CN107010691A - 一种污水净化器及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种污水净化器及其应用方法，净化器包括作为催化剂药品的非贵金属改性氮化碳、以及石英等材料构成的器件两部分，能够有效吸收利用太阳能可见光，催化有机物分子降解变性，达到改善环境污染的目的；应用方法是将氮化碳前驱物三聚氰胺与可溶性非贵金属盐在去离子水中充分搅拌融合形成均相液体，经过搅拌干燥，然后在管式炉中高温处理。由于前驱体都是无机小分子，保证材料成形后金属粒子在氮化碳层状表面均匀负载，有效提高载流子迁移率，从而实现催化剂的高活高效。药品装载器由石英玻璃、不锈钢滤网等材料组成，保证太阳光的透射，以及污水的自由进出，以便与药品有效接触分离，实现光催化降解过程。
Description
技术领域
本发明公开了一种在太阳光下高效催化有机污染物降解的污水净化器及其应用方法，属于水体污染防治技术领域。
背景技术
随着经济的快速发展、工业化步伐的加快以及自然资源的过度使用，环境污染问题已成为普遍关注的世界性问题。而在环境污染中，又以水污染最为严重。治理水污染的方法有很多，但传统的治理方法往往具有周期长、不彻底、能耗高等局限性。光催化技术是一种廉价、清洁的新兴化学技术，可以将难降解的有机污染物彻底降解变性，具有能耗低、绿色环保等突出优点。研究光催化剂的最重要的一点，就是提高光催化剂对太阳光能的利用效率。氮化碳(g-C3N4)的优越性就在于其禁带宽度(2.7eV左右)，保证了它能够很好地利用太阳能可见光(波长处于380nm～780nm之间，约占太阳光总量的45％)进行催化反应，从而大幅提升对太阳能的吸收利用效率。
然而，g-C3N4也具有诸多不足，比如，其结构中电子-空穴对复合率较高、电子迁移速率较低，直接限制了催化效率的提升。在以往的研究中，大量的工作证明，它的有机结构保证了它可以和许多材料形成复合物。在本发明中，我们充分考虑并利用到g-C3N4这一新型有机催化剂的优点，同时引入廉价、环保的非贵金属(Fe、Ni、Co等)材料，有效地降低了g-C3N4内部电子-空穴对复合率，同时大大提高了催化剂材料对太阳光能的吸收利用率，使得催化效率有了显著改善。
催化剂药品的装载仪器使用的是石英等材料，确保在弱酸性、碱性条件下都具有良好的稳定性。在普通日光照射条件下，石英材料能保证光能的透过。使用过程中，污水从仪器下口进入，通过滤网与催化剂药品接触。使用完成后，接通电源开启马达，药品在离心力作用下沉积在石英管壁，实现药品与污水的快速分离。这一发明将为排污降解提供新的方法和思路。
发明内容
技术问题：目前商用许多光触媒产品(如二氧化钛P25)，只能够吸收利用紫外光(不到太阳光能7％)进行光催化反应，严重制约催化效率；同时成本较高，不利于推广使用。这里提供的一种新型污水净化器设备，可有效利用太阳能可见光(占太阳光能45％左右)进行催化反应，而且成本低廉，稳定性良好，可以多次重复使用。
技术方案：本发明提供的一种在太阳光下高效催化有机污染物降解的净化器及其应用方法，包括如下步骤：
1.光催化剂药品的合成
1-1)原料主要为分析纯的三聚氰胺以及非贵金属水合硝酸盐或氯化盐(如九水硝酸铁、六水氯化镍等)，用适量的去离子水加热搅拌，形成均匀分散的的混合液体。
1-2)上述混合液体在80℃油浴环境下搅拌加热至粘稠粥状后，取出磁子，然后放入80℃清洁烘箱中直至完全干燥。得到的均匀固体进行细致的研磨，然后准确称量一定重量(5g)加入到洁净的瓷舟中，并用加盖一层锡箔纸以防止固体升华。在氩气环境下将固体粉末加热到550℃保持180分钟，然后再升温到600℃保持60分钟。降至室温后适当研磨，然后用适量乙醇清洗2～3次。
2.净化器的制备
