CN106698584A - 光催化消毒器 - Google Patents

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王保强
王万军
吴子威
叶浩然
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Abstract

本公开提供一种光催化消毒器，所述消毒器包括容器、光源或光透射结构、搅拌装置、闪锌矿颗粒和磁场发生装置，其中所述闪锌矿颗粒是所述光催化消毒器中的光催化剂并且所述闪锌矿颗粒具有磁性，所述磁场发生装置用于产生磁场以将所述闪锌矿颗粒保持在所述光催化消毒器中。本公开还提供闪锌矿作为用于光催化消毒器的光催化剂的用途。本公开另外提供一种消毒被污染的水的方法，所述方法包括，在作为光催化剂的闪锌矿的存在下通过荧光灯管或日光对所述被污染的水进行照射消毒。

Description

光催化消毒器
技术领域
本公开涉及光催化消毒器，具体地涉及使用磁性天然物质作为光催化剂的可见光驱动的光催化消毒器。
背景技术
在生活和工业污水中存在大量的病原细菌。然而，这些废水通常被排放至公共污水处理设施，这些设施通常设计为使用氯化方法将对公共健康造成危害的病原细菌灭活。然而，在氯化处理过程中产生大量的有毒的和致突变的消毒副产物。
本公开采用日光或者其他无害可见光源降低所处理的水中病原细菌的潜在危害。因为本公开的消毒器设计简单，它可以被容易地结合至废水排放系统中(简单地通过将水泵送至消毒器中)。本公开可用于废水处理中的消毒过程。
市场上现有的光催化消毒器通常采用人工合成的化学品作为光催化剂。这些合成方法复杂并且产品的产量小，这使得这种处理变得非常昂贵。此外，使用过的光催化剂的分离和回收是困难的，因为这些光催化剂的尺寸很小，甚至是纳米尺寸的。
发明内容
本公开提供一种光催化消毒器，所述消毒器包括容器、光源或光透射结构、搅拌装置、闪锌矿颗粒和磁场发生装置，其中所述闪锌矿颗粒是所述光催化消毒器中的光催化剂并且所述闪锌矿颗粒具有磁性，所述磁场发生装置用于产生磁场以将所述闪锌矿颗粒保持在所述光催化消毒器中。
本公开还提供闪锌矿作为用于光催化消毒器的光催化剂的用途。
本公开还提供一种消毒被污染的水的方法，所述方法包括，在作为光催化剂的闪锌矿的存在下通过荧光灯管或日光对所述被污染的水进行照射。
本公开还提供一种消毒被污染的水的方法，所述方法包括使用本公开的光催化消毒器对于水，尤其是被污染的水进行消毒。
本公开还提供一种消毒方法，所述方法包括使用本公开的光催化消毒器对于其他液体进行消毒。
在本公开的一些实施方案中，消毒被污染的水的方法是使用本公开的光催化消毒器对被污染的水进行消毒的方法。
本公开还提供本公开的光催化消毒器用于消毒水体的用途。
本公开可以采用天然存在的矿物闪锌矿作为光催化剂，这种催化剂可以大量获得(产率以吨计)。此外，闪锌矿具有磁性，并且可以通过消毒器中的外磁场容易地再循环。因此，本公开产品的成本效益显著高于市场上现有的产品。
附图说明
图1是本公开的一个实施方案的消毒器的示意图，其中(a)是消毒器的三维视图；(b)是消毒器的侧视图并且(c)是消毒器的仰视图；在图1中，101表示挡板，102表示荧光灯管，103表示外壳(或透明外壳)，104表示线圈，105表示搅拌器，106表示入口，107表示出口。
图2显示不同NMS浓度的光催化杀菌性能。
图3显示不同光源的光催化杀菌性能结果。
图4显示蓝色LED光照下NMS光催化剂的可重复使用性。
图5是在日光照射下再循环的天然磁性闪锌矿(NMS)(1g/L)对大肠杆菌K-12(E.coli K-12)(105cfu/mL，100L)的光催化消毒效率。
具体实施方案
参照图1，在本公开的一些实施方案中，光催化消毒器包括100升的搅拌反应器(STR)作为容器的圆柱状设备。采样点、入口106和出口107分别位于容器的顶部和底部。
在本公开的一些实施方案中，光源为插入所述容器中的荧光灯管102或LED灯，优选蓝色LED灯，或所述光透射结构是所述容器的透明外壳103。
在本公开的一些实施方案中，光源为插入所述容器中的3-12根荧光灯管102，优选3-9根荧光灯管102，再优选6根荧光灯管102。
在本公开的一些实施方案中，磁场发生装置是电磁铁。
在本公开的一些实施方案中，磁场发生装置是环绕所述容器的一部分的线圈104。
在本公开的一些实施方案中，所述容器被线圈104环绕的部分占整个容器的体积的十分之一至三分之一，优选八分之一至四分之一，再优选五分之一。
在本公开的一些实施方案中，所述容器被线圈104环绕的部分在所述容器的最下部。
在本公开的一些实施方案中，闪锌矿颗粒是天然磁性闪锌矿(NMS)。
在本公开的一些实施方案中，闪锌矿颗粒的质量与所述容器的体积之比为0.1g/L至10g/L，优选0.2g/L至8g/L，再优选0.5g/L至5g/L，再优选0.8g/L至2g/L，最优选1.5g/L。
在本公开的一些实施方案中，光催化消毒器还包括入口106和出口107。
在本公开的一些实施方案中，光催化消毒器的入口106在所述消毒器的顶部。
在本公开的一些实施方案中，光催化消毒器的出口107在所述消毒器的底部。
在本公开的一些实施方案中，光催化消毒器还包括垂直于容器侧壁向内延伸的挡板101。
在本公开的一些实施方案中，光催化消毒器的挡板101的长度为所述容器半径的三十分之一至五分之一，优选二十分之一至八分之一，再优选十分之一。
在本公开的一些实施方案中，光催化消毒器是实验室规模的、中试规模的或工业化规模的。
在本公开的一些实施方案中，光催化消毒器是使用天然磁性物质作为光催化剂的可见光驱动的(VLD)光催化消毒器。
