CN109553199A - 一种利用太阳能的深度水质净化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于环保技术领域，具体为一种利用太阳能的深度水质净化系统。本发明系统包括框架，框架四周安装负载氮化碳与卤氧化铋复合光催化剂的材料，框架内部安放生态植物、中间安装曝气充氧系统。其中，氮化碳CxNy为g‑C3N4，卤氧化铋BiOXaYb，X,Y=Cl、Br或I，且X≠Y，a+b=1；负载复合催化剂的材料可悬浮于水中，易于回收并再利用；复合催化剂负载在材料上的方法为浸渍法、水热法等；生态植物为菖蒲、芦苇、高分子材料制成的人工水草等；曝气的电能由太阳能电池板提供，采用纳米微气泡充氧。本发明具有高效太阳光响应的特点，可催化降解污（废）水中的新兴污染物，保护生态环境。本发明制备工艺简单、操作容易、能耗低、可应用性强。

Description

一种利用太阳能的深度水质净化系统
技术领域
本发明属于环保技术领域，具体涉及一种利用太阳能的深度水质净化系统。
背景技术
在水污染控制的方法中，光催化技术去除污（废）水中的有机污染物，因其利用能源为太阳能、成本低、处理效果显著、不产生二次污染等优势，而被认为是有效的控制方法之一，尤其在处理难降解有机污染物方面具有极大的应用潜力。
复合光催化材料因具有稳定性好、价格低廉、无毒、高活性且能充分利用太阳能等特点，成为近年来光催化领域的研究热点，且在水处理领域具有较强的优势和发展潜力。然而，复合光催化材料用于水体污染治理的最主要问题在于：如何提高污染物的去除率和光催化材料的回收率。复合光催化材料以粉末状被合成，为保持其较大比表面积以提高有机污染物的降解效率，需以粉末状投入污染水体中，但这种使用方式不可避免地导致较低的光催化剂回收率，使复合光催化材料可回用这一优势无法充分发挥，实际可应用性不强（发明专利申请号201810490547.2）。
如能将光催化剂负载在较佳的材料上，既保证光催化剂在材料表面牢固附着，又不影响其光催化效能。而将负载光催化剂的材料投入到污染水体中，完成各种污染物处理后，还需确保负载光催化剂材料易于回收并再利用。因此，研究最优的负载材料和负载方法是现今光催化领域中的重要研究方向之一。氮化碳与卤氧化铋复合光催化材料（CxNy/BiOXaYb）是具有高效可见光响应的新型光催化剂（发明专利申请号：201811163903.6），但是截止目前，把粉末状的氮化碳与卤氧化铋复合光催化剂负载在合适的材料上，应用于实际水体污染的治理，尚未有相关的文献报道。
发明内容
本发明旨在提供一种成本低廉、处理效果显著、可回收再利用、环境友好、高效利用太阳能的深度水质净化系统。
本发明提供的利用太阳能的深度水质净化系统，包括：聚乙烯材料做成框架，放置在所述框架周围的负载有氮化碳与卤氧化铋复合光催化剂CxNy/BiOXaYb的材料，安放在所述框架内的生态植物，以及安装在所述框架内的曝气充氧系统；其中，所述氮化碳与卤氧化铋复合光催化剂中，氮化碳CxNy为g-C3N4，卤氧化铋BiOXaYb，X, Y = Cl、Br或 I，且X≠Y，a+ b = 1。参见发明专利申请号：201811163903.6。
本发明中，单元框架面积一般为2 m2～4m2；框架可以为各种形状，优选形状为长方形。
本发明中，使用的负载复合光催化剂材料，为聚烯烃类、碳纤维布等其中的一种；这些材料，可以悬浮于水中，易于回收并再利用。
本发明中，在材料上负载复合光催化剂的方法，包括浸渍法、水热法等其中的一种。
本发明中，负载复合光催化剂材料在深度水质净化系统中的覆盖率为50%～70%，用于降解污染水体中的有机污染物。
本发明中，安放的生态植物包括菖蒲、芦苇，以及高分子材料制成的人工水草等；生态植物在深度水质净化系统中的覆盖率为20%～40%，用于吸附去除污染水体中的氮、磷等无机污染物。
本发明中，所述曝气充氧系统由太阳能电池板提供电能，采用纳米微气泡充氧；保证水体中的溶解氧浓度高于2 mg/L，产生的O2 •-等活性物种可高效地降解水体中的有机污染物；较高浓度的溶解氧促进了硝化作用，增强了氨氮等无机污染物的去除效果。
本发明中，在室外太阳光照条件下，负载复合光催化剂的材料循环使用时间为20d～30 d。
本发明的有益效果为：
本发明的利用太阳能的深度水质净化系统，净化效率非常高，例如，面积为2 m2，负载复合光催化剂材料的覆盖率为50%，生态植物的覆盖率为40%，溶解氧浓度为3mg/L时，在室外太阳光照4 h内，可去除至少1m3污（废）水中的污染物，处理后的水质达到国家相关标准。本发明效率高、能耗低、无二次污染，用于去除城市污水、工业废水、受污染河水中的新兴污染物，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为一种利用太阳能的深度水质净化系统。
具体实施方式
下面将结合具体实例，对本发明做进一步的阐述说明，但本发明并不仅限于以下实施例。
实施例1
称取43.6 g四乙氧基硅烷，6.4 g甲基三甲氧基硅烷，42.5 g无水乙醇于250 mL三口烧瓶中，将三口烧瓶置于恒温水浴锅中，加热至70℃；称取0.12 g盐酸，加22.5 mL去离子水，超声搅拌45 s，配制成盐酸溶液；在70℃条件下，将盐酸溶液逐滴加入到三口烧瓶中，于70℃下恒温搅拌，反应2 h；取出三口烧瓶，自然冷却，得到硅烷类偶联剂。
配制1.0 mol/L盐酸溶液200 mL和1.0 mol/L氢氧化钠溶液200mL；将聚烯烃类材料剪成12 cm×3 cm的薄片，放入烧杯中进行超声清洗：盐酸溶液酸洗10 min，氢氧化钠溶液碱洗10 min，无水乙醇醇洗10 min，去离子水水洗10 min，醇洗和水洗再各重复两次（共需40 min），聚烯烃类材料烘干待用。称取600 mg CxNy/BiOClxIy，600 mgTiO2，加100 mL乙醇，4 mL硅烷类偶联剂于容器中，超声搅拌30min后，把聚烯烃类材料放入，浸泡1 h后取出材料，风干24 h。
将4片尺寸为12 cm×3 cm、负载CxNy/BiOClxIy的聚烯烃类材料安装在聚乙烯框架四周，保证材料悬浮于水中，覆盖率为50%；内部安放生态植物，覆盖率为20%；中间安装曝气充氧系统，溶解氧浓度为2mg/L。在上午10：00至下午14：00的太阳光照4 h后，1 L污水中初始浓度为5 mg/L的双酚A被完全去除。
实施例2
本实施例中，负载材料为碳纤维布，其他与实施例1相同。
将负载CxNy/BiOClxIy的碳纤维布材料安装在聚乙烯框架四周，保证材料悬浮于水中；内部安放生态植物，中间安装曝气充氧系统。在上午10：00至下午14：00的太阳光照4h后，1 L污水中初始浓度为5 mg/L的罗丹明B被完全去除。
实施例3
本实施例中，负载材料为泡沫陶瓷，其他与实施例1相同。
将负载CxNy/BiOClxIy的泡沫陶瓷材料安装在聚乙烯框架四周，保证材料悬浮于水中，内部安放生态植物、中间安装曝气充氧系统。在上午10：00至下午14：00的太阳光照4h后，1 L污水中初始浓度为5 mg/L的双酚A被完全去除。
实施例4
本实施例中，负载材料与负载方法与实施例1相同。
将负载CxNy/BiOClxIy的聚烯烃类材料安装在聚乙烯框架四周，保证材料悬浮于水中，内部安放生态植物、中间安装曝气充氧系统。负载催化剂材料在水中循环使用时间25d后，在上午10：00至下午14：00的太阳光照4 h后，1 L污水中初始浓度为5 mg/L的罗丹明B被完全去除。

