CN109607676A - 一种微波紫外TiO2光催化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微波紫外TiO2光催化装置，它包括微波发射结构、水腔室、微波紫外无极灯、曝气管道和排气管道，水腔室的外周设有微波发射结构，水腔室的一侧上部设有水流入口管路，水腔室的另一侧下部设有水流排出管路，水腔室的外侧下部设有曝气管道，曝气管道通过分支气管与水腔室的内部相通，水腔室的上部设有排气管道；所述水腔室的内部均布有非波材料支撑骨架，非波材料支撑骨架的外表面设有载TiO2的吸附性材料；所述水流入口管路上设有试剂加料管路，试剂加料管路与水流入口管路相通；该结构通过微波、紫外光和催化剂的协同作用，使得污染物的降解效率显著提高、浓度范围更广，特别是对于难降解有机物具有快速高效的处理效果。
Description
技术领域
本发明属于光催化技术领域，尤其涉及一种微波紫外TiO2光催化装置。
背景技术
随着工农业的快速发展，环境有机污染物向环境中的输入不断增加。这类污染物中存在大量具有高毒性、高累积、难降解、可远距离迁移等特点的物质，这些物质在土壤、水体、动植物体内等环境中进行迁移，造成环境污染问题，而且有可能接触人体和被人体吸收，对人类健康造成威胁。因此，寻找一种高效可行的去除环境有机污染物是十分必要的。本发明就是在改良光催化氧化技术的过程中发展起来的一种新型高级氧化处理技术。
微波(MW)是无线电波中一个有限频带的电磁波，其频率范围为300MHz--300GHz[1]。微波在穿越玻璃、塑料和瓷器过程中几乎不被吸收，但水、食品则会快速吸收微波从而使自身发热，从而达到加热的目的。这种加热技术具有速度快、效率高、条件温和、选择性强、可操控性强且可不与受热物接触等优点，被广泛应用到环境治理、化工应用、材料植被、食品加工、分析化学等领域。在降解环境污染水体中的污染物时，一些物质在常规条件下降解效率低，属于非催化剂，但是在微波辐射下，可以在表面产生“热点”效应，从而转化成为高效催化剂；同样道理，微波作用于传统的催化剂，则可以提高原催化剂的催化效率。
紫外光的波长范围为10～400nm，介于可见光和X射线电磁辐射之间。紫外波能量较高，能破坏有机物结构，在紫外照射条件下，可以有效地降解环境中的有机污染物。尤其是在处理体系中添加氧化剂时，降解效果会大大提高。这是由于这些氧化剂在紫外光的作用下可以产生相应的氧化性更高的自由基，加速有机污染物的降解。比如H2O2被紫外光激发生成羟基自由基OH·。OH·的氧化还原电位为2.8V，是仅次于氟原子的，自然界中第二个最活泼的反应物。OH·具有非常高的氧化性，并且可以非选择性攻击大部分有机污染物，从而降解有机污染物。
TiO2是环境保护领域中应用最广泛的基准光催化剂，在紫外辐射作用下，催化剂TiO2表面会形成电子(e–)～空穴(h+)对，参与到有机污染的降解反应中。UV/TiO2光催化技术具有氧化还原性强、光催化效率高、成本低、无二次污染、稳定性高等优点。因此，UV/TiO2光催化是一种很有应用前景的废水处理技术。
当微波辐射邂逅UV/TiO2光催化体系，就形成了一种新型的环境有机污染物的处置技术-MW/UV/TiO2光催化技术。它集合了MW辐射和UV/TiO2光催化技术的优点，通过微波、紫外光和催化剂的协同作用，使得污染物的降解效率显著提高、浓度范围更广，特别是对于难降解有机物具有快速高效的处理效果。如专利CN101502782B采用微波无极紫外光催化对秸秆、稻草、蔗渣、水生植物、动物粪便、垃圾或有机废水进行处理。Zhang(X.Zhang,G.Li,Y.Wang,Dyes Pigments,2007,74,536–544.)选择具有代表性偶氮染料——活性艳红X-3B作为目标污染物，研究了染料废水在微波辅助光催化氧化反应，染料废水X-3B的脱色率在180min内能达到100％，TOC去除率能达到65％。