膜的制备方法，如CN 102828158A和CN104701017A等专利，成本高，方法复杂，大大限制了其工业化应用。因此，开发一种固定效果好、便于制备的二氧化钛薄膜，最大限度地利用紫外光，并将二氧化钛薄膜组件应用于废水处理尤其是高浓度有机废水的处理中是目前研究的重点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于处理高浓度有机废水的二氧化钛薄膜光催化系统，能够将二氧化钛光催化剂层有效固定，消除或缩短二氧化钛薄膜在无紫外光照射时工作盲区，该系统可应用于处理高浓度难降解有机废水。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种用于处理高浓度有机废水的二氧化钛薄膜光催化系统，包括有机玻璃筒和蠕动泵；所述有机玻璃筒侧壁上设置有进水口，底部设置有出水口，所述进水口和出水口分别与蠕动泵的两端连接；所述有机玻璃筒内设置有若干玻璃管，每个玻璃管内均设置有条形铝基板；所述玻璃管为外壁涂覆二氧化钛薄膜的玻璃管；所述条形铝基板上设置有若干紫外灯珠；所述紫外灯珠与稳压电源连接。
优选地，所述有机玻璃筒顶端设置有盖板，所述盖板上设置有用于固定玻璃管的圆孔。
优选地，所述圆孔的数量为6-8个，圆孔和玻璃管的孔径均为15-25mm。
优选地，所述外壁涂覆二氧化钛薄膜的玻璃管的制备方法包括以下步骤：
配制二氧化钛浆料，并将玻璃管外壁进行清洗；
通过浸渍提拉法将二氧化钛浆料涂覆在玻璃管外壁并充分干燥，形成二氧化钛薄膜；
将涂覆二氧化钛薄膜的玻璃管置于马弗炉中煅烧，即得。
优选地，所述玻璃管外壁采用等离子清洗，可增强二氧化钛薄膜在玻璃上的固定效果。
优选地，所述二氧化钛浆料的配制方法包括以下步骤：
A1、将二氧化钛粉末与乙醇混合，搅拌均匀，得混合液a；
A2、将羧甲基纤维素溶解在松油醇中，得混合液b；其中，羧甲基纤维素的作用是提高溶液的粘稠度，松油醇的作用是作为造孔剂。
A3、将混合液a和混合液b混合，超声搅拌6-8h，然后进行旋蒸，即得所述浆料。
优选地，所述混合液a和混合液b的质量比为1:1-1.5。
优选地，所述二氧化钛粉末与乙醇的固液比为10-13g：80-100ml。
优选地，所述羧甲基纤维素与松油醇的质量比为3-5g：80-100g。
优选地，所述玻璃管外壁采用等离子清洗剂进行表面处理。
优选地，所述充分干燥的时间为6-8h。
优选地，所述煅烧处理具体采用在450℃下煅烧30min，以去除薄膜中的添加剂。
优选地，所述二氧化钛薄膜的厚度为0.5-1μm。
优选地，所述紫外灯珠的功率为3-5W，发射波长为365nm；所述的条形铝基板宽为10mm，长度为150mm。
优选地，所述有机玻璃筒的侧壁上还设置有侧壁出水口，该侧壁出水口用于废水取样进行检测。
优选地，所述进水口和出水口通过橡胶管分别与蠕动泵的两端连接；所述紫外灯珠通过导线与稳压电源连接。
本发明还提供了一种高浓度废水处理方法，采用上述的用于处理高浓度有机废水的二氧化钛薄膜光催化系统进行处理。
本发明提供了一种通过等离子清洗机处理普通玻璃试管，并通过浸渍提拉法和煅烧在玻璃试管外表面制备二氧化钛光催化薄膜的技术，并将二氧化钛光催化薄膜与焊接在条形铝基板上的LED紫外灯珠成功结合在一起，应用于光催化二氧化钛薄膜水处理系统。
本发明的二氧化钛薄膜光催化系统在污水处理的过程中，污水通过蠕动泵，由出水口回到进水口，不断循环，并在反应器内停留一定的反应时间。污水在循环流动的过程中会与涂覆在玻璃管上的二氧化钛薄膜充分接触。与此同时，稳压电源能够稳定的供电，使焊接在条形铝基板上的LED紫外灯珠发出紫外光，而发出的紫外光完全被玻璃试管上的二氧化钛薄膜吸收，被紫外光激发的二氧化钛可以对反应器的污水进行氧化处理。在反应一段时间后，处理后的污水被排出。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明选用商用P25作为制备二氧化钛浆料原料，制备工艺操作简单，而且成本上经济实惠，有利于工业化应用。
