CN112811684A

CN112811684A - 一种高效超声波纳米光催化水质消毒器

Info

Publication number: CN112811684A
Application number: CN202110042943.0A
Authority: CN
Inventors: 吴兆儒; 吴佳霖
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-01-13
Filing date: 2021-01-13
Publication date: 2021-05-18

Abstract

本发明公开了一种高效超声波纳米光催化水质消毒器，包括超声波振子、超声波发生器、进水不锈钢筒、出水不锈钢筒、石英玻璃套管、紫外线灯管、多孔钛基复合材料加固套管、纳米二氧化钛涂层、稳压模块、控制器模块和不锈钢连接管，所述进水不锈钢筒和出水不锈钢筒之间通过不锈钢连接管连通，所述纳米二氧化钛涂层设于进水不锈钢筒和出水不锈钢筒内壁，所述进水不锈钢筒上设有进水口，所述超声波振子设于进水不锈钢筒内，所述超声波振子通过超声波极板与超声波发生器连接，所述出水不锈钢筒上设有出水口，所述石英玻璃套管、紫外线灯管和多孔钛基复合材料加固套管设于出水不锈钢筒内。本发明与现有技术相比的优点在于：高效、绿色、消杀速度快。

Description

一种高效超声波纳米光催化水质消毒器

技术领域

本发明涉及水质处理技术领域，具体是指一种高效超声波纳米光催化水质消毒器。

背景技术

在世界人口持续增加以及广泛工业化的过程中，饮用水源的污染问题日趋严重。根据世界卫生组织的估计，地球上22％的居民日常生活中的饮用水不符合世界卫生组织建议的饮用水标准。长期摄入不干净饮用水将会对人的身体健康造成严重危害，世界范围内每年大概有200万人由于水传播疾病死亡。水中的污染物呈现出多样化的趋势，常见的污染物包括有病理指标、毒重金属、自然毒素、药物、有机污染物等。饮用水目前常用的化学消毒法有氯消毒、三氧化氯消毒、臭氧消毒、氯胺联合消毒等，存在不易储存或制备、产生各类消毒副产物等问题，使用缺乏安全。

相对于化学消毒技术，紫外线消毒法属于物理消毒法，不会产生溴酸盐、亚氯酸盐、碘乙酸、三卤甲烷等有害物质，对环境、生态和人类无害，且不会产生臭味紫外消毒效果受温度、pH值影响较小，性能稳定，运营、维护及管理简便，应用广泛。紫外线消毒的原理是改变微生物遗传物质，使微生物丧失繁殖能力，通过抑制菌类的生长，来达到消毒目的。但是，紫外消毒技术的消毒剂机理存在一定缺陷，灭活的病菌经过一段时间的光照，遗传物质会进行自我修复，微生物重新恢复繁殖能力，并大量滋生，产生“光复活”现象，严重破坏水质。光催化消毒技术可通过不同形式对微生物的多种生命结构造成破坏，抑制其复活现象，导致微生物彻底死亡。光催化技术对于水体中的各类微生物、病毒的消杀及重金属和有机物去除作用都是非常强大的。目前水质消毒领域迫切需要一种高效、绿色、消杀速度快的消毒设备。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服以上技术缺陷，提供一种高效、绿色、消杀速度快的一种高效超声波纳米光催化水质消毒器。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种高效超声波纳米光催化水质消毒器，包括超声波振子、超声波发生器、进水不锈钢筒、出水不锈钢筒、石英玻璃套管、紫外线灯管、多孔钛基复合材料加固套管、纳米二氧化钛涂层、稳压模块、控制器模块和不锈钢连接管，所述进水不锈钢筒和出水不锈钢筒之间通过不锈钢连接管连通，所述纳米二氧化钛涂层设于进水不锈钢筒和出水不锈钢筒内壁，所述进水不锈钢筒上设有进水口，所述超声波振子设于进水不锈钢筒内，所述超声波振子通过超声波极板与超声波发生器连接，所述出水不锈钢筒上设有出水口，所述石英玻璃套管、紫外线灯管和多孔钛基复合材料加固套管设于出水不锈钢筒内形成过滤系统，所述稳压模块结合控制器模块控制超声波发生器，并通过电源控制紫外线灯管。

进一步的，所述紫外线灯管设于石英玻璃套管内部，所述多孔钛基复合材料加固套管设于石英玻璃套管外侧。

进一步的，所述紫外线灯管与出水不锈钢筒连接端设有密封圈。

进一步的，所述超声波振子工作频率为30khz-40khz。

进一步的，所述紫外线工作波长为200-300nm。

进一步的，所述出水不锈钢筒上连接设有地线。

进一步的，所述进水不锈钢筒、出水不锈钢筒和不锈钢连接管均由304不锈钢制作而成。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、具有超声波协同双重消毒杀菌功能；

