CN108298637A - 一种便捷的光催化水处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便捷的光催化水处理装置，属于环境工程中的水污染控制领域。圆柱形反应腔竖立放置，内径为30～3000mm，长度为30～10000mm，下底面设有进水口、侧面上端设有出水口和上底面设有紫外灯插座，紫外灯插座通过法兰盘连接在圆柱形反应腔上形成密闭腔体；所述的石英套管为一端开口、另一端封闭的圆柱形部件，紫外灯置于其中，整体置于圆柱形反应腔内，并固定；所述的石英套管上缠有3～30个圆柱状层网，相邻圆柱状层网间左右交替安放半圆状挡片，水流通过的通道为蛇形通道；该装置进水口可以直接连接在供水管上，无需额外提供加压进水装置，只需连同紫外灯电源即可实现进水的即时杀菌消毒，方便快捷。
Description
技术领域
本发明属于环境工程中的水污染控制技术领域，涉及到一种便捷的光催化水处理装置。
背景技术
随着社会的发展以及人类活动的影响，地表水、地下水、污水、工业废水等水体中含有大量的致病微生物及有毒痕量有机污染物；其所带来的安全事件屡见报道，严重影响人类的身体健康及社会的和谐稳定。紫外消毒技术凭借快速、高效、无需投加化学试剂等优势被广泛应用于各类水厂的消毒工艺中。紫外消毒技术的原理是紫外光子透过细胞壁被DNA吸收后，会导致相邻的胸腺嘧啶互相缠绕形成二聚体，阻碍核糖核酸(RNA)上的正常DNA复制遗传代码，致使细胞丧失遗传繁殖能力，甚至死亡。但是有些细胞可以通过复活酶的作用将嘧啶二聚体恢复成单体或通过核酸外切酶把阻碍细胞繁殖的二聚体切除，最终恢复繁殖能力，即“光复活”现象。这种“光复活”现象，使得紫外消毒出水存在安全隐患；此外，紫外消毒技术无法彻底矿化去除水中的有毒有机物，使得出水存在安全隐患。
光催化技术作为当前最具发展前景的绿色高级氧化技术之一，被广泛用于去除各类微生物及降解各类有机污染物的研究中。光催化技术的消毒原理是利用光子诱导产生的强氧化性空穴或其与水分子和溶解氧反应，生成的羟基自由基氧化破坏菌类等微生物的细胞壁或细胞膜结构，使细胞质流出。流出的细胞质以及遗传物质亦会被氧化分解为H2O和CO2，最终导致微生物的彻底死亡，消除了单纯紫外消毒出水“光复活”现象所带来的安全隐患。同时高氧化性的羟基自由基可以无选择的矿化位于催化剂表面的痕量有机污染物，深度改善水质。
光催化技术在水处理领域中广泛实际应用还面临着诸多挑战：悬浮型光催化剂不利于回收重复利用或者不能实现连续动态处理流水；负载型催化剂同污染物接触不充分，光催化活性低于悬浮型催化剂；光催化虽然是一种高级氧化技术，但是光催化材料本身只能利用太阳光中的紫外光才能进行激发，光利用率不高；这些挑战也严重限制了光催化技术在水污染控制领域的实际应用。
发明内容
本发明针对单独紫外消毒出水存在的“光复活”安全隐患、无法去除水中有毒痕量有机污染物以及光催化消毒技术间在实际水处理中面临的挑战，而公开了一种具有广谱杀菌、彻底矿化痕量有机污染物、易回收重复利用的连续流光催化水处理装置；通过耦合紫外消毒技术，该装置在运行过程中产生的具有强氧化性空穴或羟基自由基·OH(TiO2空穴的标准电极电位为3.0V，·OH自由基的标准电极电位为2.8V，是除氟以外最强的氧化物种)能分解破坏菌类等致病微生物的细胞壁或细胞膜，使细胞质流出，流出的细胞质以及遗传物质亦会被被氧化分解为H2O和CO2，最终导致微生物的彻底死亡，成功消除了紫外消毒出水“光复活”现象带来的安全隐患；同时，强氧化性空穴和·OH也会氧化分解水体中的痕量有机污染物，深度改善水质。通过构建层网状载体构型、设计水流方式，使光催化剂可以充分的与水中污染物进行接触，增强传质；通过将光催化剂负载在载体上，实现光催化材料的回收再利用。
本发明的技术方案：
一种便捷的光催化水处理装置，包括圆柱形反应腔1、石英套管3、紫外灯5和圆柱状层丝网；
