CN109012739A - 光催化剂、使用该光催化剂的有机污水降解方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光催化剂,它包括银、氮共掺杂的TiO2颗粒和负载该银、氮共掺杂的TiO2颗粒的沸石。该光催化剂具有生产成本低、工艺简单、分散性能好,同时在自然光情况下可以有效的降解污水中的有机物质。本发明还提供一种有机污水降解装置、污水供应装置和氧气供给装置,它包括光催化反应装置,该光催化反应装置包括反应装置本体、污水喷洒器、间隔设置的光催化反应层、污水进管、氧气进管和净化水出口,其中,所述光催化反应层用于放置权利要求上述光催化剂并进行光催化反应。上述装置具有操作简单、反应效率高、适应范围广、催化剂再生容易等优点。本发明还提供一种有机污水降解方法。
Description
技术领域
本发明属于水处理领域,具体涉及一种光催化剂和应用,尤其涉及一种光催化剂、使用该光催化剂的有机污水降解方法和装置。
背景技术
目前,水资源污染是中国面临急需解决的问题之一。随着工业化生产的不断增加,有机污水的排放也日益严重,很多工厂环保意识差,将大量的工业污水直接排放到河道,导致水生物系统的破坏,也对人类的生活造成了严重的影响。所以,必须在排放前应加以适当处理,使其达到国家颁布的污水排放标准。
现代工业污水的处理方法主要分为物理处理法、化学处理法及生物处理法三类。物理处理法是指通过物理作用分离、回收污水中不溶解的悬浮状态污染物包括油膜和油珠的方法,可分为重力分离法、离心分离法和筛滤截留法等。化学处理法是指通过化学反应和传质作用来分离,去除废水中呈溶解、胶体状态污染物或将其转化为无害物质的方法。生物处理法通过微生物的代谢作用,使废水中呈溶解、胶体以及微细悬浮状态的有机污染物转化为稳定、无害的物质的方法。
其中,化学法处理工业污水常用的试剂为半导体材料二氧化钛(TiO2),二氧化钛光催剂化降解有机物作为一种新型的污水处理技术,具有催化活性高、稳定性好、价格低廉、无毒害、适用范围广等特点,能够彻底降解有机物,在环境治理方面有重要的应用价值。但是由于TiO2带隙较宽,存在光生电子-空穴对的复合几率高,对太阳光的利用效率低,粉末不易分离回收等问题,限制了其工业化应用。为了充分利用太阳光或可见光,对二氧化钛光催化剂要进行改性,使其对可见光响应并提高其催化活性仍是该技术领域面对的主要问题。
发明内容
有鉴于此,本发明确有必要提供一种光催化剂、使用该光催化剂的有机污水降解方法和装置,以解决上述问题。
具体地,本发明提供一种光催化剂,其包括银、氮共掺杂的TiO2颗粒和负载该银、氮共掺杂的TiO2颗粒的沸石。
基于上述,在所述银、氮共掺杂的TiO2颗粒中,银的掺杂量为所述光催化剂总质量的0.5%~1%,氮的掺杂量为所述光催化剂总质量的0.5%~1.5%。
基于上述,所述银、氮共掺杂的TiO2颗粒的负载量为沸石质量的15%~25%。
基于上述,所述光催化剂的制备方法包括以下步骤:
钛源钝化溶液制备 将2~10 ml钛酸四丁酯加入5~20 ml的无水乙醇中形成钛源乙醇溶液,然后向所述钛源乙醇溶液中添加浓酸得到pH值为1~3的酸性溶液,并使所述酸性溶液钝化10~60 min得到钛源钝化溶液;
银氮共混液制备 将30~180 mg硝酸银和50~400 mg尿素溶于100~500 ml水中得到银氮共混液;
溶胶制备 在搅拌条件下,将所述银氮共混液逐滴加到所述钛源钝化溶液中,微波搅拌10~50 min,得到透明的淡黄色溶胶;
