CN109264814A - 一种光热协同催化处理有机污水的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光热协同催化处理有机污水的装置和方法，包括催化反应池、污水检测装置和催化剂回收池，所述催化反应池左上侧连接有进水管，底部安装有电阻加热器和温度传感器，上方安装有入射窗口，所述催化反应池内悬浮有光热响应型半导体催化颗粒；本发明将太阳光作为光催化剂的光源，同时配置有光线调整装置，增强了太阳光的利用率；本发明在处理废水过程中，无任何化学试剂添加，环保无污染；用计算机实现对整个过程的控制，操作性强，自动化水平高。

Description

一种光热协同催化处理有机污水的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种污水处理装置和方法，具体涉及一种光热协同催化处理有机污水的装置和方法。

背景技术

随着我国工业的发展，尤其是化工行业的发展，产生有毒、有害、难降解的工业有机污水，这些工业污水处理不当会给生态环境和人类健康带来极大的危害。

目前对难降解有机污水的处理主要有膜分离法、吸附法、光化学法、萃取法、生物炭法等。膜分离法、吸附法、萃取法主要是通过分离的方法从有机污水中隔离出有机物，这会带来二次污染。光化学法利用臭氧或者双氧水等通入有机污水，利用紫外光进行降解反应，而大量的臭氧或双氧水的使用提高了降解成本，而且过量的双氧水需要大量亚硫酸钠处理后方能排放，即造成了环境的二次污染，又增加了处理成本。生物炭法只能处理含有少量有机物的污水，对于含大量有机物的污水处理能力有限。

光催化降解过程为在可见光照射下，光促使电子从价带激发到光催化剂的导带，剩下具有高氧化性能的光生空穴，光生空穴与被吸附的水分子及氢氧阴离子反应产生氢氧自由基，这个氢氧自由基具有极强的氧化性，能够很好地降解水中不同地有机物。但是光催化降解的效率不是太高，受限于光能的能量大小。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种光热协同催化处理有机污水的装置和方法，利用太阳光源进行光热协同催化处理有机污水，操作简单，成本低廉，环保无污染。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种光热协同催化处理有机污水的装置，包括催化反应池、污水检测装置和催化剂回收池，所述催化反应池放置在磁力搅拌器上，所述磁力搅拌器的转子位于所述催化反应池底部；所述催化反应池左上侧连接有进水管，底部安装有电阻加热器和温度传感器，上方安装有入射窗口，所述催化反应池内悬浮有光热响应型半导体催化颗粒；所述催化反应池与所述污水检测装置之间依次连接有电控截止阀和单向阀；所述污水检测装置和所述催化剂回收池间连接有三通分流阀和离心机；所述离心机的外侧还连接有出水管；所述三通分流阀的另一出口连接有电泵，所述电阻加热器、温度传感器和污水检测装置通过数据处理中心与计算机相连；所述电控截止阀、三通分流阀、电泵和离心机均与计算机相连。

上述方案中，所述入射窗口上方设有光线调整装置，光线调整装置包括支座，所述支座安装在支架上，所述支座上设有转动轴，所述转动轴与所述支座转动副连接，所述转动轴与减速电机的输出轴相连；所述减速电机连接有控制系统；所述转动轴在竖直平面上安装有竖直杆，所述竖直杆在水平平面上可拆卸安装有伸缩杆，所述伸缩杆输出端安装有凹透镜上固定块和凹透镜下固定块。

上述方案中，所述光热响应型半导体催化颗粒由MnO₂半导体和过渡金属纳米粒子通过共沉淀法或光电沉积法制作而成。

上述方案中，所述入射窗口为凸透镜。

上述方案中，所述竖直杆上有多个安装孔，便于所述伸缩杆安装在所述竖直杆的不同位置上。

上述方案中，所述伸缩杆通过锁紧接头进行伸缩位置的锁定。

本发明还提供一种光热协同催化处理有机污水的方法，包括以下步骤：S1:根据太阳高度角的变化，设计程序控制减速电机，使得光线调整装置凹透镜的位置随太阳高度的变化而变化；S2:有机污水通过进水管进入催化反应池，待污水达到催化反应池容积的3/4时，停止进水，往催化反应池内加入光热响应型半导体催化剂颗粒，打开磁力搅拌器，使催化剂颗粒悬浮在有机污水中。同时，利用计算机控制电阻加热器对有机污水进行加热，并通过与温度传感器相连的数据处理中心对污水中的温度进行记录，通过入射窗口将太阳光聚焦成平行光束照入水中，利用太阳光产生的光热和电阻加热器产生的热促使催化剂内电子的迁移，待催化20~30min后，通过计算机打开电控截止阀，使污水进入污水检测装置进行分析；S3:若经污水检测装置检测分析后，污水已达标，则通过计算机打开离心机，控制三通分流阀使污水进入离心机进行固液分离，将分离得到的光热响应型半导体催化剂颗粒排入催化剂回收池，进行干燥等后续处理，重复利用；S4:若经污水检测装置检测分析后，污水未达标，则通过计算机打开电泵使污水通过三通分流阀另一出口再次进入到催化反应池中进行催化处理，重复操作，直到达标为止。