2、具有极强的杀菌、除臭、分解有机物、分解农药化肥残留物、阻防垢、分解一定量的重金属的作用；

3、不用外加的化学添加剂，不产生二次污染，高效、经济、快速、环保、绿色；

4、多重对细菌食物链及细菌、病毒的去氧核醣核酸(DNA)及核醣核酸(RNA)进行破坏，使细菌和病毒等无法完成遗传物质的复制和转录，从而杀灭细菌病原体，杜绝传染源，及有效的防止细菌、病毒复活滋生，有效的保证远距离供水的安全问题；

5、具有无需额外动力自清洁功能，延长设备的使用寿命及保证消杀病毒的持续作用。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为图1中A-A部结构示意图。

图3为图1中B-B部结构示意图。

附图中：1-超声波振子，2-超声波发生器，3-进水不锈钢筒，4-出水不锈钢筒，5-石英玻璃套管，6-紫外线灯管，7-多孔钛基复合材料加固套管，8-纳米二氧化钛涂层，9-稳压模块，10-控制器模块，11-不锈钢连接管，12-进水口，13-超声波极板，14-出水口，15-电源，16-密封圈，17-地线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

结合图1-3所示，一种高效超声波纳米光催化水质消毒器，包括超声波振子1、超声波发生器2、进水不锈钢筒3、出水不锈钢筒4、石英玻璃套管5、紫外线灯管6、多孔钛基复合材料加固套管7、纳米二氧化钛涂层8、稳压模块9、控制器模块10和不锈钢连接管11，所述进水不锈钢筒3和出水不锈钢筒4之间通过不锈钢连接管11连通，所述纳米二氧化钛涂层8设于进水不锈钢筒3和出水不锈钢筒4内壁，所述进水不锈钢筒3上设有进水口12，所述超声波振子1设于进水不锈钢筒3内，所述超声波振子1通过超声波极板13与超声波发生器2连接，所述出水不锈钢筒4上设有出水口14，所述石英玻璃套管5、紫外线灯管6和多孔钛基复合材料加固套管7设于出水不锈钢筒4内形成过滤系统，所述稳压模块9结合控制器模块10控制超声波发生器2，并通过电源15控制紫外线灯管6。

所述紫外线灯管6设于石英玻璃套管5内部，所述多孔钛基复合材料加固套管7设于石英玻璃套管5外侧，所述紫外线灯管6与出水不锈钢筒4连接端设有密封圈16，所述超声波振子1工作频率为30khz-40khz，所述紫外线工作波长为200-300nm，所述出水不锈钢筒4上连接设有地线17。

紫外线消毒杀菌的原理：

紫外线是一种肉眼看不见的光波，存在于可见光谱紫射线端的外侧，故称紫外线。紫外线是一粒粒不连接的粒子流，每一粒波长253.7nm的紫外线光子具有4.9eV的能量。

当紫外线照射到微生物时，便发生能量的传递和积累，积累结果造成微生物的灭活，从而达到消毒的目的。当细菌、病毒吸收超过3600～65000uW/cm2剂量时，对细菌、病毒的去氧核醣核酸(DNA)及核醣核酸(RNA)具有强大破坏力，能使细菌、病毒丧失生存力及繁殖力进而消灭细菌、病毒，达到消毒灭菌成效。紫外线一方面可使核酸突变、阻碍其复制、转录封锁及蛋白质的合成；另一方面，产生自由基可引起光电离，从而导致细菌的死亡。因此：大部分细菌和病毒接受的累积紫外剂量达到20mJ时，其灭活率可以高达99％以上。253.7nm的紫外线能有效破坏微生物的遗传物质(DNA或RNA)，使细菌和病毒等无法完成遗传物质的复制和转录，从而杀灭细菌病原体，杜绝传染源。