产品制备 向所述淡黄色溶胶中加入3~12 g沸石颗粒继续搅拌成为凝胶,然后进行静置、过滤处理,得到光催化剂半成品;先在70℃~90℃对所述光催化剂半成品进行烘干,再在500℃~850℃下焙烧0.5~4 h,得到上述沸石负载银、氮共掺杂的TiO2颗粒的光催化剂产品。
其中,所述沸石颗粒是通过将天然沸石碾碎,并过分子筛制得的;所天然沸石可以选自信阳市上天梯非金属矿。所述浓酸为浓硝酸、浓盐酸或浓硫酸。优选地,在所述银氮共混液制备的步骤中,所述硝酸银与尿素的添加质量比为1:5~1:1。
本发明还提供一种使用上述光催化剂的有机污水降解装置,其包括:
光催化反应装置,该光催化反应装置包括反应装置本体、安装在所述反应装置本体顶部的污水喷洒器、与所述污水喷洒器间隔设置在所述反应装置本体内部的光催化反应层、与所述污水喷洒器连通的污水进管、位于所述光催化反应层下方并与所述反应装置本体连通的氧气进管和设置于所述反应装置本体底部的净化水出口,其中,所述光催化反应层用于放置所述光催化剂并进行光催化反应;
污水供应装置,该污水供应装置通过所述污水进管与所述光催化反应装置连接;
氧气供给装置,该氧气供给装置通过所述氧气进管与所述光催化反应装置连接。
基于上述,所述光催化反应层包括用于负载所述光催化剂的多孔玻璃支撑板和用于将所述多孔玻璃支撑板安装在所述反应装置本体中的多孔固定结构。
基于上述,所述有机污水降解装置还包括安装在所述污水进管上的污水流量控制装置和安装在所述氧气进管上的氧气流量控制装置。
本发明还进一步提供一种使用上述有机污水降解装置的有机污水降解方法,其包括以下步骤:
步骤一、将所述光催化剂固定在上述光催化反应装置中的所述光催化反应层上;
步骤二、有机污水经过所述污水进管和所述污水喷洒器进入所述反应装置本体中并喷洒在所述光催化反应层的所述光催化剂上,同时氧气经过所述氧气进管进入所述反应装置本体中并与所述光催化剂接触,在自然光的条件下,所述光催化反应层上发生光催化反应,得到净化水。
基于上述,所述步骤一包括先将光催化剂吸附在铁丝网上,再将吸附有所述光催化剂的铁丝网安装在所述光催化反应层上。
基于上述,所述有机污水经过所述污水进管和所述污水喷洒器进入所述反应装置本体中的速度为1~20 ml/min,所述氧气经过所述氧气进管进入所述反应装置本体中的速度为20~100 ml/min。其中,有机污水和氧气进入所述反应装置本体的速度根据实际情况而确定,来确保进入所述反应装置本体中的有机污水中的有机物能够被充分降解。
与现有技术相比,本发明提供的光催化剂包括银、氮共掺杂的TiO2颗粒和负载该银、氮共掺杂的TiO2颗粒的沸石,由于沸石具有较大的层间距,可为负载所述银、氮共掺杂的二氧化钛颗粒提供场所,并具有良好的吸附性能,同时通过银、氮元素对TiO2进行掺杂改性,使TiO2禁带内产生一个内禁带,诱导其吸收可见光,使可见光的利用率大大提高,同时银也具有催化作用,所以所述光催化剂在可见光条件下就可以降解有机污水中的有机物,无需紫外灯照射,同时所述光催化剂还具有易分离、易回收、易再生、成本低等特点。
本发明提供的上述有机污水降解方法中将光催化剂颗粒固定在铁丝网上,以防止在实际应用过程中光催化剂颗粒被水流冲走,影响光催化剂的使用,所以,将光催化剂颗粒固定在铁丝网上在实际应该过程中可以减少光催化剂的用量。
本发明提供的上述有机污水降解装置通过污水进管将污水供应装置与所述光催化反应装置连通,通过氧气进管将氧气供给装置与所述光催化反应装置连通,并在所述反应装置本体的底部设置净化水出口,从而使得所述有机污水降解装置可进行连续化反应,并为大型化、连续化污水处理提供了理论依据。该装置中的所述光催化反应层是可拆卸结构,而且吸附有所述光催化剂的铁丝网是可拆卸安装在所述光催化反应层上的,方便光催化剂的安装以及回收。另外,所述有机污水降解装置具有操作简单、反应效率高、适应范围广、催化剂再生容易等优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的有机污水降解装置的结构示意图。