Zhang(X.Zhang,G.Li,Y.Wang,DyesPigments,2007,74,536–544.)选择具有代表性偶氮染料——活性艳红X-3B作为目标污染物，研究了染料废水在微波辅助光催化氧化反应，染料废水X-3B的脱色率在180min内能达到100％，TOC去除率能达到65％。熊重铎(熊重铎.蒽醌染料茜素绿模拟废水的微波无极紫外光催化氧化降解过程的研究[D].东华大学，2015)利用微波无极紫外光催化氧化降解了废水中蒽醌染料茜素绿，降解90min内，体系的TOC的去除率能达到82.78％。Sangmin Jeong等人(Sangmin Jeong,Heon Lee,Hyunwoong Park,et al.Catalysis Today,2018,307,65–72.)采用MW/UV/TiO2光催化技术降解了硝基苯，在最佳工艺条件下，硝基苯的去除率100min内可以达到99％。
但是，目前MW/UV/TiO2光催化技术仅停留在实验室理论研究阶段，即实验室试验阶段：采用家用微波炉作为微波发射装置，反应体系的容器一般为烧杯或者简单改造后的光催化器皿；而且本专利涉及的处置目标污染水体是流动连续的，实现了模块化，并且也避免了水体被微波过度加热引起的负面修复效果。实验室阶段的研究无法实现环境修复工作的连续化和工程化。本发明专利涉及微波发射装置重新设计为专用的，适用于连续作业的装置，从而拓展了MW/UV/TiO2光催化技术在环境修复领域的应用，更加具有实际应用性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种微波紫外TiO2光催化装置，该装置微波辐射结合UV/TiO2光催化是一种新型高级氧化处理技术。它集合了MW辐射和UV/TiO2光催化技术的优点，通过微波、紫外光和催化剂的协同作用，使得污染物的降解效率显著提高、浓度范围更广，特别是对于难降解有机物具有快速高效的处理效果。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
本发明提供了一种微波紫外TiO2光催化装置，它包括微波发射结构、水腔室、微波紫外无极灯、曝气管道和排气管道，水腔室的外周设有微波发射结构，水腔室的一侧上部设有水流入口管路，水腔室的另一侧下部设有水流排出管路，水腔室的外侧下部设有曝气管道，曝气管道通过分支气管与水腔室的内部相通，水腔室的上部设有排气管道；所述水腔室的内部均布有非波材料支撑骨架，非波材料支撑骨架的一端通过支座交错分布在水腔室的内侧壁的上端面及水腔室的内侧壁的下端面上，非波材料支撑骨架的另一端设有微波紫外无极灯，微波紫外无极灯的自由端伸出水腔室且该端悬空设置，分支气管交叉分布在相邻的两根非波材料支撑骨架之间，非波材料支撑骨架的外表面设有载TiO2的吸附性材料；所述水流入口管路上设有试剂加料管路，试剂加料管路与水流入口管路相通，沿着水流方向在水流入口管路的入口与试剂加料管路之间的水流入口管路上依次设有过滤网和水阀，曝气管道的进气处设有第一进气阀。
根据上述的微波紫外TiO2光催化装置，所述微波发射结构主要由磁控管、波导管和微波腔室组成，微波腔室内设有磁控管和波导管，磁控管水平设置在水腔室的外侧上方，磁控管的下方竖直均布有至少两根波导管，波导管与磁控管相通；所述微波腔室内设有水腔室，水腔室的外侧上方设有波导管；所述水流入口管路与曝气管道均从微波腔室内的外侧引入，水流排出管路从微波腔室内的外侧引出，试剂加料管路设置在微波腔室的外部。
根据上述的微波紫外TiO2光催化装置，所述水流入口管路的入口处设有进口控水阀，进口控水阀与过滤网之间设有杂物排出管路，杂物排出管路的排出端设有堵塞物储室，杂物排出管路上设有第四进气阀；所述曝气管道上还设有第二进气阀，第一进气阀与第二进气阀之间的曝气管路之间设有吹气管路，吹气管路上设有第三进气阀，吹气管路的另一端设置在进口控水阀与过滤网之间的水流入口管路上，吹气管路均与曝气管路及水流入口管路相通。
