CN109896581A - 一种多层板框式漂浮光催化净水装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多层板框式漂浮光催化净水装置及其应用，包括可见光催化单元和紫外光催化单元，可见光催化单元和紫外光催化单元之间通过连接筋连接；可见光催化单元包括多层可见光催化层，紫外光催化单元包括多层紫外光催化层，可见光催化层和紫外光催化层均包括基底织物和板框，基底织物上分别负载有可见光和紫外光催化材料，基底织物固定设置在板框上，可见光催化单元设置有漂浮辅助装置。本发明利用多种光催化材料，提高对太阳光的利用率；还能保证污染物与光催化材料的充分接触，有效协同利用光催化还原及光催化氧化作用，加快污染物去除；板框可在水流急剧变大时起良好的抗水流作用，缓解织物的破裂，保证膜装置的受光面积。

Description

一种多层板框式漂浮光催化净水装置及其应用

技术领域

本发明涉及水环境处理领域，尤其涉及一种多层板框式漂浮光催化净水装置及其应用。

背景技术

近年来，由于工业发展水平不断加快，大量污废水排入河流、湖泊，我国水环境出现低溶解氧、低透明度、高氮磷污染等问题。以去除水体中污染物，改善河道水环境质量为目的的修复技术越来越得到重视。而且，典型环境水体(甚至包括饮用水及地下水)中频频检出抗生素、类雌激素等持久性难降解污染物，长周期低剂量的抗生素累积即可诱导产生抗性基因及耐药菌株，严重威胁着水生生态安全和人体健康。此类污染物浓度低、难降解，且污染水量大、范围广，现有的水处理工艺对其处理效果差，亟待开展去除此类污染物的新方法和新原理研究。光催化技术仅利用阳光及光催化剂，即可实现复杂有机物的快速降解及矿化，极具经济高效处理此类污染物的潜力。目前该技术大规模环保应用受制于两大瓶颈：(1)缺乏集高效、稳定、环保、价廉于一体的环保光催化剂；(2)污染物转化机制系统研究不足。

光催化材料基于其在太阳光照射下所具有的氧化还原能力而净化污染物。研究表明，光催化技术具有高效、安全的特点，是一种环境友好型环境净化技术，它正逐渐成为人们污染治理的主要手段。关于光催化材料方面也有诸多专利文件报道。例如：中国专利文件CN109621986A一种含有二氧化钛的复合光催化材料，按质量百分比，其含有以下成分：二氧化钛30-50％，氧化硅15-25％，石墨烯15-25％，铜盐5-10％，钒盐5-10％。中国专利文件CN109529904A公开了一种表面无定形碳掺杂的氮化碳光催化剂的制备方法，仅仅通过在马弗炉中煅烧尿素和苯丙二酸混合便可获得能高效降解水体中双酚A的氮化碳光催化剂材料。

关于光催化污水处理装置有诸多专利文件报道，例如：中国专利文件CN208617458U公开了一种光催化氧化处理废水装置，包括废水循环反应池和光催化反应主体，光催化反应主体上设有进水口和出水口，废水循环反应池和光催化反应主体的进水口之间设置有反应循环泵，光催化反应主体内部设置有不锈钢丝网，不锈钢丝网内部设置有石英套管，石英套管内设有紫外线灯，不锈钢丝网上设置有光催化剂，光催化反应主体的内壁上设置有铝箔反光层。再例如：中国专利文件CN108483560A公开了一种光催化水处理装置和光催化水处理方法。该装置中光催化膜能漂浮在水体表面，有效提高催化纤维对自然太阳光的利用率，提高降解效果，以太阳光作为驱动力，利用光催化纤维材料与有机污染物的亲和性，将有机污染物进行高效催化降解；并且该光催化纤维能漂浮在水体表面，有效提高催化纤维对自然太阳光的利用率，提高降解效果，可以实现高效的污水治理。

然而，在现有技术中，光催化应用存在许多问题，其对水体的实际净化效果差。大部分光催化材料仅对太阳光的单一光区响应，光利用效率低；光催化材料投入水体后易于分散或沉积，粉体回收困难，容易造成二次污染；以光催化为技术基础的装置大多漂浮在水体表面，较多利用光催化的氧化功能，而限制了还原功能的充分利用。

发明内容

针对现有技术的不足，尤其是现有的光催化污水处理装置仅对太阳光的单一光区响应，光利用效率低的问题，本发明提供一种多层板框式漂浮光催化净水装置。本发明结构简单，使用方便，有效解决了水体中光催化效率低的问题，使其最大限度地发挥净化效果。