图2为图1使用的有机污水降解装置中的光催化反应层的主视图。
图3为图2使用的光催化反应层中的多孔玻璃支撑板的俯视图。
图4为图2使用的光催化反应层中的多孔固定结构的俯视图。
图5为图1提供的有机污水降解装置的使用状态结构示意图。
图6为图5使用的有机污水降解装置中的光催化反应隔板的主视图。
其中,各图中的元件符号表示:1 光催化反应装置、2 污水供应装置、3 氧气供给装置、10 反应装置本体、11 污水支管、12 污水喷洒器、13 污水进管、14 光催化反应层、15多孔玻璃支撑板、16 多孔固定结构、17 氧气进管、18 净化水出口、19 光催化剂、20 铁丝网、22 污水流量控制装置、24 氧气流量控制装置、26 光催化反应隔板、27 有机污水、28净化水。
具体实施方式
下面通过具体实施方式,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
本发明实施例提供一种光催化剂,其包括银、氮共掺杂的TiO2颗粒和负载该银、氮共掺杂的TiO2颗粒的沸石,其中,所述银、氮共掺杂的TiO2颗粒的负载量为沸石质量的15%;银的掺杂量为所述光催化剂总质量的0.5%,氮的掺杂量为所述光催化剂总质量的0.5%。该光催化剂的制备方法包括以下步骤:
钛源钝化溶液制备 将约3 ml钛酸四丁酯加入5 ml的无水乙醇中形成钛源乙醇溶液,然后向所述钛源乙醇溶液中添加浓硝酸得到pH值为3的酸性溶液,并使所述酸性溶液钝化10 min得到钛源钝化溶液;
银氮共混液制备 将约33.5 mg硝酸银和约47.9 mg尿素溶于110 ml水中得到银氮共混液;
溶胶制备 在搅拌条件下,将所述银氮共混液逐滴加到所述钛源钝化溶液中,微波搅拌10 min,得到透明的淡黄色溶胶;
产品制备 向所述淡黄色溶胶中加入约4 g沸石颗粒继续搅拌成为凝胶,然后进行静置、过滤处理,得到光催化剂半成品;先在80℃对所述光催化剂半成品进行烘干,再在500℃下焙烧4 h,得到上述沸石负载银、氮共掺杂的TiO2颗粒的光催化剂产品,其中,所述沸石颗粒是通过将选自信阳市上天梯非金属矿的天然沸石碾碎,并过分子筛制得的。
实施例2
本发明实施例提供一种光催化剂,其包括银、氮共掺杂的TiO2颗粒和负载该银、氮共掺杂的TiO2颗粒的沸石,其中,所述银、氮共掺杂的TiO2颗粒的负载量为沸石质量的20%;银的掺杂量为所述光催化剂总质量的0.8%,氮的掺杂量为所述光催化剂总质量的1%。该光催化剂的制备方法包括以下步骤:
钛源钝化溶液制备 将约7.5 ml钛酸四丁酯加入10 ml的无水乙醇中形成钛源乙醇溶液,然后向所述钛源乙醇溶液中添加浓盐酸得到pH值为2的酸性溶液,并使所述酸性溶液钝化40 min得到钛源钝化溶液;
银氮共混液制备 将92.1 mg硝酸银和204.9 mg尿素溶于350 ml水中得到银氮共混液;
溶胶制备 在搅拌条件下,将所述银氮共混液逐滴加到所述钛源钝化溶液中,微波搅拌30 min,得到透明的淡黄色溶胶;
产品制备 向所述淡黄色溶胶中加入7 g沸石颗粒继续搅拌成为凝胶,然后进行静置、过滤处理,得到光催化剂半成品;先在80℃对所述光催化剂半成品进行烘干,再在700℃下焙烧2 h,得到上述沸石负载银、氮共掺杂的TiO2颗粒的光催化剂产品,其中,所述沸石颗粒是通过将选自信阳市上天梯非金属矿的天然沸石碾碎,并过分子筛制得的。
实施例3