在本公开的一些实施方案中，选择从中国不同地区收集的天然磁性闪锌矿(NMS)作为光催化剂。
在本公开的一些实施方案中，光催化剂可以以相对较低成本大量获得。
在本公开的一些实施方案中，光催化剂可以通过外磁场简单地分离并再循环。
在本公开的一些实施方案中，光催化消毒器是间歇式的。
在本公开的一些实施方案中，光催化消毒器是连续式的。
在本公开的一些实施方案中，光催化消毒器还包括所需的泵和管线系统。
在本公开的一些实施方案中，光催化消毒器的光源由日光提供。
在本公开的一些实施方案中，光催化消毒器的光源由位于容器中间的荧光灯管102提供。
在本公开的一些实施方案中，光催化消毒器中的搅拌由一对出口107和入口106之间的泵提供。
在本公开的一些实施方案中，在排出消毒后的水的过程中，通过磁场发生装置将所述闪锌矿保持在用于进行所述消毒的消毒器中。
在本公开的一些实施方案中，在注入合适提及的被细菌污染的水样之后(例如100升)，打开荧光灯管102和搅拌器105以分别提供可见光和搅拌。
在本公开的一些实施方案中，光催化消毒器中的停留时间为10分钟至10小时，优选30分钟至5小时，再优选1小时至3小时，最优选2小时。
在本公开的一些实施方案中，通过打开环绕容器的线圈104提供磁场以保持磁性NMS。
在本公开的一些实施方案中，将处理过的水从一个或多个底部出口107排出。
在本公开的一些实施方案中，在关闭磁场之后，可以通过加入新的水样重复使用被磁场保持在容器中的NMS。
在本公开的一些实施方案中，可以在日光照射下使用本公开的光催化消毒器处理从生活和工业部门收集的水样。
在本公开的一些实施方案中，使用光催化剂将细菌细胞灭活。光催化剂(例如，NMS)放置在容器中。之后，将水并入容器中。通过打开光源开始消毒。光照射可提供能量使得NMS产生不同的活性氧物种(ROS)，这些ROS能够使得有机化合物降解并将细胞灭活。在消毒过程之后，将光源关闭并且打开外磁场(或者是围绕容器的电磁装置，或者是放置在容器底部的电磁平台)，以截留NMS。之后，将处理过的水从容器排出并且可以再一次重复消毒过程。
在本公开的一些实施方案中，依赖于光照时间，所消毒的细菌细胞浓度为低于108cfu/mL，优选低于107cfu/mL，再优选低于106cfu/mL，优选低于105cfu/mL，最优102cfu/mL至105cfu/mL。
实施例1
在不同条件下研究NMS光催化剂的光催化消毒性能。
选择细菌浓度为106cfu/mL，将该浓度的细菌液加入本公开的光催化反应器中，开启磁力搅拌，然后打开光源，每隔1小时取出细菌液检测细菌浓度变化，NMS光催化剂的浓度设置为0.5g/L，1.0g/L，1.5g/L和2.0g/L。不同NMS浓度的光催化杀菌性能结果在图2中给出。
由图2可见，随着NMS浓度由0.5g/L增加到1.5g/L，光催化杀菌效率逐步提高，浓度达到1.5g/L时，杀菌效率最高，随着NMS浓度继续增加到2.0g/L，光催化杀菌效率开始降低，主要是由于光照被过多催化剂阻挡造成。根据以上的研究结果，NMS的最优浓度为1.5g/L。
实施例2
测定使用白色和蓝色发光二极管(LED)灯的消毒能力，以及消毒器中的NMS光催化剂的可重复使用性(消毒5个重复循环)。
1.使用白色和蓝色发光二极管(LED)灯的消毒能力
选择细菌浓度为105cfu/mL，NMS催化剂浓度为1.5g/L，将该浓度的细菌液加入本公开的光催化反应器中，开启磁力搅拌，然后打开光源，每隔1小时取出细菌液检测细菌浓度变化，光源选择为白色和蓝色LED灯。不同光源的光催化杀菌性能结果在图3中给出。
由图3可见，使用蓝色LED作为光源时，可在6小时以内杀灭细菌，而使用白色LED为光源时，6小时仅能杀死1.5log的细菌。这是因为蓝色LED具有更高的光子能量，可以更好的激活NMS光催化剂。根据以上的研究结果，使用蓝色LED比白色LED的杀菌效果要好。
2.NMS光催化剂的可重复使用性
选择细菌浓度为105cfu/mL，NMS催化剂浓度为1.5g/L，将该浓度的细菌液加入本公开的光催化反应器中，开启磁力搅拌，然后打开光源(蓝色LED灯)，每隔一定时间取出细菌液检测细菌浓度变化。消毒完成后，关闭光源，打开电磁装置截留NMS催化剂。之后，将处理过的水从容器排出，然后再加入同样浓度的细菌溶液，重复以上实验过程，总共进行5次循环实验。蓝色LED光照下NMS光催化剂的可重复使用性结果在图4中给出。
由图4可见，NMS在蓝色LED光照下可见性5次重复性循环实验而不失活，在第5次实验时的少量失活是由表面吸附的有机物引起的。以上结果证实了NMS具有高稳定性和可重复使用性。
实施例3
为测试具有NMS的消毒器的可操作性，在中试规模的反应器中测试其VLD光催化消毒能力和磁性。
本实施例研究中试规模的消毒器的消毒效率。
具体地，选择细菌浓度为105cfu/mL，NMS催化剂浓度为1.5g/L，将该浓度的细菌液加入本公开的光催化反应器中，容量为100L，将反应器置于自然太阳光照下，开启磁力搅拌，每隔一定时间取出细菌液检测细菌浓度变化。消毒完成后，打开电磁装置截留NMS催化剂。之后，将处理过的水从容器排出，然后再加入同样浓度的细菌溶液，重复以上实验过程，总共进行5次循环实验。
结果显示，在2小时日光照射之后可以获得大肠杆菌(E.coli)(初始浓度为105cfu/mL)超过三个对数值(3-log)的减少。在重复五次消毒循环之后，消毒效率保持相同，显示了高光稳定性和消毒器中的光催化剂的可再循环性(参见图5)。
图5中在重复处理过程中消毒效率的波动归因于每天日光能量的波动。

