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一种基于可见光光触媒污水净化系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于可见光光触媒污水净化系统，它包括光催化反应池、可见光发光二极管潜水光源和出水管道，用以提供污水净化空间和污水净化时装有可见光光触媒材料的光催化反应池内装有一个或多个可见光发光二极管潜水光源；光催化反应池设有污水入水口和所述出水管道，在所述出水管道的管内或管口处设有过滤可见光光触媒材料的微孔滤板；在所述出水管道上连接有用以为所述光催化反应池提供曝气的供气管路或气泵。本系统可直接在可见光发光二极管的激发下进行可见光催化处理污水，其处理效率都有了极大的提高。本发明中的光触媒材料可直接被可见光发光二极管激发，极大地降低了设备成本和能耗。

Description

一种基于可见光光触媒污水净化系统
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体涉及一种基于可见光光触媒材料的污水处理系统。
背景技术
目前国内乃至世界范围内的水污染问题日益严重，有机污染尤为突出。传统的水处理技术能耗较大且效率较低，面对日益严格的污水排放标准已难以满足污水处理要求。
自1976年J.H.Cary等人报道了在紫外光照射下纳米TiO2可以使难降解的多氯联苯脱氯以来，迄今已发现有数百种有机污染物可通过光催化处理。光催化反应原理是，在光源(紫外光或可见光)照射下，纳米光触媒表面会产生氧化能力极强的羟基自由基(·OH)，使水中的有机污染物氧化降解为无害的CO2和H2O。纳米光催化氧化技术的优点是：降解速度快，一般只需几十分钟到几小时即可取得良好的废水处理效果；降解无选择性，几乎能降解任何有机物，尤其适合于氯代有机物、多环芳烃等；氧化反应条件温和，投资少，能耗低；无二次污染，有机物彻底被氧化降解为CO2和H2O；应用范围广，几乎所有的污水都可以采用。
光触媒技术拥有高效、环保、低成本等优势受到世界范围的广泛关注。但传统的光触媒材料如TiO2需要利用紫外线进行激发，使用成本较高，能源利用率低。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种基于可见光光触媒材料的污水处理系统。
本发明的另一目的是提供一种可通过可见光发光二极管光源激发的可见光光触媒材料。
本发明的目的可以通过以下措施达到：
一种基于可见光光触媒污水净化系统，它包括光催化反应池、可见光发光二极管潜水光源和出水管道，用以提供污水净化空间和污水净化时装有可见光光触媒材料的光催化反应池内装有一个或多个所述可见光发光二极管潜水光源；所述光催化反应池设有污水入水口和所述出水管道，在所述出水管道的管内或管口处设有过滤可见光光触媒材料的微孔滤板；在所述出水管道上连接有用以为所述光催化反应池提供曝气的供气管路或气泵，或者在所述出水管道之外设有用以为所述光催化反应池提供曝气的气体管路，在该气体管路的末端连接有供气管路或气泵。
本系统主要由可见光光触媒材料和光催化反应装置两个部分组成。在系统运行时需先向光催化反应池中装入可见光光触媒材料，该光触媒材料由溶液法直接合成，颗粒尺寸为500-700nm，经过滤干燥后避光保存，其用量需根据污水水质进行配比。污染越严重的污水需要加入的量越多，以8000COD含量的污水为例每吨水需配比1～5kg光触媒材料，4000COD含量的需要配比0.5～2kg光触媒材料。
本系统中的微孔滤板采用能够过滤可见光光触媒材料的微孔聚乙烯滤板，孔径为0.2-0.4um，处理后的污水经由微孔滤板过滤实现与光触媒的分离并从出水口排放。滤板中堵塞的微孔可在曝气过程中利用气流反冲得以恢复。本发明对微孔滤板的尺寸并没有严格要求，一般情况下，滤板直径以30～50cm为佳。本发明中的微孔滤板可以设置在出水管道的入口处，也可以设在出水管道内部，例如设在出水管道污水液面之下。在一种优选方案中，采用大于出水管道管径的微孔滤板以提高排水和过滤效率，该微孔滤板通过一个变径接口连接在出水管道入水口处。
