CN115180703A - 一种基于纳米催化高级氧化的粪污净化消毒装置及消毒方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米催化高级氧化的粪污净化消毒装置及消毒方法，通过催化剂和氧化剂一起加入粪污净化箱中形成非均相反应体系，利用催化剂的吸附作用和催化剂活化次氯酸钠、过氧化氢、过氧乙酸和过硫酸盐等氧化剂产生活性自由基同步去除粪污中抗生素、消炎药等难降解微污染物，并对新型冠状病毒、幽门螺杆菌等致病微生物起到灭活作用；净化后的粪污中难降解有机物被氧化为可生化处理的小分子物质，有效降低TOC；活性组分对致病微生物遗传物质发动攻击，降低疾病传播风险。本发明装置具有设备简单、运行管理容易、受外界条件干扰小、环境友好和高效降解粪污中难降解有机污染物和病原微生物等有点，可有效切断病毒通过粪污扩散传播。
Description
技术领域
本发明涉及消毒处理的装置和方法，属于医疗制品的技术领域，尤其涉及一种基于纳米催化高级氧化的粪污净化消毒装置及消毒方法。
背景技术
近年来,我国旅游市场规模均居世界前列,相比于以前我国公共服务设施有很大改观,但与国际旅游标准还有很大欠缺,景区公共厕所脏乱差的现象仍然存在。发起一场对公共厕所的整治活动,是健全旅游公共服务体系的主攻点。
现有厕所要挑战的瓶颈问题如下：
(1)治理技术受地域、气候等因素的限制；
(2)粪污的净化效果不佳；
(3)治理过程存在二次污染；
(4)设施复杂，运行管理困难
(5)粪污处理成本高。
因此，迫切需要研发出一种高效、环境友好、低成本及简单易管理的粪污净化技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种催化剂和氧化剂一起加入粪污净化箱中形成非均相反应体系，利用催化剂的吸附作用和催化剂活化次氯酸钠、过氧化氢、过氧乙酸和过硫酸盐等氧化剂产生活性自由基同步去除粪污中抗生素、消炎药等难降解微污染物，并对新型冠状病毒、幽门螺杆菌等致病微生物起到灭活作用的纳米催化高级氧化的粪污净化消毒装置和消毒方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于纳米催化高级氧化的粪污净化消毒装置，包括自动加药箱、粪污调节箱和粪污净化箱，所述粪污调节箱内设有第三水位计，所述第三水位计与中控箱控制连接，所述粪污调节箱和粪污净化箱之间设有单向阀；所述自动加药箱内设有氧化剂储存箱和催化剂储存箱，所述氧化剂储存箱和催化剂储存箱分别通过带氧化剂计量泵的氧化剂输送管道和带催化剂计量泵的催化剂输送管道连接粪污净化箱。
优选地，所述粪污净化箱内设有搅拌器，所述搅拌器的一端穿设在粪污净化箱外与电机驱动连接，所述电机与中控箱控制连接。
优选地，所述氧化剂输送管道和催化剂输送管道进水端设置在氧化剂储存箱和催化剂储存箱内的底段，所述氧化剂输送管道和催化剂输送管道的出水端分别连接通过喷淋头一和喷淋头二设置在粪污净化箱内。
优选地，所述氧化剂储存箱和催化剂储存箱内分别设有第一水位计和第二水位计，所述第一水位计和第二水位计分别连接中控箱。
本发明还提供了一种基于纳米催化高级氧化的粪污净化消毒方法，步骤如下：
S1：将消毒装置的粪污调节箱与厕所的排污口相连；
S2：粪污直接通过重力作用掉到粪污调节箱里，当粪污调节箱内的第三水位计监测到粪污达到设定量时，中控箱控制粪污调节箱与粪污净化箱之间的单向阀打开，粪污在重力作用下进入粪污净化箱；
此时，电机会收到来自中控箱的信号，并开始工作，搅拌器开始转动；
S3：中控箱发出的信号控制催化剂计量泵和氧化剂计量泵运行，氧化剂储存箱和催化剂储存箱内的氧化剂和催化剂分别通过氧化剂输送管道和催化剂输送管道由氧化剂喷淋头和催化剂喷淋头进入粪污净化箱内；
S4：粪污净化箱运行5～10min后，处理过的粪污中难降解有机物转化为可生化处理的小分子物质，有效降低TOC，活性组分对致病微生物遗传物质发动攻击，降低疾病传播风险，净化后的粪污通过排污口7排出。
优选地，所述S3步骤中的催化剂包括纳米颗粒催化剂(YSCCN)；所述纳米颗粒催化剂(YSCCN)的制备方法如下：
S1:ZIF-67的合成：将2-MeIm、去离子水中以6.7:100的比例，在550rpm的转速条件下搅拌10分钟，使其完全溶解，再加入50份浓度为0.6％的CoNO32·6H2O溶液蒸馏水/乙醇＝2/1添加到上述溶液中搅拌3h，得到的溶液通过8000rpm离心10分钟收集紫色沉淀，并用甲醇洗涤三次；干燥后，得到均匀的ZIF-67；
