CN107892354A - 一种光催化降解染料废水的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光催化降解染料废水的装置及方法，所述装置包括反应器1，反应器内设置有搅拌装置9；顶壁上设置有染料废水进、取样口4，反应器的侧壁下部设置有出水口5；在反应器的中部顶壁下表面设置有中空管8，在中空管内设置有光源7；在反应器外部设置有冷却夹套6，反应器顶壁上设置有喷气管10，喷气管的下部设置有小孔11，在反应器冷却夹套的外表面设置有通电螺线管12，在反应器的外部设置有暗箱13，在暗箱的内表面设置有铝箔。本发明装置操作简单，可控性强。磁性催化剂可以重复利用，本发明的方法能大大提高染料的光催化降解效率。本发明的方法操作简便，降解效率高且极大地降低了光催化剂的使用成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种光催化降解染料废水的装置及方法，属于污水处理设备领域。
背景技术
随着我国印染、皮革、纺织工业的发展，富含染料的有机废水排放量日益剧增。由于废水中的染料难降解，且具有致癌致畸的作用，对环境和人体造成严重的污染与破坏。染料分子如亚甲基蓝(MB)、孔雀石绿(MG)等结构复杂，具有极强的稳定性，很难从废水中分离降解，因此，选用高效稳定且成本低廉的处理方法去除水体中的染料分子意义重大。
1972年，日本科学家Honda和Fujishima在《Nature》杂志上发表有关n型半导体TiO2单晶电极上光催化全分解水制氢气和氧气的论文，该发现在科学界掀起光催化研究的热潮。1976年，John.H.Carey接着报道了TiO2对多氯联苯的光催化氧化，这是首次将光催化技术应用于污染物处理工作，提供了有机物氧化的一条新思路。相比于传统的物理法、化学法和生物法等水污染治理手段，光催化法具有工艺简单，能耗低，操作条件容易控制，污染物降解效率高等特点，被认为是一种具有良好发展前景的环保新技术。
光催化反应大多在悬浮体系中进行，导致光催化剂尤其是纳米光催化剂的回收利用比较困难，传统的分离方法如离心、过滤等过程冗长且花费较高，这也给普通光催化剂的实际应用和工业化带来不便。为克服传统光催化反应体系中的缺陷，需提供一种新的废水降解途径，缩短反应周期，并降低成本。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种光催化降解染料废水的装置。
本发明的第二个目的是提供一种光催化降解染料废水的方法。
本发明的技术方案概述如下：
一种光催化降解染料废水的装置，包括反应器1，反应器内设置有搅拌装置9；顶壁上设置有染料废水进、取样口4，反应器的侧壁下部设置有出水口5；在反应器的中部顶壁下表面设置有中空管8，在中空管内设置有光源7；在反应器外部设置有冷却夹套6，冷却夹套6上设置有冷却水进水口2和冷却水出水口3，反应器顶壁上设置有喷气管10，喷气管的下部设置有小孔11，在反应器冷却夹套的外表面设置有通电螺线管12，在反应器的外部设置有暗箱13，在暗箱的内表面设置有铝箔。
光源选用紫外灯，也可以选用卤钨灯或氙灯。
一种光催化降解染料废水的方法，包括如下步骤：
(1)使用上述光催化降解染料废水的装置；
(2)按15-20mg:50ml的比例，将磁性光催化剂及染料废水从染料废水进、取样口4注入反应器1中，打开搅拌装置9，搅拌50～70min，向冷却夹套6中通入冷却水，使反应器内液体的温度保持在25～30℃，启动光源7，打开喷气管10，以20-50cm3/s的速度，通入空气使通入空气的体积为染料废水体积的1/9-1/10，关闭喷气管，再反应20-30min，给通电螺线管12通电，产生强磁，分离出磁性光催化剂，光催化降解后的水从出水口5排出；
(3)停止给通电螺线管12通电，磁性光催化剂从反应器内壁上脱离；
(4)用0mg:50ml的比例替代步骤(2)的15-20mg:50ml的比例，其它同步骤(2)；
(5)重复步骤(3)；
(6)重复步骤(4)和(5)1-3次。
本发明装置操作简单，可控性强。磁性催化剂可以重复利用，本发明的方法能大大提高染料的光催化降解效率。本发明的方法操作简便，降解效率高且极大地降低了光催化剂的使用成本。