Claims (8)

1.一种利用太阳能的深度水质净化系统，其特征在于，包括：
聚乙烯材料做成框架；
放置在所述框架周围的负载有氮化碳与卤氧化铋复合光催化剂CxNy/BiOXaYb的材料；
安放在所述框架内的生态植物；以及
安装在所述框架内的曝气充氧系统；
其中，所述氮化碳与卤氧化铋复合光催化剂中，氮化碳CxNy为g-C3N4，卤氧化铋BiOXaYb，X, Y = Cl、Br或 I，且X≠Y，a + b = 1。
2. 根据权利要求1所述的利用太阳能的深度水质净化系统，其特征在于，单元框架面积为2 m2～4m2。
3.根据权利要求1或2所述的利用太阳能的深度水质净化系统，其特征在于，使用的负载复合光催化剂材料为聚烯烃类、碳纤维布中的一种。
4.根据权利要求3所述的利用太阳能的深度水质净化系统，其特征在于，在材料上负载氮化碳与卤氧化铋复合光催化剂的方法，为浸渍法、水热法中的一种。
5.根据权利要求1、2或4所述的利用太阳能的深度水质净化系统，其特征在于，负载氮化碳与卤氧化铋复合光催化剂的材料在深度水质净化系统中的覆盖率为50%～70%，用于降解污染水体中的有机污染物。
6.根据权利要求5所述的利用太阳能的深度水质净化系统，其特征在于，安放的生态植物包括菖蒲、芦苇，以及高分子材料制成的人工水草；生态植物在深度水质净化系统中的覆盖率为20%～40%，用于吸附去除污染水体中的无机污染物。
7. 根据权利要求1、2、4或6所述的利用太阳能的深度水质净化系统，其特征在于，所述曝气充氧系统由太阳能电池板提供电能，采用纳米微气泡充氧；确保水体中的溶解氧浓度高于2 mg/L，产生的O2 •-等活性物种可高效降解水体中的有机污染物。
8. 根据权利要求7所述的利用太阳能的深度水质净化系统，其特征在于，在室外太阳光照条件下，负载复合光催化剂的材料循环使用时间为20d～30 d。
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