S2：核壳结构ZIF-67的合成：用单宁酸刻蚀ZIF-67得到核壳结构ZIF-67，通过超声5min将ZIF-67粉末以1：250比例分散与去离子水中，然后将0.4％单宁酸以2：3再添加到上述溶液中反应3min。之后通过离心获得核壳结构ZIF-67；
S3：核壳Co/C催化剂((YSCCNs)的合成：将核壳ZIF-67分别在N2气氛中碳化，得到((YSCCNs)；温度上升速率为5℃min-1，热解温度为600℃，持续120分钟；
S4:将核壳Co/C催化剂((YSCCNs)热解后，获得纳米颗粒催化剂(YSCCN)。
优选地，所述S3步骤中的氧化剂包括混合催化剂，所述混合氧化剂包括次氯酸钠、双氧水、过氧乙酸和过氧化氢中的一种或几种。
优选地，S4步骤中根据粪污的量和成分调制催化剂和混合氧化剂的投加量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明催化剂和氧化剂一起加入粪污净化箱中形成非均相反应体系，通过将用核壳结构钴纳米催化剂活化氧化剂，从而产生的活性组分可氧化粪污中难降解有机物转化为可生化处理的小分子物质，即利用催化剂的吸附作用和催化剂活化次氯酸钠、过氧化氢、过氧乙酸和过硫酸盐等氧化剂产生活性自由基同步去除粪污中抗生素、消炎药等难降解微污染物，并对新型冠状病毒、幽门螺杆菌等致病微生物起到灭活作用。且本发明提供消毒方法和消毒装置具有设备简单、运行管理容易、受外界条件干扰小、环境友好和高效降解粪污中难降解有机污染物和病原微生物等有点，攻克了厕所道路上的一些技术难题，非常适用于疫情防控一线，可有效切断病毒通过粪污扩散传播。
经过本发明提供的消毒方法净化后的粪污中难降解有机物被氧化为可生化处理的小分子物质，有效降低TOC；活性组分对致病微生物遗传物质发动攻击，降低疾病传播风险。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于纳米催化高级氧化的粪污净化消毒装置的结构示意图；
图2为本发明提出的一种基于纳米催化高级氧化的粪污净化消毒装置中自动加药箱的结构示意图；
图3为本发明提出的一种基于纳米催化高级氧化的粪污净化消毒方法中核壳结构钴纳米催化剂活化PAA降解磺胺甲噁唑(SMX)的实验示意图；
图4为本发明提出的一种基于纳米催化高级氧化的粪污净化消毒方法中核壳结构钴纳米催化剂活化PAA降解多种污染物的实验示意图。
图中标号：
1、自动加药箱；2、粪污调节箱；3、粪污净化箱；4、搅拌器； 5、电机；6、厕所；7、排污口；8、喷淋头1；9、喷淋头2；10、单向阀；11、氧化剂储存箱；12、催化剂储存箱；13、氧化剂计量泵； 14、催化剂计量泵；15、第一水位计；16、第二水位计；17、中控箱； 18、催化剂输送管道；19、氧化剂输送管道；20、第三水位计。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1和图2所示，为本发明提供的一种基于纳米催化高级氧化的粪污净化消毒装置，包括自动加药箱1、粪污调节箱2和粪污净化箱3，所述粪污调节箱2内设有第三水位计20，所述第三水位计20 与中控箱17控制连接，所述粪污调节箱2和粪污净化箱3之间设有单向阀10；所述自动加药箱1内设有氧化剂储存箱11和催化剂储存箱12，所述氧化剂储存箱11和催化剂储存箱12分别通过带氧化剂计量泵13的氧化剂输送管道19和带催化剂计量泵14的催化剂输送管道18连接粪污净化箱3。
进一步，所述粪污净化箱3内设有搅拌器4，所述搅拌器4的一端穿设在粪污净化箱3外与电机5驱动连接，所述电机5与中控箱 17控制连接。
进一步，所述氧化剂输送管道19和催化剂输送管道18进水端设置在氧化剂储存箱11和催化剂储存箱12内的底段，所述氧化剂输送管道19和催化剂输送管道18的出水端分别连接通过喷淋头一8和喷淋头二9设置在粪污净化箱3内。
进一步，所述氧化剂储存箱11和催化剂储存箱12内分别设有第一水位计15和第二水位计16，所述第一水位计15和第二水位计16 分别连接中控箱17。
本发明还提供了一种基于纳米催化高级氧化的粪污净化消毒方法，步骤如下：
S1：将消毒装置的粪污调节箱与厕所的排污口相连；
S2：粪污直接通过重力作用掉到粪污调节箱里，当粪污调节箱内的第三水位计监测到粪污达到设定量时，中控箱控制粪污调节箱与粪污净化箱之间的单向阀打开，粪污在重力作用下进入粪污净化箱；