纳米二氧化钛与紫外灯协同的光催化反应机理及杀菌机理：

纳米电光催化反应系统的基本原理及作用：

纳米电光催化反应系统原理是用规定波长的紫外灯灯光及可见光照射纳米二氧化钛涂层和多孔钛基复合材料加固套管时电极进行水的电解反应和氧化还原，光催化反应将空气中的水或氧气催化成氧化能力的羟基自由基(·OH^-)和超氧阴离子自由基(·O₂ ^-)，活性氧(·O)等具有氧化能力的光生活性基团，这些光生活性基团的能量相当于3600K的高温，具有很强的氧化性。当纳米二氧化钛涂层接受规定波长的紫外线照射时，其内部由于吸收光能而激发产生电子·空穴对，二氧化钛的电子从价电带跃迁至导电带，在光触媒表面形成电子(e-)空穴(h+)对，带负电的e-与纳米二氧化钛涂层/钛基复合材料表面的O₂结合产生超氧阴离子自由基(·O₂ ^-)。即光生载流子，然后迅速迁移到其表面并激活被吸附的氧和水分，带正电的h+与其表面的H₂O结合产生羟基自由基(·OH^-)和活性氧(·O)，这两者在化学上都是极不稳定的物质，当污染物以及细菌吸附其表面时，就会发生链式降解反应。会产生类似光合作用(将光能转变为化学能)的光催化反应，产生出氧化能力极强的自由氢氧基和活性氧，具有很强的光氧化还原功能，这些强氧化性基团(能量相当于3600K℃的高温)可强效分解各种具有不稳定化学键的有机化合物和部分无机物，并可瞬间破坏细菌的细胞膜和凝固病毒的蛋白质载体。达到99.99％杀灭细菌并分解细菌、真菌释放出的毒素和分解有机污染物，把有机污染物分解成无污染的水(H₂O)和二氧化碳(CO₂)，因而具有极强的杀菌、除臭、分解有机物、分解化肥残留物、分解一定量的重金属的作用。

纳米二氧化钛光催化降解机理共分为7个步骤来完成光催化的过程：

TiO₂+hv→h⁺+e^-

h⁺+OH^-→·OH

h⁺+H²O→·OH+H⁺

e^-+O₂→·O₂ ^-

H₂O+·O₂ ^-→HO₂·+OH^-

2HO₂·+e^-+H₂O→H₂O₂+OH^-

H₂O₂+e^-→·OH+OH^-

H₂O₂+·O₂ ^-→·OH+H⁺

·OH+dye→···→CO₂+H₂O

·O₂ ^-+dye→···→CO₂+H₂O

当然也会发生，光生电子与空穴的复合：

h++e-→热能(能量相当于3600K℃的高温)

当一个具有hV能量大小的光子或者具有大于半导体禁带宽度Eg的光子射入半导体时，一个电子由价带(VB)激发到导带(CB)，因而在导带上产生一个高活性电子(e^-)，在价带上留下了一个空穴(h⁺⁾形成氧化还原体系。溶解氧及水和电子及空穴相互作用，最终产生高活性的羟基。·OH^-、·O₂ ^-、·OOH^-自由基具有强氧化性，能把大多数吸附在TiO₂表面的有机污染物降解为CO₂、H₂O，把无机污染物氧化或还原为无害物。

纳米二氧化钛杀菌机理:

纳米二氧化钛具有很强的光催化杀菌作用。通过对纳米二氧化钛光催化杀灭革兰氏阴、阳性细菌的致死曲线进行对比、常规培养验证和透射电镜观察得出结论：纳米二氧化钛光催化灭菌首先是从细菌细胞壁开始，其产生的自由基能破坏细胞壁结构，使细胞壁断裂、破损，质膜解体，然后进入胞体内部破坏内膜和细胞组分，使细胞质凝聚，导致细胞內容物溢岀，可岀现菌体空化现象。从而证实了纳米二氧化钛的抑菌机理是在光催化作用下，纳米二氧化钛禁带上的电子由价带跃迁到导带，在表面形成高活性的电子-空穴对，并进一步形成·OH^-、·O₂ ^-、·OOH^-通过一系列物理化学作用破坏细菌细胞，从而杀灭细菌。

超声波协同纳米二氧化钛及紫外线的消毒杀菌工作原理：

本发明中我们将超声波与纳米二氧化钛及紫外线协同消毒杀菌，纳米二氧化钛催化剂与超声波具有明显的协同杀菌作用，pH值升高对超声波杀菌效果有明显提高，加快了光催化速度，其杀菌效果比纳米二氧化钛催化紫外光杀菌效果好。纳米二氧化钛催化超声处理不仅具有良好的杀菌作用，并且对光滑表面有一定的洁净作用，可对污染器材进行超声清洗的同时起到杀菌作用。

超声波协同紫外线杀菌反应时间短，杀菌速度快，同时，频率在20KHZ以上的超声波能够彻底干净的清洗紫外线石英套管，防止石英管外壁在高盐度、高硬度水中结垢，长期保持石英套管良好的透光率和紫外线灯的杀菌率，不使用外加的化学添加剂，不产生二次污染，高效、经济、快速、环保、绿色。

而超声波频率在20KHZ以上的超声波对水具有空化、混合、裂解、氧化、推流、杀菌、灭藻、清洗、除垢防垢等一系列作用，超声波空化实现了辅助杀菌和对有机物的降解，其产生的局部激波能使被处理水产生紊流现象，使水与紫外线更加充分均匀的接触，使杀菌更高效；同时超声波对腔体和石英套管起到了关键的清洗、除垢、防垢作用，使石英套管在高盐度海水内不结垢、不污染，长期保持良好的杀菌效果。