2、本发明选用普通的玻璃试管，然后用等离子清洗机简单的处理一下便可将二氧化钛有效的固定在玻璃表面，操作简单易行，价格低廉。
3、二氧化钛薄膜与在紫外光直接接触，LED紫外灯珠发出的紫外光被最大限度的利用，同时，完全消除了粉末态二氧化钛与传统二氧化钛薄膜光催化剂所存在的无紫外光照射的工作盲区。高难度废水由于透光性差很差，严重阻碍了光催化在水处理领域的应用。本发明的二氧化钛薄膜可以与在紫外光直接接触，成功解决了光催化系统因高浓度废水透光性差而无法应用的难题。
4、本发明选用LED紫外灯珠作为光源，不仅可以大大提高光源的使用寿命，同时，紫外灯珠在使用的过程中可以通过条形铝基板以及反应器中循环流动的水体散热，也解决了工业光催化过程中光源散热的难题。
5、本发明制备方法简单、可以规模化生产，为解决光催化剂处理高浓度难降解有机废水的大规模应用提供了新的研究思路。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的用于处理高浓度有机废水的二氧化钛薄膜光催化系统示意图；
图2为盖板的俯视图；
其中：1-条形铝基板；2-盖板；3-进水口；4-玻璃管；5-紫外灯珠；6-侧壁出水口；7-出水口；8-蠕动泵；9-稳压电源；10-有机玻璃筒；11-导线；12-橡胶管；13-圆孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
以下实施例提供了一种用于处理高浓度有机废水的二氧化钛薄膜光催化系统，如图1和图2所示，包括有机玻璃筒10和蠕动泵8；所述有机玻璃筒10侧壁上设置有进水口3，底部设置有出水口7，所述进水口3和出水口7分别与蠕动泵8的两端连接；所述有机玻璃筒10内设置有若干玻璃管4，每个玻璃管4内均设置有条形铝基板1；所述玻璃管4为外壁涂覆二氧化钛薄膜的玻璃管；所述条形铝基板1上设置有若干紫外灯珠5；所述紫外灯珠5与稳压电源9连接。
所述有机玻璃筒10顶端设置有盖板2，所述盖板2上设置有用于固定玻璃管的圆孔13。
所述圆孔13的数量为6-8个，圆孔13和玻璃管4的孔径均为15-25mm。
所述外壁涂覆二氧化钛薄膜的玻璃管的制备方法包括以下步骤：
配制二氧化钛浆料，并将玻璃管外壁进行清洗；
通过浸渍提拉法将二氧化钛浆料涂覆在玻璃管外壁并充分干燥，形成二氧化钛薄膜；
将涂覆二氧化钛薄膜的玻璃管置于马弗炉中煅烧，即得。
所述二氧化钛浆料的配制方法包括以下步骤：
A1、将二氧化钛粉末与乙醇混合，搅拌均匀，得混合液a；
A2、将羧甲基纤维素溶解在松油醇中，得混合液b；
A3、将混合液a和混合液b混合，超声搅拌6-8h，然后进行旋蒸，即得所述浆料。
所述混合液a和混合液b的质量比为1:1-1.5。
所述二氧化钛粉末与乙醇的固液比为10-13g：80-100ml。
所述羧甲基纤维素与松油醇的质量比为3-5g：80-100g。
所述玻璃管外壁采用等离子清洗剂进行表面处理。
所述充分干燥的时间为6-8h。
所述煅烧处理具体采用在450℃下煅烧30min。
所述二氧化钛薄膜的厚度为0.5-1μm。
所述紫外灯珠5的功率为3-5W，发射波长为365nm；所述的条形铝基板1宽为10mm，长度为150mm。
所述有机玻璃筒10的侧壁上还设置有侧壁出水口6，该侧壁出水口6用于废水取样进行检测。
所述进水口3和出水口7通过橡胶管12分别与蠕动泵8的两端连接；所述紫外灯珠5通过导线11与稳压电源13连接。