本系统中的光源与现有技术中的紫外光源不同，而是采用可见光发光二极管潜水光源，其中多个光源呈柱状、条状、环状或线状地规则或无规则地分布在光催化反应池的内部，它们可以直接安装在光催化反应池内壁上，也可以安装在光催化反应池内的其他附属部件上。一种具体方案是，多个可见光发光二极管潜水光源分布在一端连接所述光催化反应池底部或侧壁的光源柱上，多根分别装有可见光发光二极管潜水光源的光源柱分布在所述光催化反应池内，例如多根光源柱分两列或三列竖直地分布在光催化反应池内。可见光潜水光源的功率根据一次性处理的污水进行配比，例如每吨污水配比300-500W功率的光源。
在光催化反应池内还可进一步装有搅动污水的潜水搅拌机。
进一步的，在所述出水管道的出水口处设有用以排出所述光催化反应池内的水的抽水水泵，在所述抽水水泵之前的出水管道上设有控制光催化反应池出水的出水管道阀门。
本系统中的曝气装置可集成在出水管道上，例如本系统中在供气管路或气泵之前的管路上设有控制曝气的曝气管道阀门，在所述曝气管道阀门之前的出水管道上设有防止水回流进入供气管路或气泵的止回阀。这种集成的方式可以同时起到曝气和气体清洗微孔滤板以防止堵塞的作用。除了这种集成的方式外，本系统还可以采用独立的曝气装置，例如在出水管道之外设有用以为所述光催化反应池提供曝气的气体管路，在该气体管路的末端连接有供气管路或气泵。
本系统中使用的光触媒材料可由溶液法直接合成，一种具体的可应用于本发明基于可见光光触媒污水净化系统的可通过可见光发光二极管光源激发的可见光光触媒材料，其制备方法为：铜盐与表面活性剂溶于水中，再加入氢氧化钠和还原剂充分混合后静置，最后经过过滤洗涤干燥制得。
在制备方法中，铜盐可选自硫酸铜、氯化铜或醋酸铜等中的一种或几种，表面活性剂可选自聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠等中的一种或几种，铜盐与表面活性剂的摩尔比为1:20～30；还原剂可选自葡萄糖、维生素C、盐酸羟胺等中的一种或几种，氢氧化钠与铜盐的摩尔比为2～7：1，优选3～5：1，还原剂与铜盐的摩尔比为2～5：1，优选2～4：1；静置时间为1～5h，优选2h。
该可见光光触媒材料的颗粒尺寸为500～700nm。具有多面体结构。光谱吸收峰值在430nm至470nm之间，具有较强的散射能力，在发光二级光光源激励下表现出极强光催化活性。3mg光触媒对300mL浓度20mg/L甲基橙水样2h有机物去除率98％，对芳香族有机物有较强的降解作用，3mg光触媒对100mL浓度507mg/L芳香族有机物水样16h去除率88％。
本系统运行时，污水从污水入水口导入光催化反应池，在光催化反应池中与可见光光触媒材料混合并在可见光发光二极管潜水光源的激励下发生光催化反应，处理过程中进行曝气。光源功率和可见光光触媒材料的投加量需根据污水水质进行配比。污水水质达到检测标准或处理时间结束后，通过出水管道排出处理后的污水，经过微孔滤板的过滤使可见光光触媒材料留在光催化反应池中，微孔滤板中堵塞的微孔可通过曝气恢复。
本发明的系统可直接在可见光发光二极管的激发下进行可见光催化处理污水，其处理成本和处理效率都有了极大的提高。本发明中的新型可见光光触媒材料可直接被可见光发光二极管激发，极大地降低了设备成本和能耗。同时该材料能够有效实现对有机污染物及细菌的降解，有效降低污水的COD指标，无其他有害副产物。可见光光触媒生产成本低廉，且由于其颗粒尺寸在500nm至700nm之间可利用微孔聚乙烯滤板实现污水处理后的有效分离，实现光触媒的循环使用。该系统可替代目前传统的生物膜处理环节，同时可根据不同的应用要求改造为不同规模的处理设备，用于生活污水、工业污水等应用领域。
附图说明
图1是本发明的一种基于可见光光触媒污水处理系统结构示意图；
图2是本发明的一种可见光发光二极管潜水光源排布俯视图；