附图说明
图1为本发明的一种光催化降解染料废水的装置示意图。
图2为实施例1及其对照组使用磁性光催化剂降解率。
图3为实施例2及其对照组使用磁性光催化剂降解率。
图4为实施例3及其对照组使用磁性光催化剂降解率。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
一种光催化降解染料废水的装置(见图1)，包括反应器1，反应器内设置有搅拌装置9；顶壁上设置有染料废水进、取样口4，反应器的侧壁下部设置有出水口5；在反应器的中部顶壁下表面设置有中空管8，在中空管内设置有光源7；在反应器外部设置有冷却夹套6，冷却夹套6上设置有冷却水进水口2和冷却水出水口3，反应器顶壁上设置有喷气管10，喷气管的下部设置有小孔11，在反应器冷却夹套的外表面设置有通电螺线管12，在反应器的外部设置有暗箱13，在暗箱的内表面设置有铝箔。
光源选用紫外灯。
也可以选用卤钨灯或氙灯。
实施例1
一种光催化降解染料废水的方法，包括如下步骤：
(1)使用上述光催化降解染料废水的装置；
(2)将15mg磁性光催化剂及50ml染料废水(20mg/L的亚甲基蓝(MB)水溶液)从染料废水进、取样口4注入反应器1中，打开搅拌装置9，搅拌60min，从染料废水进、取样口4取样3ml，标记为M0，向冷却夹套6中通入冷却水，使反应器内液体的温度保持在28℃，启动光源7，打开喷气管10，以35cm3/s的速度，通入空气使通入空气的体积为染料废水体积的1/10，关闭喷气管，30min后结束反应，给通电螺线管12通电，产生强磁，分离出磁性光催化剂，取样3ml，标记为M1，光催化降解后的水从出水口5排出。
(3)停止给通电螺线管12通电，磁性光催化剂从反应器内壁上脱离；
(4)采用步骤(2)的步骤，不放磁性光催化剂即：用0mg:50ml的比例替代步骤(2)的15mg:50ml的比例，其它同步骤(2)；
(5)重复步骤(3)；
(6)重复步骤(4)和(5)3次。
光源为15W紫外灯。
以在暗箱的内表面不设置铝箔的装置作装置对照，操作同实施例1步骤(2)、(3)、(4)、(5)和(6)。
用紫外-可见分光光度计分别检测M0、M1于664nm处的吸光度，计算其降解率(如图2所示)。
由图2显示，相对于对照的装置，本发明的方法对MB的降解效率提高了1.6倍左右；重复后，磁性光催化剂的损失及磁性光催化剂活性的降低，但仍具备较好的处理效果。
实施例2
一种光催化降解染料废水的方法，包括如下步骤：
(1)使用上述光催化降解染料废水的装置；
(2)按18mg:50ml的比例，将磁性光催化剂及染料废水(20mg/L的亚甲基蓝(MB)水溶液)从染料废水进、取样口4注入反应器1中，打开搅拌装置9，搅拌50min，向冷却夹套6中通入冷却水，使反应器内液体的温度保持在25℃，启动光源7，打开喷气管10，以20cm3/s的速度，通入空气使通入空气的体积为染料废水体积的1/10，关闭喷气管，再反应20min后结束反应，给通电螺线管(12)通电，产生强磁，分离出磁性光催化剂，光催化降解后的水从出水口5排出。
(3)停止给通电螺线管12通电，磁性光催化剂从反应器内壁上脱离；
(4)用0mg:50ml的比例替代步骤(2)的18mg:50ml的比例，其它同步骤(2)；
(5)重复步骤(3)；
(6)重复步骤(4)和(5)2次。
光源为150W卤钨灯。
以在暗箱的内表面不设置铝箔的装置作装置对照，操作同实施例2步骤(2)、(3)、(4)、(5)和(6)。
用紫外-可见分光光度计分别检测M0、M1于664nm处的吸光度，计算其降解率(如图3所示)。
由图3显示，相对于对照的装置，本发明的方法对MB的降解效率提高了1.5倍左右；重复后，磁性光催化剂的损失及磁性光催化剂活性的降低，但仍具备较好的处理效果。
实施例3
一种光催化降解染料废水的方法，包括如下步骤：
(1)使用上述光催化降解染料废水的装置；