本发明实施例提供一种光催化剂,其包括银、氮共掺杂的TiO2颗粒和负载该银、氮共掺杂的TiO2颗粒的沸石,其中,所述银、氮共掺杂的TiO2颗粒的负载量为沸石质量的25%;银的掺杂量为所述光催化剂总质量的1%,氮的掺杂量为所述光催化剂总质量的1.5%。该光催化剂的制备方法包括以下步骤:
钛源钝化溶液制备 将约10 ml钛酸四丁酯加入20 ml的无水乙醇中形成钛源乙醇溶液,然后向所述钛源乙醇溶液中添加浓硝酸得到pH值为3的酸性溶液,并使所述酸性溶液钝化60 min得到钛源钝化溶液;
银氮共混液制备 将157.2 mg硝酸银和318.4 mg尿素溶于400 ml水中得到银氮共混液;
溶胶制备 在搅拌条件下,将所述银氮共混液逐滴加到所述钛源钝化溶液中,微波搅拌50 min,得到透明的淡黄色溶胶;
产品制备 向所述淡黄色溶胶中加入9.5 g沸石颗粒继续搅拌成为凝胶,然后进行静置、过滤处理,得到光催化剂半成品;先在80℃对所述光催化剂半成品进行烘干,再在800℃下焙烧0.5 h,得到上述沸石负载银、氮共掺杂的TiO2颗粒的光催化剂产品,其中,所述沸石颗粒是通过将选自信阳市上天梯非金属矿的天然沸石碾碎,并过分子筛制得的。所述浓酸为浓硝酸、浓盐酸或浓硫酸。
实施例4
请参阅图1,本发明实施例提供一种使用上述光催化剂的有机污水降解装置,该有机污水降解装置包括光催化反应装置1和分别于该过程反应装置1连接的污水供应装置2和氧气供给装置3。所述光催化反应装置1包括反应装置本体10、安装在所述反应装置本体10顶部的污水喷洒器12、与所述污水喷洒器12间隔设置在所述反应装置本体内部的光催化反应层14、与所述污水喷洒器12连通的污水进管13、位于所述光催化反应层14下方并与所述反应装置本体10连通的氧气进管17和设置于所述反应装置本体底部的净化水出口18。所述污水供应装置2通过所述污水进管13、所述污水喷洒器12与所述反应装置本体10连接。所述氧气进管17的一端与所述反应装置本体10的侧壁连接,另一端与所述氧气供给装置3连接。
具体地,所述污水喷洒器12主要是为了将有机污水均匀喷洒到所述反应装置本体10中,为了更好地实现该目的,所述污水进管13的一端设置多个污水支管11,且该多个污水支管11与所述污水喷洒器12连通,本实施例中,所述污水进管13与所述污水喷洒器12通过两个污水支管11连接。
请参阅图2~4,所述光催化反应层14主要是用于放置光催化剂并进行光催化反应的,其包括用于负载所述光催化剂的多孔玻璃支撑板15和用于将所述多孔玻璃支撑板15安装在所述反应装置本体10中的多孔固定结构16。所述多孔固定结构16优选为透明材质。整体上讲,所述光催化反应层14为多孔结构,以便从所述污水喷洒器12喷洒出的有机污水能够从光催化反应层14中的微孔中通过。所述反应装置本体10的中部间隔安装有多级所述光催化反应层14,多级光催化反应层14位于所述污水喷洒器12的正下方,使得从所述污水喷洒器12喷洒出的有机污水流经多级所述光催化反应层14,将有机污水中的有机物层层被降解,直至最后一级被充分地降解。所以,所述光催化反应层14的数量根据实际需求而确定的,本实施例中,所述反应装置本体10中安装有4个光催化反应层14。另外,位于最下方的光催化反应层14的下方的反应装置本体10的侧壁设置有与所述氧气进管17连通的氧气进口。
此外,所述有机污水降解装置还包括安装在所述污水进管13上的污水流量控制装置22和安装在所述氧气进管17上的氧气流量控制装置24。
实施例5
请参阅图5和图6,本发明实施例还提供一种使用实施例4有机污水降解装置的有机污水降解方法,其包括以下步骤:
步骤一、先将光催化剂19均匀吸附在铁丝网20上,然后再将该铁丝网20固定在所述光催化反应层14上,得到光催化反应隔板26,具体地,所述铁丝网20安装在所述多孔玻璃支撑板15上;制备多个所述光催化反应隔板26,并将多个所述光催化反应隔板26安装在所述反应装置本体10中,且吸附有所述光催化剂19的铁丝网20面向所述污水喷洒器12设置;
步骤二、有机污水27以1~20 ml/min的速度经过所述污水进管13和所述污水喷洒器12进入所述反应装置本体10中并喷洒在光催化反应隔板26上,同时氧气经过所述氧气进管17以20~100 ml/min进入所述反应装置本体10中并于所述光催化剂19接触,在自然光的条件下,所述光催化反应隔板26上发生光催化反应,最终得到净化水28。本实施例中,有机污水27进入所述反应装置本体10中的速度为15 ml/min,氧气进入所述反应装置本体10中的速度为60 ml/min。
具体地,所述有机污水降解装置整体上暴露在自然光下,当所述有机污水27喷洒进入所述反应装置本体10中之后,流经所述光催化反应隔板26,在可见光照射下,激发所述光催化反应隔板26上的光催化剂19与所述有机污水27中的有机物发生光催化反应,第一级未完全反应的有机污水在流经第二级、第三级、……、最后一级光催化反应隔板26时进行反应,并根据反应需要通入氧气或者空气,通过控制停留时间,使有机污水27中的有机物被充分降解,成为达到排放标准的净化水28,并从所述净化水出口18排出。
下面以实施例2提供的光催化剂为例,采用实施例5提供的方法来验证本发明提供的光催化剂降解有机污水中的有机物的能力;同时,在相同条件下,采用光催化剂沸石负载TiO2颗粒作为对比组试验进行对比,其中对比组提供的沸石负载TiO2颗粒中的TiO2颗粒的负载量与实施例2中的TiO2颗粒的负载量相同。
试验1
试验用污水 进料浓度为20 mg/L的甲基橙溶液
试验结果 实施例2:甲基橙出料浓度为0.04 mg/L,降解率达到99.8%;对比组:甲基橙出料浓度为3.6 mg/L,降解率为82%。
试验2
试验用污水 进料浓度为20 mg/L的亚甲基蓝溶液;
试验结果 实施例2:亚甲基蓝出料浓度为0.02 mg/L,降解率达到99.9%;对比组:甲基橙出料浓度为3.9 mg/L,降解率为80.5%。
试验3
试验用污水:某染料废水,水力停留时间为10 h,进水COD浓度为260 mg/L,色度230度
试验结果
实施例2:出水COD浓度为23 mg/L,色度为18度,COD去除率达91.15%,色度去除率达到92.17%;
对比组:出水COD浓度为75 mg/L,色度为52度,COD去除率为71.15%,色度去除率为77.39%。
试验4
试验用污水 某印刷废水后,水力停留时间为10 h,进水COD浓度为9000 mg/L,色度为100度,SS浓度为3300 mg/L,
试验结果
实施例2:出水COD浓度为89 mg/L,色度为5度,SS浓度为29.7 mg/L,COD、色度和SS去除率分别达到99%、95%和99.1%;
对比组:出水COD浓度为912 mg/L,色度为9度,SS浓度为327.4 mg/L,COD、色度和SS去除率分别达到89.87%、91%和90.08%。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制;尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换;而不脱离本发明技术方案的精神,其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (10)
1.一种光催化剂,其特征在于,它包括银、氮共掺杂的TiO2颗粒和负载该银、氮共掺杂的TiO2颗粒的沸石。