包括：中空的圆柱形石英玻璃1，催化剂药品装载腔体2，圆柱形不锈钢滤网3，污水进出口4，药品添加口5，固定及旋转轴6，旋转马达7，固定横轴8，马达电源线9，所述中空的圆柱形石英玻璃1上端与旋转马达7固定连接，旋转马达7的保护外壳为聚氯乙烯材料；圆柱体石英管的内部结构为中空的圆柱形不锈钢网3，底端与中空的圆柱形石管1无缝连接；中空的圆柱形石管1上端有药品添加口5；旋转马达7上端与固定横轴8相连，马达电源线9通过横轴8催化剂药品装载腔体2导出，以马达电源线9接通外部电源；污水进出口4从仪器下方开口处直接进入，通过圆柱形不锈钢滤网3后与药品接触。
3.染料制备
在避光条件下，准备称量适量有机染料(如亚甲蓝MB)与去离子水配制成20mg/L蓝色染料溶液。
4.可见光催化降解
取20mL亚甲蓝溶液加入20mg催化剂材料，避光条件下搅拌60分钟达到吸附平衡后，用滤过紫外光的氙灯照射180分钟，并且每隔30分钟取适量液体进行紫外-可见光透射实验，测试染料降解率。
有益效果
与现有的光触媒材料相比，本发明的优点在于：
1、本发明可有效利用太阳能可见光进行催化反应，且催化效率良好。同时催化剂药品与污染水体可高效接触或分离，使用后可快速回收。
2、催化剂药品与设备成本低廉，绿色环保，本身不会对环境造成危害，而且能够反复使用。
附图说明
图1为污水净化器装置图；
图中包括：1-中空的圆柱形石管；2-催化剂药品装载腔体；3-圆柱形不锈钢滤网；4-污水进出口；5-药品添加口；6-固定及旋转轴；7-旋转马达；8-固定横轴；9-马达电源线。
图2是Fe金属改性g-C3N4纳米复合物在扫描电子显微镜下的图像，图中可观察到金属粒子以及有机层状体。
图3是可见光条件下Fe改性g-C3N4样品催化效率测试以及与未改性氮化碳催化效率对比。
具体实施方式
以下结合实例对本发明进行详细说明，本发明不受这些实例所限。
实施例1：净化器的制备
太阳光下高效催化有机污染物降解的污水净化器基本结构主要分为两部分，包括装载仪器、催化剂药品；
装载仪器：为稳定透光的石英、不锈钢滤网、聚氯乙烯等材料构成；
催化剂药品：使用固热法合成的非贵金属改性g-C3N4纳米复合材料。
仪器的制备使用石英管、不锈钢滤网、聚氯乙烯等材料。
如图1所示，用石英材料定制的中空圆柱管，能保证光能具有很高的透射率。尺寸为底面外径10cm、高度30cm、管壁厚度2mm，底端中心有直径2cm的圆孔，上端与额定功率为1.0kW的旋转马达固定连接，马达的保护外壳为聚氯乙烯材料。圆柱体石英管的内部结构为中空的圆柱形不锈钢滤网，网孔尺寸不超过0.1mm，圆柱形滤网高度30cm、底面直径2cm，底端与石英管无缝连接。石英管上端设计有直径1.5cm的药品添加口。马达上端与聚氯乙烯材质的横轴相连，马达电源线可通过横轴的中空腔体导出，以接通外部电源。使用时，将净化器垂直放入污水中，污水从仪器下口直接进入，通过滤网后与药品接触，然后接通电源，调整转速为100转/分钟，使药品与污水充分混合接触。这一催化反应过程须在有太阳光照射条件下完成。反应30分钟后，降解过程完成，再次接通马达电源，调整转速为1000转/分钟，固体药品在离心作用下迅速向石英管壁沉积。然后切断电源，取出净化器即可。
实例2
在室温条件下，将0.05g的聚维酮(PVP)加入40mL去离子水中，继而加入5g三聚氰胺。在剧烈搅拌下，再将10mL预先准备好的浓度为20g/L九水硝酸铁逐滴将入到上述溶液中。然后将该均匀混合液体在80℃的油浴环境中加热搅拌干燥。干燥后的固体将进行进一步的精细研磨，得到均匀粉末。在氩气保护下，干燥均匀的粉末将进一步进行高温的处理。首先，以恒定的升温速率提高到550℃并在该温度下保温180分钟，继而继续升温到600℃并保温60分钟，然后自然冷却到室温。然后，将高温处理得到的催化剂样品适当研磨，并用无水乙醇清洗2～3次，得到Fe金属改性g-C3N4纳米复合物(图2)。在模拟太阳能可见光条件(附带滤光片的氙灯)下进行催化性能测试(染料为亚甲蓝MB)，并与未改性g-C3N4组对比(图3)，纳米复合材料表现出突出的光催化活性，2小时催化降解率达到85％以上。