所述的圆柱形反应腔1竖立放置，内径为30～3000mm，长度为30～10000mm，下底面设有进水口6、侧面上端设有出水口7和上底面设有紫外灯插座，紫外灯5插座通过法兰盘连接在圆柱形反应腔1上形成密闭腔体；
所述的石英套管3为一端开口、另一端封闭的圆柱形部件，紫外灯5置于其中，整体置于圆柱形反应腔1内，并固定；所述的石英套管3上缠有3～30个圆柱状层丝网，相邻圆柱状层丝网间左右交替安放半圆状挡片4，水流通过的通道为蛇形的通道；水流自下而上绕流穿过层层圆柱状层丝网，其中的污染物可以充分的与光催化材料进行接触。
所述的圆柱状层丝网是由负载有光催化剂的丝网紧密缠绕在石英套管3外侧所形成，其外径为圆柱形反应腔1的内径。
所述的负有光催化剂的丝网为10～200目的丝网，丝网材质为钛丝网或不锈钢网。
所述的光催化剂为TiO2、TiOx-石墨烯或TiO2-石墨烯。
所述的圆柱形反应腔1为不锈钢、PVC、陶瓷或聚四氟乙烯材质。
所述的紫外灯功率为5～200W，石英管的紫外光透过率在90％以上。
管腔内径、长度及光催化剂载体构型的长度视进水水质及出水要求而调整。
本发明的有益效果：无需添加化学试剂，无消毒副产物产生，不产生二次污染；广谱杀菌并且杀菌彻底；可同时降解水体中的痕量有机污染物，深度改善水质；相比于传统的载体构型，由丝网缠绕而成的层网催化剂载体构型在采光及传质方面具有明显的优势；首先，催化剂在丝网上为三维立体分布，可以很好的吸收直射及反射的紫外光，提高光的利用率；其次，水流自下而上绕流式穿过层层丝网，使得水中污染物能更充分的同光催化材料进行接触，增强了光催化反应的传质。负载型光催化剂可以重复利用，实现连续处理原水的目的。该装置可以自由的接到供水管路上，方便对现有水处理工艺中进行杀菌消毒工艺的改进，可以实现商业应用。
附图说明
图1是流动式光催化消毒水处理装置示意图。
图2(a)是圆环状层网部件截面及三维结构主视图。
图2(b)是圆环状层网部件截面及三维结构侧视图。
图3是钛丝网阳极氧化后扫描电镜图，(a)、(b)和(c)分为在1mm、300μm和1μm条件下的扫描电镜图。
图4是连续流光催化水消毒处理装置的杀菌效果图。
图中：1圆柱形反应腔；2圆环状层网部件；3石英套管；4半圆状挡片；5紫外灯；6进水口；7出水口。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图，进一步说明本发明的具体实施方式。
将负载光催化剂的圆柱状层网载体构型放置在圆柱形反应腔中；紫外灯放置在石英套管中，由石英套管保护，石英套管开口端设置密封硅胶圈，防止水进入石英套管中；最后，用法兰盘、卡扣或者带有螺纹的旋盖将紫外灯管、石英套管连同负载光催化剂的载体构型固定密封在圆柱形反应腔中组装成为便捷的光催化水处理装置。
便捷的光催化水处理装置的运行方式，针对单灯管、圆柱状层网载体结构的便捷光催化水处理装置，装置示意图如图1所示，圆柱形反应腔竖立放置，进水口在其下底面圆，流水流过由丝网缠绕形成的圆柱状层网载体部件，并在半圆状挡片的作用下左右绕流式上升至出水口；进水口直接连接到自来水管或其他供水管路上，接通电源即可实现对水中致病微生物及部分痕量有机污染物的去除与矿化。
负载光催化剂的载体构型由3～30个缠绕在石英套管上的圆柱状层网部件搭配半圆状挡片组成；半圆状挡片的直径等于圆柱形反应腔的内径，左右交替放置在相邻的圆柱状层网部件之间；其中圆柱状层网部件为用10～200目的丝网以石英套管的外径作为其的内径，以圆柱形反应腔的内径作为其外径均匀缠绕而成。
圆柱形反应腔与光催化剂载体的规格尺寸由进水水质、出水要求、紫外灯光强及水流速度共同决定。
下面以钛丝网为催化剂载体，以阳极氧化负载方法为例，来校验该便捷光催化消毒水处理装置的性能。
阳极氧化负载方法如下：