本发明的技术方案如下：

一种多层板框式漂浮光催化净水装置，包括可见光催化单元和紫外光催化单元，所述的可见光催化单元和紫外光催化单元之间通过连接筋连接；

所述的可见光催化单元包括多层可见光催化层，所述的可见光催化层包括基底织物和板框，基底织物上负载有可见光催化材料，基底织物固定设置在板框上；

所述的紫外光催化单元包括多层紫外光催化层，所述的紫外光催化层包括另一基底织物和另一板框，另一基底织物上负载有紫外光催化材料，另一基底织物固定设置在另一板框上；

所述的可见光催化单元设置有漂浮辅助装置。

根据本发明，优选的，所述的基底织物的材质为丙纶、涤纶或麻等；进一步优选的，光催化净水装置中所有基底织物依自上而下的顺序，不同层间基底织物的经密与纬密依次增大，从最上层的2-20根/10厘米逐渐增加至最下层的10-100根/10厘米。这种经密和纬密设置具有更好的透光性，同时又具有良好的机械强度。

根据本发明，优选的，所述的可见光催化材料为氮化碳、钒酸铋、三氧化钨，所述的紫外光催化材料为二氧化钛、氧化锌、五氧化二钽。

根据本发明，优选的，可见光催化材料和紫外光催化材料均匀负载在基底织物表面，覆盖率为70-100％。

根据本发明，优选的，所述的紫外光催化单元也设置有漂浮辅助装置。

根据本发明，优选的，所述的漂浮辅助装置为浮球或浮杆，进一步优选空心浮球或空心浮杆。浮球或浮杆为密度小于水的材质，可以为塑料、泡沫、木质等材质，只要能够支持净水装置漂浮即可。

根据本发明，优选的，当所述的漂浮辅助装置为浮球时，浮球通过扎带与板框固定连接；进一步优选的，扎带还与卡扣连接，将卡扣与板框连接。这种设置可以方便更换浮球。

当所述的漂浮辅助装置为浮杆时，将浮杆通过扎带捆绑在板框上进行固定连接。

根据本发明，优选的，所述的基底织物设置有网孔，可见光催化层中的基底织物和板框的网孔大于紫外光催化层中的基底织物和板框的网孔大小。进一步优选的，可见光催化层中的基底织物和板框的网孔间隙为1-2cm，紫外光催化层中的基底织物和板框的网孔间隙为0.4-0.7cm。这种设置，可以使得紫外光顺利穿过可见光催化层，到达紫外光催化层进行光催化反应。

根据本发明，优选的，所述的可见光催化单元中可见光催化层的层数为1-3层，每层的层间距为1-2cm；所述的紫外光催化单元中紫外光催化单层的层数为1-3层，每层的层间距为1-2cm；

优选的，可见光催化单元和紫外光催化单元的间距为5-30cm，进一步优选10-15cm；所述的可见光催化单元和紫外光催化单元的间距是指位于净水装置最外侧催化层的距离，即可见光催化单元最上层的可见光催化层与紫外光催化单元中最下层紫外光催化层的距离。合适的间距更有利于光线的穿透，距离过大影响光线穿透，紫外光达到紫外光催化层的程度小，不利于紫外光催化反应；距离过小，则不利于光催化剂比表面积的完全暴露，并抑制还原功能的充分利用。

根据本发明，所述的连接筋为固体材质，用于支撑可见光催化单元和紫外光催化单元保持固定的间距。可以为金属材质，例如铁棒；也可以为固体非金属材质，例如木棒，塑料棒等。所述的板框为均匀布局有网孔的固体板，可以为金属材质，例如现有板框压滤机中类似的板框；将其替换为密度大于水的其他固体材质同样能够实现本发明的功能。

根据本发明，优选的，所述的板框仅布局设置在基底织物四周。这种设置，有利于减少板框自身的重量，同时又能保护基底织物。另一方面，基底织物本身具有透光性，再加之基底织物上设置有网孔，更有利于光线的透过。

根据本发明，优选的，位于净水装置最上层的可见光催化层中的板框的四周设置有挡板，挡板与板框垂直设置，挡板高度为1-2cm；进一步优选的，挡板上均匀设置有网孔，网孔大小为2-4cm。设置挡板可以更有利于抗击水流和其他漂浮物，保护基底织物免受破坏。

根据本发明，所述的多层板框式漂浮光催化净水装置的应用，用于自然水体的净化。该装置可放置于江河湖海等水体中使用。

本发明具有如下优点：

1、由于不同波长的光在水中的穿透力不同，本发明设置可见光催化单元和紫外光催化单元，通过在不同基底织物上负载对太阳光响应区不同的催化材料以提高对光的利用率。

2、本发明可见光催化层和紫外光催化层设置不同的网孔大小及面积，可以更有效利用基底织物，减少面积覆盖造成的浪费。同时对基底织物的材质和经纬密度的设置，既保证了织物的透光性能又保证了织物的机械强度。