根据上述的微波紫外TiO2光催化装置，所述相邻的两根非波材料支撑骨架之间水平还设有微波紫外无极灯。
根据上述的微波紫外TiO2光催化装置，所述支座可拆卸地固定在水腔室的内侧壁上。
根据上述的微波紫外TiO2光催化装置，所述试剂加料管路的试剂为强氧化物质。
根据上述的微波紫外TiO2光催化装置，所述载TiO2的吸附性材料中的载体为石墨烯或活性炭，载TiO2的吸附性材料通过压缩方式附着在非波材料支撑骨架上。
根据上述的微波紫外TiO2光催化装置，所述试剂加料管路的试剂为双氧水或过硫酸盐。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明中微波发射结构的作用是产生微波；微波紫外无极灯的作用是在微波照射下，可以产生紫外光；载TiO2的吸附性材料，比如石墨烯和活性炭，载TiO2的吸附性材料通过压缩方式附着在非波材料支撑骨架上，它的作用是环境污染物被吸附材料吸附TiO2表面，在微波厂紫外光照射下，发生光催化降解，达到消除有机物的目的；非波材料支撑骨架可以将载TiO2的吸附性材料附着到上面，做成齿轮结构可以提高附着力，材料不易脱落；支座可以拆卸，用于更换上面的载TiO2的吸附性材料；曝气管路可以间歇式是通空气或者氧气，一是起到搅拌作用，二是加入氧气可以促进氧化降解效率；过滤滤网类似污水处理中的格栅工艺，去除颗粒物。当颗粒物过多时，需要清除，我们多设计了几个气阀门，打开所有的气阀门，关闭最右边的气阀，通过气流把颗粒物吹扫至堵塞物储室；排气管道用于排放分解产生的二氧化碳气体和曝气的气体；微波腔室的周围材质必须是可以反射微波的材质，类似于微波炉。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
参见图1所示，本发明一个具体实施方式的结构中包括包括微波发射结构1、水腔室2、微波紫外无极灯3、曝气管道4和排气管道5，水腔室2的外周设有微波发射结构1，水腔室2的一侧上部设有水流入口管路6，水腔室的另一侧下部设有水流排出管路7，水腔室的外侧下部设有曝气管道4，曝气管道通过分支气管8与水腔室2的内部相通，水腔室2的上部设有排气管道5；所述水腔室2的内部均布有非波材料支撑骨架9，非波材料支撑骨架9的一端通过支座10交错分布在水腔室的内侧壁的上端面及水腔室的内侧壁的下端面上，非波材料支撑骨架的另一端设有微波紫外无极灯3，微波紫外无极灯3的自由端伸出水腔室2且该端悬空设置，分支气管8交叉分布在相邻的两根非波材料支撑骨架9之间，非波材料支撑骨架的外表面设有载TiO2的吸附性材料11；所述水流入口管路6上设有试剂加料管路13，试剂加料管路13与水流入口管路6相通，沿着水流方向在水流入口管路6的入口与试剂加料管路13之间的水流入口管路上依次设有过滤网14和水阀15，曝气管道的进气处设有第一进气阀16。
具体应用时，所述微波发射结构1主要由磁控管101、波导管102和微波腔室103组成，微波腔室103内设有磁控管101和波导管102，磁控管水平设置在水腔室的外侧上方，磁控管101的下方竖直均布有至少两根波导管102，波导管与磁控管相通；所述微波腔室103内设有水腔室2，水腔室2的外侧上方设有波导管102；所述水流入口管路6与曝气管道4均从微波腔室103内的外侧引入，水流排出管路7从微波腔室103内的外侧引出，试剂加料管路13设置在微波腔室的外部。
为了排除水流中的堵塞物，所述水流入口管路的入口处设有进口控水阀17，进口控水阀17与过滤网14之间设有杂物排出管路18，杂物排出管路的排出端设有堵塞物储室19，杂物排出管路上设有第四进气阀20；所述曝气管道4上还设有第二进气阀21，第一进气阀16与第二进气阀21之间的曝气管路之间设有吹气管路22，吹气管路22上设有第三进气阀12，吹气管路22的另一端设置在进口控水阀与过滤网之间的水流入口管路上，吹气管路均与曝气管路及水流入口管路相通。