下述实施例还提供了一种高浓度废水处理方法，采用上述的用于处理高浓度有机废水的二氧化钛薄膜光催化系统进行处理。
本发明的二氧化钛薄膜光催化系统在污水处理的过程中，污水通过蠕动泵8，由出水口7回到进水口3，不断循环，并在反应器内停留一定的反应时间。污水在循环流动的过程中会与涂覆在玻璃管4上的二氧化钛薄膜充分接触。与此同时，稳压电源13能够稳定的供电，使焊接在条形铝基板1上的LED紫外灯珠5发出紫外光，而发出的紫外光完全被玻璃管4上的二氧化钛薄膜吸收，被紫外光激发的二氧化钛可以对反应器内的污水进行氧化处理。在反应一段时间后，处理后的污水被排出。
实施例1
本实施例提供了一种用于处理高浓度有机废水的二氧化钛薄膜光催化系统，其制备包括以下步骤：
(1)有机载体的配制
将3g羧甲基纤维素溶解在80g松油醇中，过夜搅拌，得到澄清溶液，以后备用。
(2)二氧化钛浆料的制备
取商用P25二氧化钛粉末10g与80ml乙醇混合，待二者搅拌均匀以后，再加入第一步制得的有机载体，搅拌和超声6h，将得到的溶液进行旋蒸，最后制得二氧化钛浆料。
(3)二氧化钛薄膜的制备
将管长为150mm，直径为15mm的玻璃试管，用等离子清洗机进行表面处理，然后浸渍提拉法将二氧化钛涂覆在玻璃试管表面，将制得的薄膜干燥6h，保证其干燥充分。二氧化钛薄膜置于马弗炉中450℃煅烧30min，升温速率控制在5℃/min。
(4)LED紫外灯光源的制备
将功率为3W，发射波长为365nm的LED紫外灯珠5颗焊接到宽为10mm，长度为150mm的条形铝基板上。
本所述的所述的二氧化钛薄膜光催化系统及其污水处理工艺如下：
二氧化钛薄膜光催化系统，包括一个稳压电源，蠕动泵和有机玻璃筒，稳压电源为LED紫外灯珠供电，提供紫外光源；有机玻璃板上设有8个直径为15mm的圆孔，将8根装有LED紫外灯珠和条形铝基板的二氧化钛薄膜试管插入到所述的有机玻璃板的圆孔中；打开蠕动泵，使水体在反应器内循环流动，以100mg/L的罗丹明B溶液模拟高浓度有机废水，在处理3h后，其去除率为80％。
实施例2
本实施例提供了一种用于处理高浓度有机废水的二氧化钛薄膜光催化系统，其制备包括以下步骤：
(1)有机载体的配制
将4g羧甲基纤维素溶解在90g松油醇中，过夜搅拌，得到澄清溶液，以后备用。
(2)二氧化钛浆料的制备
取商用P25二氧化钛粉末13g与90ml乙醇混合，待二者搅拌均匀以后，再加入第一步制得的有机载体，搅拌和超声7h，将得到的溶液进行旋蒸，最后制得二氧化钛浆料。
(3)二氧化钛薄膜的制备
将管长为150mm，直径为20mm的玻璃试管，用等离子清洗机进行表面处理，然后浸渍提拉法将二氧化钛涂覆在玻璃试管表面，将制得的薄膜干燥7h，保证其干燥充分。二氧化钛薄膜置于马弗炉中450℃煅烧30min，升温速率控制在5℃/min。
(4)LED紫外灯光源的制备
将功率为3W，发射波长为365nm的LED紫外灯珠6颗焊接到宽为10mm，长度为150mm的条形铝基板上。
本所述的所述的二氧化钛薄膜光催化系统及其污水处理工艺如下：
二氧化钛薄膜光催化系统，包括一个稳压电源，蠕动泵和有机玻璃筒，稳压电源为LED紫外灯珠供电，提供紫外光源；有机玻璃板上设有7个直径为20mm的圆孔，将6根装有LED紫外灯珠和条形铝基板的二氧化钛薄膜试管插入到所述的有机玻璃板的圆孔中；打开蠕动泵，使水体在反应器内循环流动，以100mg/L的罗丹明B溶液模拟高浓度有机废水，在处理3h后，其去除率为85％。
实施例3
本实施例提供了一种用于处理高浓度有机废水的二氧化钛薄膜光催化系统，其制备包括以下步骤：
(1)有机载体的配制
将5g羧甲基纤维素溶解在100g松油醇中，过夜搅拌，得到澄清溶液，以后备用。