图3是本发明实施例1所得可见光光触媒材料的扫描电子显微镜图；
图4是本发明实施例1所得可见光光触媒材料的光谱吸收图。
图中，1-污水入水口，2-光催化反应池，3-潜水搅拌机，4-可见光发光二极管潜水光源，5-可见光光触媒材料，6-微孔滤板，7-出水管道，8-止回阀，9-曝气管道阀门，10-气泵，11-出水管道阀门，12-抽水水泵，13-出水口。
具体实施方式
本发明的一些方面和实施方案可以通过以下的具体实施例加以进一步说明。此处公开的这些方案是描述性的，并不表示限制本领域的技术人员使用其它可能的方式和方案。
下面有代表性的例子旨在帮助阐述本发明，而不是有意也不应该被解释为限制本发明的范围。事实上，除了那些出现和描述于此的以外，本发明中文件的全部内容，包括依据此处引用的科技文献和专利的例子，以及由此产生的各种修饰和许多进一步变化对本专业内一般技术人员都是清晰明白的。还应当明白，这些参考文献的引用有助于陈述本文内容。下面的例子包含了重要的补充信息、范例和指导，可适应于本发明中各种变化及类似情况。
实施例1
将5mL 0.1mol/L硫酸铜溶液加入50mL去离子水中并加入0.015mol聚乙烯吡咯烷酮充分混合。加入10mL 0.2mol/L氢氧化钠溶液以及15mL 0.1mol/L盐酸羟胺溶液，充分混合并静置2h后过滤洗涤烘干，避光保存。
所得光触媒材料扫描电子显微镜图如图1所示，颗粒尺寸在500nm至700nm之间。
光触媒材料的光谱图如图2所示，光谱吸收峰值在445nm至465nm之间，具有较强的光散射效应。
实施例2
本发明的一种基于可见光光触媒污水净化系统，它包括污水入水口1、光催化反应池2、潜水搅拌机3、可见光发光二极管潜水光源4、微孔滤板6、出水管道7、止回阀8、曝气管道阀门9、气泵10、出水管道阀门11和抽水水泵12。
其中污水入水口1可设在光催化反应池2的上部或顶部，潜水搅拌机3设在光催化反应池2内的下部或底部，多个可见光发光二极管潜水光源4分布在光源柱上，光源柱的底端安装在光催化反应池2的底部，多个光源柱呈两列分布在光催化反应池2内(如图2)，在处理时，污水淹没过光源柱的顶部。根据提前测得的待处理污水水质，向光催化反应池2内装入采用实施例1的方法大规模制得的可见光光触媒材料5。出水管道7的入口位于光催化反应池2内的下部或中下部，在出水管道7的入口处设有用以过滤可见光光触媒材料5的微孔滤板6。在出水管道7位于光催化反应池2的部分通过一个三通分成两个管路，其中一个管路依次设有止回阀8、曝气管道阀门9和气泵10，该管路用以处理过程中向光催化反应池2提供曝气以及冲洗微孔滤板6，止回阀8以防止污水进入气泵10；出水管道7的另一个管路上依次设有出水管道阀门11、抽水水泵12和出水口13，通过该抽水水泵12抽出光催化反应池2内处理完成后的污水。
本系统在运行时，先将可见光光触媒材料5加入光催化反应池2。污水由污水入水口1进入光催化反应池2并开启潜水搅拌机3使污水与光触媒充分混合。打开曝气管道阀门9并关闭出水管道阀门11。打开气泵10对污水进行曝气。开启可见光发光二极管潜水光源4激发光催化反应。处理结束后关闭气泵10以及曝气管道阀门9，止回阀8可防止回流造成水流进入气泵。关闭潜水搅拌机3以及可见光发光二极管潜水光源4使光触媒静置沉淀。打开出水管道阀门11并打开抽水水泵12使处理后的污水经出水口13排放。排放完成后关闭抽水水泵12和出水管道阀门11。污水由污水入水口1进入光催化反应池2进行下一轮处理。
实验测试中将100mL含有如表1所示有机污染物的污水样本以及3mg光触媒材料加入反应池，污水样本处理前总有机物含量为506.6mg/L，pH值为6.5。开启潜水搅拌泵和曝气设备使污水与光触媒充分混合。开启8.8W可见光发光二极管潜水光源进行16h光催化反应。处理后污水经微孔滤板与光触媒分离，处理后的污水总有机物含量为60.1mg/L，有机物去除率达到88.14％。经光触媒处理后剧毒的芳香族有机物完全降解为低毒性直链有机物。