2.根据权利要求1所述的光催化剂,其特征在于,在所述银、氮共掺杂的TiO2颗粒中,银的掺杂量为所述光催化剂总质量的0.5%~1%,氮的掺杂量为所述光催化剂总质量的0.5%~1.5%。
3.根据权利要求2所述的光催化剂,其特征在于,所述银、氮共掺杂的TiO2颗粒的负载量为沸石质量的15%~25%。
4.根据权利要求1或2或3所述的光催化剂,其特征在于,所述光催化剂的制备方法包括以下步骤:
钛源钝化溶液制备 将2~10 ml钛酸四丁酯加入5~20 ml的无水乙醇中形成钛源乙醇溶液,然后向所述钛源乙醇溶液中添加浓酸得到pH值为1~3的酸性溶液,并使所述酸性溶液钝化10~60 min得到钛源钝化溶液;
银氮共混液制备 将30~180 mg硝酸银和50~400 mg尿素溶于100~500 ml水中得到银氮共混液;
溶胶制备 在搅拌条件下,将所述银氮共混液逐滴加到所述钛源钝化溶液中,微波搅拌10~50 min,得到透明的淡黄色溶胶;
产品制备 向所述淡黄色溶胶中加入3~12 g沸石颗粒继续搅拌成为凝胶,然后进行静置、过滤处理,得到光催化剂半成品;先在70℃~90℃对所述光催化剂半成品进行烘干,再在500℃~850℃下焙烧0.5~4 h,得到上述沸石负载银、氮共掺杂的TiO2颗粒的光催化剂产品。
5.一种使用权利要求1~4任一项所述的光催化剂的有机污水降解装置,其特征在于,它包括:
光催化反应装置,该光催化反应装置包括反应装置本体、安装在所述反应装置本体顶部的污水喷洒器、与所述污水喷洒器间隔设置在所述反应装置本体内部的光催化反应层、与所述污水喷洒器连通的污水进管、位于所述光催化反应层下方并与所述反应装置本体连通的氧气进管和设置于所述反应装置本体底部的净化水出口,其中,所述光催化反应层用于放置权利要求1~4任一项所述光催化剂并进行光催化反应;
污水供应装置,该污水供应装置通过所述污水进管与所述光催化反应装置连接;
氧气供给装置,该氧气供给装置通过所述氧气进管与所述光催化反应装置连接。
6.根据权利要求5所述的有机污水降解装置,其特征在于,所述光催化反应层包括用于负载所述光催化剂的多孔玻璃支撑板和用于将所述多孔玻璃支撑板安装在所述反应装置本体中的多孔固定结构。
7.根据权利要求6所述的有机污水降解装置,其特征在于,所述有机污水降解装置还包括安装在所述污水进管上的污水流量控制装置和安装在所述氧气进管上的氧气流量控制装置。
8.一种使用权利要求5~7任一项有机污水降解装置的有机污水降解方法,其包括以下步骤:
步骤一、将所述光催化剂固定在所述光催化反应装置中的所述光催化反应层上;
步骤二、有机污水经过所述污水进管和所述污水喷洒器进入所述反应装置本体中并喷洒在所述光催化反应层的所述光催化剂上,同时氧气经过所述氧气进管进入所述反应装置本体中并与所述光催化剂接触,在自然光的条件下,所述光催化反应层上发生光催化反应,得到净化水。
9.根据权利要求8所述的有机污水降解方法,其特征在于,所述步骤一包括先将光催化剂吸附在铁丝网上,再将吸附有所述光催化剂的铁丝网安装在所述光催化反应层上。
10. 根据权利要求8或9所述的有机污水降解方法,其特征在于,所述有机污水经过所述污水进管和所述污水喷洒器进入所述反应装置本体中的速度为1~20 ml/min,所述氧气经过所述氧气进管进入所述反应装置本体中的速度为20~100 ml/min。
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PB01 | Publication | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20181218 |