(2)按20mg:50ml的比例，将磁性光催化剂及染料废水(20mg/L的亚甲基蓝(MB)水溶液)从染料废水进、取样口4注入反应器1中，打开搅拌装置9，搅拌70min，向冷却夹套6中通入冷却水，使反应器内液体的温度保持在30℃，启动光源7，打开喷气管10，以50cm3/s的速度，通入空气使通入空气的体积为染料废水体积的1/9，关闭喷气管，再反应30min后结束反应。给通电螺线管(12)通电，产生强磁，分离出磁性光催化剂，光催化降解后的水从出水口5排出；
(3)停止给通电螺线管12通电，磁性光催化剂从反应器内壁上脱离；
(4)用0mg:50ml的比例替代步骤(2)的20mg:50ml的比例，其它同步骤(2)；
(5)重复步骤(3)；
(6)重复步骤(4)和(5)1次。
光源为50W氙灯。
以在暗箱的内表面不设置铝箔的装置作装置对照，操作同实施例3步骤(2)、(3)、(4)、(5)和(6)。
用紫外-可见分光光度计分别检测M0、M1于664nm处的吸光度，计算其降解率(如图4所示)。
由图4显示，相对于对照的装置，本发明的方法对MB的降解效率提高了1.9倍左右；重复后，磁性光催化剂的损失及磁性光催化剂活性的降低，但仍具备较好的处理效果。
实施例4
磁性光催化剂(实施例1-3使用)的制备方法，包括如下步骤：
(1)称量0.8g干燥的TiO2纳米粉末分散到30mLNaOH溶液(10mol·L-1)中，超声使TiO2纳米粉末分散均匀，将所得分散液转移至50mL聚四氟乙烯衬里的高温反应釜中，在120℃下密闭反应48h，得到白色絮状沉淀。自然冷却至常温后，用去离子水洗至中性，将所得白色沉淀物在0.1mol·L-1HNO3中浸泡10h，离心，用去离子水洗至中性，得到白色沉淀物，放置在80℃真空干燥箱中干燥后得到TiO2纳米管。将所制备的TiO2纳米管在马弗炉中焙烧，焙烧温度为350℃，所得纳米管为下一步填充、复合γ-Fe2O3的原始纳米管。
(2)取0.1g上述制备的TiO2纳米管浸泡在Fe(CO)5溶液中，在密封50mL圆底烧瓶中避光、磁力搅拌24h后，离心，将固体颗粒转移至真空干燥箱中，抽真空，然后逐渐真空加热至180℃，维持这一温度70min后，自然冷却至常温，通入空气缓慢氧化即得γ-Fe2O3/TiO2纳米管。
上述磁性光催化剂的制备是为了使本领域的技术人员能够更好地理解本发明，但并不对本发明作任何限制，其它方法制备的磁性光催化剂都可以用于本发明。
Claims (3)
1.一种光催化降解染料废水的装置，包括反应器(1)，反应器内设置有搅拌装置(9)；顶壁上设置有染料废水进、取样口(4)，反应器的侧壁下部设置有出水口(5)；其特征是，在反应器的中部顶壁下表面设置有中空管(8)，在中空管内设置有光源(7)；在反应器外部设置有冷却夹套(6)，冷却夹套(6)上设置有冷却水进水口(2)和冷却水出水口(3)，反应器顶壁上设置有喷气管(10)，所述喷气管的下部设置有小孔(11)，在反应器冷却夹套的外表面设置有通电螺线管(12)，在反应器的外部设置有暗箱(13)，在暗箱的内表面设置有铝箔。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述光源为紫外灯或卤钨灯或氙灯。
3.一种光催化降解染料废水的方法，其特征是包括如下步骤：
(1)使用权利要求1或2的光催化降解染料废水的装置；
(2)按15-20mg:50ml的比例，将磁性光催化剂及染料废水从染料废水进、取样口(4)注入反应器(1)中，打开搅拌装置(9)，搅拌50～70min，向冷却夹套(6)中通入冷却水，使反应器内液体的温度保持在25～30℃，启动光源(7)，打开喷气管(10)，以20-50cm3/s的速度，通入空气使通入空气的体积为染料废水体积的1/9-1/10，关闭喷气管，再反应20-30min，给通电螺线管(12)通电，产生强磁，分离出磁性光催化剂，光催化降解后的水从出水口(5)排出；
(3)停止给通电螺线管12通电，磁性光催化剂从反应器内壁上脱离；
(4)用0mg:50ml的比例替代步骤(2)的15-20mg:50ml的比例，其它同步骤(2)；
(5)重复步骤(3)；
(6)重复步骤(4)和(5)1-3次。
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