Claims (11)

1.一种基于可见光光触媒污水净化系统，其特征在于它包括光催化反应池(2)，可见光发光二极管潜水光源(4)和出水管道(7)，用以提供污水净化空间和污水净化时装有可见光光触媒材料(5)的光催化反应池(2)内装有一个或多个所述可见光发光二极管潜水光源(4)；所述光催化反应池(2)设有污水入水口(1)和所述出水管道(7)，在所述出水管道(7)的管内或管口处设有过滤可见光光触媒材料(5)的微孔滤板(6)；在所述出水管道(7)上连接有用以为所述光催化反应池(2)提供曝气的供气管路或气泵(10)，或者在所述出水管道(7)之外设有用以为所述光催化反应池(2)提供曝气的气体管路，在该气体管路的末端连接有供气管路或气泵(10)。
2.根据权利要求1的所述的基于可见光光触媒污水净化系统，其特征在于所述可见光光触媒材料(5)的颗粒尺寸为500～700nm，所述微孔滤板(6)为能够过滤可见光光触媒材料(5)的微孔聚乙烯滤板。
3.根据权利要求1的所述的基于可见光光触媒污水净化系统，其特征在于所述可见光发光二极管潜水光源(4)呈柱状、条状、环状或线状地规则或无规则地分布在光催化反应池(2)的内部。
4.根据权利要求3的所述的基于可见光光触媒污水净化系统，其特征在于多个可见光发光二极管潜水光源(4)分布在一端连接所述光催化反应池(2)底部或侧壁的光源柱上，多根分别装有可见光发光二极管潜水光源(4)的光源柱分布在所述光催化反应池(2)内。
5.根据权利要求1的所述的基于可见光光触媒污水净化系统，其特征在于在所述光催化反应池(2)内装有搅动污水的潜水搅拌机(3)。
6.根据权利要求1的所述的基于可见光光触媒污水净化系统，其特征在于在所述出水管道(7)的出水口(13)处设有用以排出所述光催化反应池(2)内的水的抽水水泵(12)，在所述抽水水泵(12)之前的出水管道(7)上设有控制光催化反应池(2)出水的出水管道阀门(11)。
7.根据权利要求1的所述的基于可见光光触媒污水净化系统，其特征在于在所述供气管路或气泵(10)之前的管路上设有控制曝气的曝气管道阀门(9)，在所述曝气管道阀门(9)之前的出水管道(7)上设有防止水回流进入供气管路或气泵(10)的止回阀(8)。
8.根据权利要求1的所述的基于可见光光触媒污水净化系统，其特征在于所述可见光光触媒材料(5)由铜盐与表面活性剂溶于水中，再加入氢氧化钠和还原剂充分混合后静置，最后经过过滤洗涤干燥后制得。
9.根据权利要求8的所述的基于可见光光触媒污水净化系统，其特征在于所述铜盐选自硫酸铜、氯化铜或醋酸铜中的一种或几种，所述表面活性剂选自聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠中的一种或几种，铜盐与表面活性剂的摩尔比为1:20～30；所述还原剂选自葡萄糖、维生素C、盐酸羟胺中的一种或几种，氢氧化钠与铜盐的摩尔比为2～7：1，还原剂与铜盐的摩尔比为2～5：1；静置时间为1～5h。
10.一种可应用于权利要求1所述的基于可见光光触媒污水净化系统的可通过可见光发光二极管光源激发的可见光光触媒材料，其特征在于该材料由以下方法制得：铜盐与表面活性剂溶于水中，再加入氢氧化钠和还原剂充分混合后静置，最后经过过滤洗涤干燥制备。
11.根据权利要求10所述的可通过可见光发光二极管光源激发的可见光光触媒材料，其特征在于所述铜盐选自硫酸铜、氯化铜或醋酸铜中的一种或几种，所述表面活性剂选自聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠中的一种或几种，铜盐与表面活性剂的摩尔比为1:20～30；所述还原剂选自葡萄糖、维生素C、盐酸羟胺中的一种或几种，氢氧化钠与铜盐的摩尔比为2～7：1，还原剂与铜盐的摩尔比为2～5：1；静置时间为1～5h；该可见光光触媒材料的颗粒尺寸为500～700nm。
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