本发明的有益效果：1.将太阳光作为光催化剂的光源，同时配置有光线调整装置，增强了太阳光的利用率；2.利用光热协同效应进行有机污水的催化处理，大大提高了污水处理效率；3.运用由MnO₂半导体和具有独特的Plasma效应的过渡金属纳米粒子如Pt等制成的光热响应型半导体催化剂，该类催化剂能吸收太阳光源，无需紫外光线作为催化剂光源，大大降低了成本；4.该装置与数据处理中心和计算机相连，操作性强，自动化水平高。

附图说明

图1为光热协同催化处理有机污水的装置的示意图。

图2为光线调整装置的示意图。

图3为太阳光入射示意图。

图中：1.支架；2.光线调整装置；2-1.减速电机；2-2.转动轴；2-3.竖直杆；2-4连接杆；2-5.锁紧接头；2-6.锁紧螺丝；2-7.凹透镜；2-8.凹透镜上固定块；2-9.凹透镜下固定块；2-10.支座；3.入射窗口；4.数据处理中心；5.计算机；6.电泵；7.出水管；8.催化剂回收池；9.离心机；10.三通分流阀；11.污水检测装置；12.单向阀；13.电控截止阀；14.温度传感器；15.转子；16.磁力搅拌器；17.光热响应型半导体催化颗粒；18.电阻加热器；19.催化反应池；20.曝气装置；21进水管。具体实施方式

下面结合附图对本装置作进一步详细的说明。

如图1所示，一种光热协同催化处理有机污水的装置，包括支架1；光线调整装置2；入射窗口3；数据处理中心4；计算机5；电泵6；出水管7；催化剂回收池8；离心机9；三通分流阀10；污水检测装置11；单向阀12；电控截止阀13；温度传感器14；转子15；磁力搅拌器16；光热响应型半导体催化颗粒17；电阻加热器18；催化反应池19；曝气装置20；进水管21。其中电阻加热器18、温度传感器14和污水检测装置11通过数据处理中心4与计算机5相连；电控截止阀13、三通分流阀10和离心机9均与计算机5相连。催化反应池19左上连接有进水管21，底部安装有电阻加热器18和温度传感器14，上方安装有入射窗口3，并且催化反应池19内悬浮有光热响应型半导体催化颗粒17。催化反应池19与污水检测装置11之间依次连接有电控截止阀13和单向阀12；污水检测装置11和催化剂回收池8间连接有三通分流阀10和离心机9；离心机9的外侧还连接有出水管7；三通分流阀10的另一出口连接有电泵6。催化反应池19放置在磁力搅拌器16上，磁力搅拌器16的转子15位于催化反应池8底部。入射窗口3为凸透镜。光热响应型半导体催化颗粒17由MnO₂半导体和具有独特的Plasma效应的过渡金属纳米粒子如Pt等通过共沉淀法或光电沉积法制成。优选的，所述催化反应池19上还安装有曝气装置20。

如图2所示，入射窗口3上方设有光线调整装置2，光线调整装置2包括支座2-10，所述支座2-10安装在支架1上，所述支座2-10上设有转动轴2-2，所述转动轴2-2与所述支座2-10转动副连接，所述转动轴2-2与减速电机2-1的输出轴相连；所述减速电机2-1连接有控制系统；所述转动轴2-2在竖直平面上安装有竖直杆2-3，所述竖直杆2-3在水平平面上可拆卸安装有伸缩杆2-4，所述伸缩杆2-4输出端安装有凹透镜上固定块2-8和凹透镜下固定块2-9，凹透镜上固定块2-8与伸缩杆2-4均采用螺纹连接；凹透镜2-7安装在凹透镜下固定块2-9内；凹透镜上固定块2-8与下固定块2-9通过锁紧螺丝2-6进行固定。竖直杆2-3上有多个安装孔，便于伸缩杆2-4不同位置的安装。如图3所示，太阳光经凹透镜和凸透镜入射窗口后，形成平行光束照射催化反应池9。