3、本发明在可见光催化层上负载可见光催化材料，例如氮化碳光催化氧化材料，可见光催化层位于催化净水装置的上层，与氧气接触充分，利于氧化催化。在紫外光催化层上负载紫外光催化材料，例如二氧化钛催化材料，位于催化净水装置的下层，在水体中溶解氧不足的情况下仍然能够进行充分的光催化还原反应，实现光催化氧化、光催化还原的协同作用，多层结构可实现光催化材料与污染物的完全接触，提高光催化利用率。

4、本发明设置漂浮辅助装置，避免催化净水装置沉到水底，保证充足的受光面积。同时，设置的板框和板框周围的挡板可在水流急剧变大时起良好的抗水流作用，有效阻止气流涌动造成杂物覆盖，缓解基底织物破裂，确保装置稳定运行。

附图说明

图1是本发明实施例1中多层板框式漂浮光催化净水装置的主题结构示意图；

图2是本发明实施例1中板框与浮球的安装示意图。

其中：1、漂浮辅助装置，2、基底织物，3、板框，4、可见光催化层，5、紫外光催化层，6、连接筋，7、扎带，8、卡扣。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例1

如图1、2所示，一种多层板框式漂浮光催化净水装置，包括可见光催化单元和紫外光催化单元，所述的可见光催化单元和紫外光催化单元之间通过连接筋6连接；所述的可见光催化单元包括一层可见光催化层4，所述的紫外光催化单元包括一层紫外光催化层5；

所述的可见光催化层4包括基底织物2和板框3，基底织物2上负载有氮化碳可见光催化材料，基底织物2固定设置在板框3上；

所述的紫外光催化层5包括另一基底织物2和另一板框3，另一基底织物2上负载有二氧化钛紫外光催化材料，另一基底织物2固定设置在另一板框3上；

所述的可见光催化层4和紫外光催化层5设置有漂浮辅助装置1，所述的漂浮辅助装置1为空心浮球，浮球通过扎带7与卡扣8连接，将卡扣8与板框3连接。具体安装时，将卡扣8的两个脚掰开，并将其中一个脚穿入板框3的孔中，松开卡扣8的两个脚，完成连接安装。

本实施例中，所述的基底织物2设置有网孔，可见光催化层4中的基地织物2和板框3的网孔间隙为2cm，紫外光催化层5中的基地织物2和板框3的网孔间隙为0.6cm。这种设置，可以使得可见光顺利穿过可见光催化层4，到达紫外光催化层5进行光催化反应。基底织物的材质为涤纶，上层可见光催化层基底织物的经密与纬密为10根/10厘米，下层紫外光催化层基底织物的经密与纬密为50根/10厘米。这种经密和纬密设置具有更好的透光性，同时又具有良好的机械强度。可见光催化材料和紫外光催化材料均匀负载在基底织物2表面，覆盖率为80％。

可见光催化层4和紫外光催化层5的间距为10cm，所述的连接筋7为不锈钢棒，用于支撑可见光催化层4和紫外光催化层5保持固定的间距。

实施例2

如实施例1所述，不同的是：

所述的板框3仅布局设置在基底织物2的四周。这种设置，有利于减少板框3自身的重量，同时又能保护基底织物2。所述的漂浮辅助装置1为浮杆，将浮杆通过扎带7捆绑在板框3上进行固定连接。

本实施例中，可见光催化层4中的基底织物2和板框3的网孔间隙为1cm，紫外光催化层5中的基底织物2和板框3的网孔间隙为0.4cm。可见光催化层4和紫外光催化层5的间距为20cm。

实施例3

如实施例1或2所述，不同的是：

所述的板框3的四周垂直设置有挡板，挡板与板框垂直设置，挡板高度为1cm。

本实施例中，可见光催化层4中的基地织物2和板框3的网孔间隙为1.5cm，紫外光催化层5中的基地织物2和板框3的网孔间隙为0.7cm。可见光催化层4和紫外光催化层5的间距为40cm。

实施例4

如实施例3所述，不同的是：

所述挡板上均匀设置有网孔。

本实施例中，可见光催化层4中的基底织物2和板框3的网孔间隙为2cm，紫外光催化层5中的基底织物2和板框3的网孔间隙为0.5cm。紫外光催化层4和可见光催化层5的间距为35cm。