Claims (10)

1.一种光催化消毒器，所述消毒器包括容器、光源或光透射结构、搅拌装置、闪锌矿颗粒和磁场发生装置，其中所述闪锌矿颗粒是所述光催化消毒器中的光催化剂并且所述闪锌矿颗粒具有磁性，所述磁场发生装置用于产生磁场以将所述闪锌矿颗粒保持在所述光催化消毒器中，优选地，所述闪锌矿颗粒是天然磁性闪锌矿。
2.根据权利要求1所述的光催化消毒器，其中所述光源为插入所述容器中的荧光灯管，或所述光透射结构是所述容器的透明外壳。
3.根据权利要求1或2所述的光催化消毒器，其中所述磁场发生装置是电磁铁、放置在容器底部的电磁平台、或者是环绕所述容器的一部分的线圈。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的光催化消毒器，其中所述磁场发生装置是环绕所述容器的一部分的线圈，所述容器被线圈环绕的部分占整个容器的体积的十分之一至三分之一，并且所述部分在所述容器的最下部。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的光催化消毒器，其中所述闪锌矿颗粒的质量与所述容器的体积之比为0.1g/L至10g/L。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的光催化消毒器，其中所述光催化消毒器还包括入口和出口，优选地，所述入口在所述消毒器的顶部，所述出口在所述消毒器的底部。
7.根据权利要求1-6中的任一项所述的光催化消毒器，其中所述光催化消毒器还包括垂直于容器侧壁向内延伸的挡板，所述挡板的长度为所述容器半径的三十分之一至五分之一。
8.闪锌矿作为用于光催化消毒器的光催化剂的用途。
9.一种消毒被污染的水的方法，所述方法包括，在作为光催化剂的闪锌矿的存在下通过荧光灯管或日光对所述被污染的水进行照射消毒。
10.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括，在排出消毒后的水的过程中，通过磁场发生装置将所述闪锌矿保持在用于进行所述消毒的消毒器中。
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