利用该装置操作时，包括如下步骤：S1:根据太阳高度角的变化，设计程序控制减速电机2-1，使得光线调整装置凹透镜2-7的位置随太阳高度的变化而变化（室外操作则无需光线调整装置）；S2:有机污水通过进水管21进入催化反应池19，待污水达到催化反应池19容积的3/4时，停止进水。往催化反应池19内加入光热响应型半导体催化剂颗粒17，打开磁力搅拌器16，使催化剂颗粒17悬浮在有机污水中。同时，利用计算机5控制电阻加热器18对有机污水进行加热，并通过与温度传感器14相连的数据处理中心4对污水中的温度进行记录。通过入射窗口3将太阳光聚焦成平行光束照入水中，利用太阳光产生的光热和电阻加热器18产生的热促使催化剂内电子的迁移，将水中的OH^-和H₂O分子氧化成具有强氧化性的羟自由基，同时破坏有机物中的C-C,C-H,C-O,C-N,N-H键，将许多难降解的有机物氧化成为CO₂和H₂O等无机物，从而进行有机废水的处理。待催化20~30min后，通过计算机5打开电控截止阀13，使污水进入污水检测装置11进行分析；S3:若经污水检测装置11检测分析后，污水已达标，则通过计算机5打开离心机9，控制三通分流阀10使污水进入离心机9进行固液分离，将分离得到的光热响应型半导体催化剂颗粒17排入催化剂回收池8，进行干燥等后续处理，重复利用。S4:若经污水检测装置11检测分析后，污水未达标，则通过计算机5打开电泵6使污水通过三通分流阀10另一出口再次进入到催化反应池19中进行催化处理，重复操作，直到达标为止。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种光热协同催化处理有机污水的装置，其特征在于，包括催化反应池（19）、污水检测装置（11）和催化剂回收池（8），所述催化反应池（19）放置在磁力搅拌器（16）上，所述磁力搅拌器（16）的转子（15）位于所述催化反应池（19）底部；所述催化反应池（19）左上侧连接有进水管（21），底部安装有电阻加热器（18）和温度传感器（14），上方安装有入射窗口（3），所述催化反应池（19）内悬浮有光热响应型半导体催化颗粒（17）；所述催化反应池（19）与所述污水检测装置（11）之间依次连接有电控截止阀（13）和单向阀（12）；所述污水检测装置（11）和所述催化剂回收池（8）间连接有三通分流阀（10）和离心机（9）；所述离心机（9）的外侧还连接有出水管（7）；所述三通分流阀（10）的另一出口连接有电泵（6），所述电阻加热器（18）、温度传感器（14）和污水检测装置（11）通过数据处理中心（4）与计算机（5）相连；所述电控截止阀（13）、三通分流阀（10）、电泵（6）和离心机（9）均与计算机（5）相连。

2.根据权利要求1所述的一种光热协同催化处理有机污水的装置，其特征在于，所述入射窗口（3）上方设有光线调整装置（2），光线调整装置（2）包括支座(2-10)，所述支座(2-10)安装在支架（1）上，所述支座(2-10)上设有转动轴（2-2），所述转动轴（2-2）与所述支座(2-10)转动副连接，所述转动轴（2-2）与减速电机（2-1）的输出轴相连；所述减速电机（2-1）连接有控制系统；所述转动轴（2-2）在竖直平面上安装有竖直杆（2-3），所述竖直杆（2-3）在水平平面上可拆卸安装有伸缩杆(2-4)，所述伸缩杆(2-4)输出端安装有凹透镜上固定块（2-8）和凹透镜下固定块（2-9）。

3.根据权利要求1所述的一种光热协同催化处理有机污水的装置，其特征在于，所述光热响应型半导体催化颗粒（17）由MnO₂半导体和过渡金属纳米粒子通过共沉淀法或光电沉积法制作而成。

4.根据权利要求1所述的一种光热协同催化处理有机污水的装置，其特征在于，所述入射窗口（3）为凸透镜。

5.根据权利要求2所述的一种光热协同催化处理有机污水的装置，其特征在于，所述竖直杆（2-3）上有多个安装孔，便于所述伸缩杆（2-4）安装在所述竖直杆（2-3）的不同位置上。

6.根据权利要求5所述的一种光热协同催化处理有机污水的装置，其特征在于，所述伸缩杆（2-4）通过锁紧接头（2-5）进行伸缩位置的锁定。

7.一种光热协同催化处理有机污水的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1:根据太阳高度角的变化，设计程序控制减速电机（2-1），使得光线调整装置凹透镜（2-7）的位置随太阳高度的变化而变化；S2:有机污水通过进水管（21）进入催化反应池，待污水达到催化反应池容积的3/4时，停止进水，往催化反应池内加入光热响应型半导体催化剂颗粒（17），打开磁力搅拌器（16），使催化剂颗粒（17）悬浮在有机污水中，同时，利用计算机（5）控制电阻加热器（18）对有机污水进行加热，并通过与温度传感器（14）相连的数据处理中心（4）对污水中的温度进行记录，通过入射窗口（3）将太阳光聚焦成平行光束照入水中，利用太阳光产生的光热和电阻加热器（18）产生的热促使催化剂内电子的迁移，待催化20~30min后，通过计算机（5）打开电控截止阀（13），使污水进入污水检测装置（11）进行分析；

S3:若经污水检测装置（11）检测分析后，污水已达标，则通过计算机（5）打开离心机（9），控制三通分流阀（10）使污水进入离心机（9）进行固液分离，将分离得到的光热响应型半导体催化剂颗粒（17）排入催化剂回收池（8），进行干燥等后续处理，重复利用；

S4:若经污水检测装置（11）检测分析后，污水未达标，则通过计算机（5）打开电泵（6）使污水通过三通分流阀（10）另一出口再次进入到催化反应池（19）中进行催化处理，重复操作，直到达标为止。