为了增加催化效果，所述相邻的两根非波材料支撑骨架之间水平还设有微波紫外无极灯。
为了方便更新载TiO2的吸附性材料11，所述支座可拆卸地固定在水腔室的内侧壁上。
上述的微波紫外TiO2光催化装置，所述试剂加料管路的试剂为强氧化物质；所述载TiO2的吸附性材料中的载体为石墨烯或活性炭，载TiO2的吸附性材料通过压缩方式附着在非波材料支撑骨架上；所述试剂加料管路的试剂为双氧水或过硫酸盐。
上述描述仅作为本发明可实施的技术方案提出，不作为对其技术方案本身的单一限制条件。
Claims (8)
1.一种微波紫外TiO2光催化装置，其特征在于它包括微波发射结构、水腔室、微波紫外无极灯、曝气管道和排气管道，水腔室的外周设有微波发射结构，水腔室的一侧上部设有水流入口管路，水腔室的另一侧下部设有水流排出管路，水腔室的外侧下部设有曝气管道，曝气管道通过分支气管与水腔室的内部相通，水腔室的上部设有排气管道；所述水腔室的内部均布有非波材料支撑骨架，非波材料支撑骨架的一端通过支座交错分布在水腔室的内侧壁的上端面及水腔室的内侧壁的下端面上，非波材料支撑骨架的另一端设有微波紫外无极灯，微波紫外无极灯的自由端伸出水腔室且该端悬空设置，分支气管交叉分布在相邻的两根非波材料支撑骨架之间，非波材料支撑骨架的外表面设有载TiO2的吸附性材料；所述水流入口管路上设有试剂加料管路，试剂加料管路与水流入口管路相通，沿着水流方向在水流入口管路的入口与试剂加料管路之间的水流入口管路上依次设有过滤网和水阀，曝气管道的进气处设有第一进气阀。
2.根据权利要求1所述的微波紫外TiO2光催化装置，其特征在于：所述微波发射结构主要由磁控管、波导管和微波腔室组成，微波腔室内设有磁控管和波导管，磁控管水平设置在水腔室的外侧上方，磁控管的下方竖直均布有至少两根波导管，波导管与磁控管相通；所述微波腔室内设有水腔室，水腔室的外侧上方设有波导管；所述水流入口管路与曝气管道均从微波腔室内的外侧引入，水流排出管路从微波腔室内的外侧引出，试剂加料管路设置在微波腔室的外部。
3.根据权利要求1所述的微波紫外TiO2光催化装置，其特征在于：所述水流入口管路的入口处设有进口控水阀，进口控水阀与过滤网之间设有杂物排出管路，杂物排出管路的排出端设有堵塞物储室，杂物排出管路上设有第四进气阀；所述曝气管道上还设有第二进气阀，第一进气阀与第二进气阀之间的曝气管路之间设有吹气管路，吹气管路上设有第三进气阀，吹气管路的另一端设置在进口控水阀与过滤网之间的水流入口管路上，吹气管路均与曝气管路及水流入口管路相通。
4.根据权利要求1所述的微波紫外TiO2光催化装置，其特征在于：所述相邻的两根非波材料支撑骨架之间水平还设有微波紫外无极灯。
5.根据权利要求1所述的微波紫外TiO2光催化装置，其特征在于：所述支座可拆卸地固定在水腔室的内侧壁上。
6.根据权利要求1所述的微波紫外TiO2光催化装置，其特征在于：所述试剂加料管路的试剂为强氧化物质。
7.根据权利要求1所述的微波紫外TiO2光催化装置，其特征在于：所述载TiO2的吸附性材料中的载体为石墨烯或活性炭，载TiO2的吸附性材料通过压缩方式附着在非波材料支撑骨架上。
8.根据权利要求6所述的微波紫外TiO2光催化装置，其特征在于：所述试剂加料管路的试剂为双氧水或过硫酸盐。
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| CN102260003A (zh) * | 2011-05-31 | 2011-11-30 | 武汉纺织大学 | 工业废水微波无极紫外光催化-双膜分离耦合处理装置 |
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