实例3
在普通日光照射条件下，分别量取三组20mL预备好的罗丹明B染料样品，分别加入同种方法制取的Ni金属改性g-C3N4样品、商品级德固赛二氧化钛P25以及不加光触媒空白组进行光催化性能比较，30分钟后，空白组颜色基本不发生变化，说明染料在日光条件下稳定性良好。加入Ni改性g-C3N4复合材料烧杯中染料颜色变化显著，效果优于颜色变化不明显的德固赛P25光触媒。
Claims (9)
1.一种污水净化器，其特征在于，包括：中空的圆柱形石管(1)，催化剂药品装载腔体(2)，圆柱形不锈钢滤网(3)，污水进出口(4)，药品添加口(5)，固定及旋转轴(6)，旋转马达(7)，固定横轴(8)，马达电源线(9)；所述中空的圆柱形石英玻璃(1)上端与旋转马达(7)固定连接，旋转马达(7)的保护外壳为聚氯乙烯材料；圆柱体石英管的内部结构为中空的圆柱形不锈钢网(3)，底端与中空的圆柱形石管(1)无缝连接；中空的圆柱形石管(1)上端有药品添加口(5)；旋转马达(7)上端与固定横轴(8)相连，马达电源线(9)通过横轴(8)催化剂药品装载腔体(2)导出，以马达电源线(9)接通外部电源；污水进出口(4)从仪器下方开口处直接进入，通过圆柱形不锈钢滤网(3)后与药品接触。
2.如权利要求1所述的净化器，其特征在于，单个旋转马达(7)的额定功率为1.0kW。
3.如权利要求1所述的净化器，其特征在于，圆柱形不锈钢网(3)的网孔尺寸不超过0.1mm，圆柱形滤网高度30cm、底面直径2cm。
4.如权利要求1所述的净化器，其特征在于，药品添加口(5)直径为1.5cm。
5.如权利要求1所述的净化器，其特征在于，固定横轴(8)为聚氯乙烯材质。
6.如权利要求1所述净化器的应用方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)光催化剂药品的合成
1-1)原料为分析纯三聚氰胺以及非贵金属水合硝酸盐或氯化盐用适量的去离子水加热搅拌，形成均匀分散的的混合液体；
1-2)上述混合液体在80℃油浴环境下搅拌加热至粘稠粥状后，取出磁子，然后放入80℃清洁烘箱中直至完全干燥，得到的均匀固体进行细致的研磨，然后准确称量一定重量加入到洁净的瓷舟中，并用加盖一层锡箔纸以防止固体升华；在氩气环境下将固体粉末加热到550℃保持180分钟，然后再升温到600℃保持60分钟；降至室温后适当研磨，然后用适量乙醇清洗2～3次；
2)染料制备
2-1)在避光条件下，准备称量适量有机染料与去离子水配制成20mg/L蓝色染料溶液；
2-2)可见光催化降解
取20mL亚甲蓝溶液加入20mg催化剂材料，避光条件下搅拌60分钟达到吸附平衡后，用滤过紫外光的氙灯照射180分钟，并且每隔30分钟取适量液体进行紫外-可见光透射实验，测试染料降解率。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述1)光催化剂药品的合成1-2)中，原料为九水硝酸铁、六水氯化镍。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述2)染料制备2-1)在避光条件下，准备称量适量有机染料为亚甲蓝MB。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述1)光催化剂药品的合成1-2)称量一定经研磨的均匀固体重量为5g。
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