实施例5

如实施例1所述，不同的是：

所述的可见光催化单元包括两层可见光催化层4，每层的层间距为2cm，所述的紫外光催化单元包括两层紫外光催化层5，每层的层间距为2cm；可见光催化单元和紫外光催化单元的间距为15cm，即可见光催化单元最上层的可见光催化层4与紫外光催化单元中最下层紫外光催化层5的距离为15cm。光催化净水装置中所有基底织物依自上而下的顺序，不同层间基底织物的经密与纬密依次增大，自上而下基底织物的经密与纬密依次为10根/10厘米、15根/10厘米、30根/10厘米、50根/10厘米。

实施例6

本发明催化净水装置使用时，将催化净水装置放入待净化的水体中，可见光催化层4位于催化净水装置的上层，与氧气接触充分，利于氧化催化。紫外光催化层5位于催化净水装置的下层，在水体中溶解氧不足的情况下仍然能够进行充分的光催化还原反应，实现光催化氧化、光催化还原的协同作用，多层结构可实现光催化材料与污染物的完全接触，提高光催化利用率。设置漂浮辅助装置1，避免催化净水装置沉到水底，保证充足的受光面积。同时，设置的板框3和板框3周围的挡板可在水流急剧变大时起良好的抗水流作用，有效阻止气流涌动造成杂物覆盖，缓解基底织物破裂，确保装置稳定运行。本发明设置可见光催化层4和紫外光催化层5，通过在不同基底织物上负载对太阳光响应区不同的催化材料，提高对光的利用率。

需要说明的是：上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多层板框式漂浮光催化净水装置，其特征在于，该光催化净水装置包括可见光催化单元和紫外光催化单元，所述的可见光催化单元和紫外光催化单元之间通过连接筋连接；

所述的可见光催化单元包括多层可见光催化层，所述的可见光催化层包括基底织物和板框，基底织物上负载有可见光催化材料，基底织物固定设置在板框上；

所述的紫外光催化单元包括多层紫外光催化层，所述的紫外光催化层包括另一基底织物和另一板框，另一基底织物上负载有紫外光催化材料，另一基底织物固定设置在另一板框上；

所述的可见光催化单元设置有漂浮辅助装置。

2.根据权利要求1所述的多层板框式漂浮光催化净水装置，其特征在于，所述的基底织物的材质为丙纶、涤纶或麻；优选的，光催化净水装置中所有基底织物依自上而下的顺序，不同层间基底织物的经密与纬密依次增大，从最上层的2-20根/10厘米逐渐增加至最下层的10-100根/10厘米。

3.根据权利要求1所述的多层板框式漂浮光催化净水装置，其特征在于，所述的可见光催化材料为氮化碳、钒酸铋、三氧化钨，所述的紫外光催化材料为二氧化钛、氧化锌、五氧化二钽。

4.根据权利要求1所述的多层板框式漂浮光催化净水装置，其特征在于，可见光催化材料和紫外光催化材料均匀负载在基底织物表面，覆盖率为70-100％。

5.根据权利要求1所述的多层板框式漂浮光催化净水装置，其特征在于，所述的漂浮辅助装置为浮球或浮杆，优选空心浮球或空心浮杆。

6.根据权利要求5所述的多层板框式漂浮光催化净水装置，其特征在于，当所述的漂浮辅助装置为浮球时，浮球通过扎带与板框固定连接；优选的，扎带还与卡扣连接，将卡扣与板框连接；

当所述的漂浮辅助装置为浮杆时，将浮杆通过扎带捆绑在板框上进行固定连接。

7.根据权利要求1所述的多层板框式漂浮光催化净水装置，其特征在于，所述的基底织物设置有网孔，可见光催化层中的基底织物和板框的网孔大于紫外光催化层中的基底织物和板框的网孔大小；优选的，可见光催化层中的基底织物和板框的网孔间隙为1-2cm，紫外光催化层中的基底织物和板框的网孔间隙为0.4-0.7cm。

8.根据权利要求1所述的多层板框式漂浮光催化净水装置，其特征在于，所述的可见光催化单元中可见光催化层的层数为1-3层，每层的层间距为1-2cm；所述的紫外光催化单元中紫外光催化单层的层数为1-3层，每层的层间距为1-2cm；

优选的，可见光催化单元和紫外光催化单元的间距为5-30cm，进一步优选10-15cm。

9.根据权利要求1所述的多层板框式漂浮光催化净水装置，其特征在于，所述的板框仅布局设置在基底织物四周；

优选的，位于净水装置最上层的可见光催化层中的板框的四周设置有挡板，挡板与板框垂直设置，挡板高度为1-2cm；进一步优选的，挡板上均匀设置有网孔，网孔大小为2-4cm。

10.权利要求1-9任一项所述的多层板框式漂浮光催化净水装置的应用，用于自然水体的净化。