(2)二氧化钛浆料的制备
取商用P25二氧化钛粉末15g与100ml乙醇混合，待二者搅拌均匀以后，再加入第一步制得的有机载体，搅拌和超声8h，将得到的溶液进行旋蒸，最后制得二氧化钛浆料。
(3)二氧化钛薄膜的制备
将管长为150mm，直径为25mm的玻璃试管，用等离子清洗机进行表面处理，然后浸渍提拉法将二氧化钛涂覆在玻璃试管表面，将制得的薄膜干燥6h，保证其干燥充分。二氧化钛薄膜置于马弗炉中450℃煅烧30min，升温速率控制在5℃/min。
(4)LED紫外灯光源的制备
将功率为3W，发射波长为365nm的LED紫外灯珠5颗焊接到宽为10mm，长度为150mm的条形铝基板上。
本所述的所述的二氧化钛薄膜光催化系统及其污水处理工艺如下：
二氧化钛薄膜光催化系统，包括一个稳压电源，蠕动泵和有机玻璃筒，稳压电源为LED紫外灯珠供电，提供紫外光源；有机玻璃板上设有6个直径为25mm的圆孔，将6根装有LED紫外灯珠和条形铝基板的二氧化钛薄膜试管插入到所述的有机玻璃板的圆孔中；打开蠕动泵，使水体在反应器内循环流动，以100mg/L的罗丹明B溶液模拟高浓度有机废水，在处理3h后，其去除率为90％。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于处理高浓度有机废水的二氧化钛薄膜光催化系统，其特征在于，包括有机玻璃筒和蠕动泵；所述有机玻璃筒侧壁上设置有进水口，底部设置有出水口，所述进水口和出水口分别与蠕动泵的两端连接；所述有机玻璃筒内设置有若干玻璃管，每个玻璃管内均设置有条形铝基板；所述玻璃管为外壁涂覆二氧化钛薄膜的玻璃管；所述条形铝基板上设置有若干紫外灯珠；所述紫外灯珠与稳压电源连接。
2.如权利要求1所述的用于处理高浓度有机废水的二氧化钛薄膜光催化系统，其特征在于，所述有机玻璃筒顶端设置有盖板，所述盖板上设置有用于固定玻璃管的圆孔。
3.如权利要求1所述的用于处理高浓度有机废水的二氧化钛薄膜光催化系统，其特征在于，所述外壁涂覆二氧化钛薄膜的玻璃管的制备方法包括以下步骤：
配制二氧化钛浆料，并将玻璃管外壁进行清洗；
通过浸渍提拉法将二氧化钛浆料涂覆在玻璃管外壁并充分干燥，形成二氧化钛薄膜；
将涂覆二氧化钛薄膜的玻璃管置于马弗炉中煅烧，即得。
4.如权利要求3所述的用于处理高浓度有机废水的二氧化钛薄膜光催化系统，其特征在于，所述二氧化钛浆料的配制方法包括以下步骤：
A1、将二氧化钛粉末与乙醇混合，搅拌均匀，得混合液a；
A2、将羧甲基纤维素溶解在松油醇中，得混合液b；
A3、将混合液a和混合液b混合，超声搅拌6-8h，然后进行旋蒸，即得所述浆料。
5.如权利要求4所述的用于处理高浓度有机废水的二氧化钛薄膜光催化系统，其特征在于，所述混合液a和混合液b的体积比为1:1-1.5。
6.如权利要求3所述的用于处理高浓度有机废水的二氧化钛薄膜光催化系统，其特征在于，所述玻璃管外壁采用等离子清洗剂进行表面处理。
7.如权利要求3所述的用于处理高浓度有机废水的二氧化钛薄膜光催化系统，其特征在于，所述充分干燥的时间为6-8h。
8.如权利要求3所述的用于处理高浓度有机废水的二氧化钛薄膜光催化系统，其特征在于，所述煅烧处理具体采用在450℃下煅烧30min。
9.如权利要求1所述的用于处理高浓度有机废水的二氧化钛薄膜光催化系统，其特征在于，所述二氧化钛薄膜的厚度为0.5-1μm。
10.一种高浓度废水处理方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的用于处理高浓度有机废水的二氧化钛薄膜光催化系统进行处理。
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