而超声波与紫外线相结合联合使用，超声波充分加速空化及其他电化学的作用，具有增强混合，裂解，氧化，凝聚，清洗，杀菌灭藻和阻防垢等综合性能。而且还缩短了反应时间，加快了降解速度，能永远保持石英管清洁，保持强有效的消毒杀菌作用。

本发明在具体实施时：控制器模块10控制电源15，被处理水经进水口12进入装置有超声波振子1、石英玻璃套管5、密封圈16、200-300NM波长的紫外线灯管6、多孔钛基复合材料加固套管7和纳米二氧化钛涂层8的304不锈钢筒机体，波长在200-300nm的强紫外线C(UVC)对水流进行均匀照射，达到广谱杀菌效果。

同时200-300NM波长的紫外线灯管6产生的紫外线与纳米二氧化钛涂层8及多孔钛基复合材料加固套管7产生电极进行水的电解反应和氧化还原，纳米二氧化钛禁带上的电子由价带跃迁到导带，在表面形成高活性的电子-空穴对，并进一步形成·OH^-、·O₂ ^-、·OOH^-通过一系列物理化学作用破坏细菌细胞，光催化反应将空气中的水或氧气催化成氧化能力的羟基自由基(·OH^-)和超氧阴离子自由基(·O₂ ^-)，活性氧(·O)等具有氧化能力的光生活性基团，这些光生活性基团的能量相当于3600K的高温，具有很强的氧化还原性，形成强大的光催化杀菌作用。

另外控制器模块10也同时控制超声波发生器2将超声波通过超声波振子1传递到有纳米二氧化钛涂层8的进水不锈钢筒3和具有石英玻璃套管5、密封圈16、200-300NM波长的紫外线灯管6、多孔钛基复合材料加固套管7和纳米二氧化钛涂层的出水不锈钢筒4，其传送大于20kHz的声波产生空化作用，超声波处理过程中，当高强度的超声波在液体介质中传播时，产生纵波从而产生交替压缩和膨胀的区域，这些压力改变的区域易引起空穴现象，并在介质中形成微小气泡核。微小气泡核在绝热收缩及崩溃的瞬间，其内部呈现5000K以上的高温及50000kPa的压力，从而使液体中某些细菌致死，病毒失活，甚至使体积较小的一些微生物的细胞壁破坏。而超声波与紫外线、纳米二氧化钛相结合联合使用，超声波充分加速空化及其他电化学的作用，具有增强混合，裂解，氧化，凝聚，清洗，杀菌灭藻和阻防垢等综合性能。而且还缩短了反应时间，加快了降解速度，能永远保持石英管清洁，保持强有效的消毒杀菌和设备自清洁作用。

多重消毒杀菌后的水通过不锈钢连接管11流出出水口14供应给用户，持续运行安全放心，出水水质病理指标远远优于国家标准，达到国际领先水平。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种高效超声波纳米光催化水质消毒器，包括超声波振子(1)、超声波发生器(2)、进水不锈钢筒(3)、出水不锈钢筒(4)、石英玻璃套管(5)、紫外线灯管(6)、多孔钛基复合材料加固套管(7)、纳米二氧化钛涂层(8)、稳压模块(9)、控制器模块(10)和不锈钢连接管(11)，其特征在于：所述进水不锈钢筒(3)和出水不锈钢筒(4)之间通过不锈钢连接管(11)连通，所述纳米二氧化钛涂层(8)设于进水不锈钢筒(3)和出水不锈钢筒(4)内壁，所述进水不锈钢筒(3)上设有进水口(12)，所述超声波振子(1)设于进水不锈钢筒(3)内，所述超声波振子(1)通过超声波极板(13)与超声波发生器(2)连接，所述出水不锈钢筒(4)上设有出水口(14)，所述石英玻璃套管(5)、紫外线灯管(6)和多孔钛基复合材料加固套管(7)设于出水不锈钢筒(4)内形成过滤系统，所述稳压模块(9)结合控制器模块(10)控制超声波发生器(2)，并通过电源(15)控制紫外线灯管(6)。

2.根据权利要求1所述的一种高效超声波纳米光催化水质消毒器，其特征在于：所述紫外线灯管(6)设于石英玻璃套管(5)内部，所述多孔钛基复合材料加固套管(7)设于石英玻璃套管(5)外侧。

3.根据权利要求2所述的一种高效超声波纳米光催化水质消毒器，其特征在于：所述紫外线灯管(6)与出水不锈钢筒(4)连接端设有密封圈(16)。

4.根据权利要求1所述的一种高效超声波纳米光催化水质消毒器，其特征在于：所述超声波振子(1)工作频率为30khz-40khz。

5.根据权利要求1所述的一种高效超声波纳米光催化水质消毒器，其特征在于：所述紫外线工作波长为200-300nm。

6.根据权利要求1所述的一种高效超声波纳米光催化水质消毒器，其特征在于：所述出水不锈钢筒(4)上连接设有地线(17)。