A.钛基底的预处理：将正方形的钛丝网分别置于丙酮、无水乙醇、高纯水中超声清洗10min，将清洗后的钛丝网浸于混合酸液中(HF:HNO3:H2O＝1:4:5)刻蚀30秒，刻蚀后再用无水乙醇、高纯水超声清洗10min。处理完的钛丝网放置于空气中自然风干后，再将其对角折叠成三角状，使原正方形钛网的两条临边重合在一起，最后在重合边上涂上导电银胶并晾干备用。
B.阳极氧化制备二氧化钛纳米管：配制0.2％～2.5％的HF水溶液作为电解液置于塑料反应器中，将预处理的三角状钛网置于其中作为阳极，将铂片或不锈钢片作为阴极，两极正对放置，间距为1～10cm；用直流稳压电源施加10～60V的电压，电解时间控制在15～50min。
C.煅烧处理：阳极氧化结束后，将丝网在高纯水中冲洗数次，然后裁剪卷制成所需的圆柱状层网部件，并将其放入管式炉中，在氢气或氮气氛围下，450℃～550℃，煅烧2～3小时，然后取出备用。
采用FEI-SIRION-200型场发射扫描电镜观察钛丝网经过阳极氧化后的表面形态，如图3所示，钛丝网经纬丝线表面形成了均匀的氧化层，并在高倍镜下显示为规整的二氧化钛纳米管阵列。
装置杀菌性能测试：同样浓度的大肠杆菌原水分别通过不加入载体的紫外线反应器、加入负有催化剂的载体构型的紫外线反应器以及加入负有催化剂的载体构型但灯管关闭的三种情况，实验结果见图4。可知，加入载体后载体会对水中的细菌有很少一部分的吸附。此外相同停留时间下，加入负有催化剂载体构型的出水细菌可以达到饮用水水质标准，而不加入负有催化剂的载体构型的出水无法达标。这证明使用本发明，要使出水水质达到某一特定标准用时较传统的紫外消毒技术更短，因此本发明大大减少了吨水处理的能耗，提高了吨水处理效率。
Claims (10)
1.一种便捷的光催化水处理装置，其特征在于，所述的光催化水处理装置包括圆柱形反应腔(1)、石英套管(3)、紫外灯(5)和圆柱状层丝网；
所述的圆柱形反应腔(1)竖立放置，内径为30～3000mm，长度为30～10000mm，下底面设有进水口(6)、侧面上端设有出水口(7)和上底面设有紫外灯插座，紫外灯(5)插座通过法兰盘连接在圆柱形反应腔(1)上形成密闭腔体；
所述的石英套管(3)为一端开口、另一端封闭的圆柱形部件，紫外灯(5)置于其中，整体置于圆柱形反应腔(1)内，并固定；所述的石英套管(3)上缠有3～30个圆柱状层丝网，相邻圆柱状层丝网间左右交替安放半圆状挡片(4)，水流通过的通道为蛇形通道；水流自下而上绕流穿过层层圆柱状层丝网。
2.根据权利要求1所述的光催化水处理装置，其特征在于，所述的圆柱状层丝网为负有光催化剂的丝网，紧密缠绕在石英套管(3)外侧所形成，其外径为圆柱形反应腔(1)的内径。
3.根据权利要求1或2所述的光催化水处理装置，其特征在于，所述的负有光催化剂的丝网为10～200目的丝网，丝网材质为钛丝网或不锈钢网。
4.根据权利要求1或2所述的光催化水处理装置，其特征在于，所述的光催化剂为TiO2、TiOx-石墨烯或TiO2-石墨烯。
5.根据权利要求3所述的光催化水处理装置，其特征在于，所述的光催化剂为TiO2、TiOx-石墨烯或TiO2-石墨烯。
6.根据权利要求1、2或5所述的光催化水处理装置，其特征在于，所述的圆柱形反应腔(1)为不锈钢、PVC、陶瓷或聚四氟乙烯材质。
7.根据权利要求3所述的光催化水处理装置，其特征在于，所述的圆柱形反应腔(1)为不锈钢、PVC、陶瓷或聚四氟乙烯材质。
8.根据权利要求4所述的光催化水处理装置，其特征在于，所述的圆柱形反应腔(1)为不锈钢、PVC、陶瓷或聚四氟乙烯材质。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的光催化水处理装置，其特征在于，所述的紫外灯功率为5～200W，石英管的紫外光透过率在90％以上。
10.根据权利要求9所述的光催化水处理装置，其特征在于，所述的圆柱形反应腔(1)的管腔内径、长度及光催化剂载体构型的长度视进水水质及出水要求而调整。
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