此时，电机会收到来自中控箱的信号，并开始工作，搅拌器开始转动；
S3：中控箱发出的信号控制催化剂计量泵和氧化剂计量泵运行，氧化剂储存箱和催化剂储存箱内的氧化剂和催化剂分别通过氧化剂输送管道和催化剂输送管道由氧化剂喷淋头和催化剂喷淋头进入粪污净化箱内；
S4：粪污净化箱3运行5～10min后，处理过的粪污中难降解有机物转化为可生化处理的小分子物质，有效降低TOC，活性组分对致病微生物遗传物质发动攻击，降低疾病传播风险，净化后的粪污通过排污口7排出。
进一步，在S3步骤中的催化剂包括纳米颗粒催化剂(YSCCN)；所述纳米颗粒催化剂(YSCCN)的制备方法如下：
S1:ZIF-67的合成：将2-MeIm、去离子水中以6.7:100的比例，在550rpm的转速条件下搅拌10分钟，使其完全溶解，再加入50份浓度为0.6％的CoNO32·6H2O溶液蒸馏水/乙醇＝2/1添加到上述溶液中搅拌3h，得到的溶液通过8000rpm离心10分钟收集紫色沉淀，并用甲醇洗涤三次；干燥后，得到均匀的ZIF-67；
S2：核壳结构ZIF-67的合成：用单宁酸刻蚀ZIF-67得到核壳结构ZIF-67，通过超声5min将ZIF-67粉末以1：250比例分散与去离子水中，然后将0.4％单宁酸以2：3再添加到上述溶液中反应3min。之后通过离心获得核壳结构ZIF-67；
S3：核壳Co/C催化剂((YSCCNs)的合成：将核壳ZIF-67分别在N2气氛中碳化，得到((YSCCNs)；温度上升速率为5℃min-1，热解温度为600℃，持续120分钟；
S4:将核壳Co/C催化剂((YSCCNs)热解后，获得纳米颗粒催化剂(YSCCN)。
本发明提供的氧化剂包括混合催化剂，所述混合氧化剂包括次氯酸钠、双氧水、过氧乙酸和过氧化氢中的一种或几种。
在本发明消毒方法中需要根据粪污的量和成分调制催化剂和混合氧化剂的投加量。
本发明专利通过一种可控蚀刻方法，获得核壳结构前体，进一步经过热解后，获得一种高效稳定的纳米颗粒催化剂(YSCCN)；以次氯酸钠、双氧水、过氧乙酸和过氧化氢等物质制备一种混合型氧化剂。
实施例一
如图3所示，本发明提供以下实施例进行详细描述：
本发明提供的核壳结构钴纳米催化剂活化PAA降解磺胺甲噁唑 (SMX)的实验参数如下：
向粪污净化箱中加入一定浓度的PAA溶液与2.0mg YSCCN催化剂进行反应。以预定的时间间隔取样，并立即用过量的Na2S2O3淬火，之后检测SMX浓度。同时考察了PAA浓度、YSCCN投加量、初始pH 值、HCO3-/CO32-、Cl-和HA对该体系的影响。结果表明，当YSCCN 投加量为20mg/L，PAA浓度为0.12mM，YSCCN活化PAA降解SMX的效果显著，反应5min后，SMX降解率为98％。
实施例二
如图4所示，本发明提供以下实施例进行详细描述：
本发明提供的核壳结构钴纳米催化剂活化PAA降解多种污染物的实验参数如下：
向粪污净化箱中加入一定浓度的PAA溶液与2.0mg YSCCN催化剂进行反应。以预定的时间间隔取样，并立即用过量的Na2S2O3淬火，之后检测SMX浓度。核壳结构钴纳米催化剂活化PAA体系对氟喹诺酮 (CIP、ENF和NOR)、四环素(TTC和OTC)、磺胺类抗生素(SDM和SDZ)、RHb和MB的降解效果显著。
本发明催化剂和氧化剂一起加入粪污净化箱中形成非均相反应体系，通过将用核壳结构钴纳米催化剂活化氧化剂，从而产生的活性组分可氧化粪污中难降解有机物转化为可生化处理的小分子物质，即利用催化剂的吸附作用和催化剂活化次氯酸钠、过氧化氢、过氧乙酸和过硫酸盐等氧化剂产生活性自由基同步去除粪污中抗生素、消炎药等难降解微污染物，并对新型冠状病毒、幽门螺杆菌等致病微生物起到灭活作用。且本发明提供消毒方法和消毒装置具有设备简单、运行管理容易、受外界条件干扰小、环境友好和高效降解粪污中难降解有机污染物和病原微生物等有点，攻克了厕所道路上的一些技术难题，非常适用于疫情防控一线，可有效切断病毒通过粪污扩散传播。
经过本发明提供的消毒方法净化后的粪污中难降解有机物被氧化为可生化处理的小分子物质，有效降低TOC；活性组分对致病微生物遗传物质发动攻击，降低疾病传播风险。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于纳米催化高级氧化的粪污净化消毒装置，其特征在于，包括自动加药箱(1)、粪污调节箱(2)和粪污净化箱(3)，所述粪污调节箱(2)内设有第三水位计(20)，所述第三水位计(20)与中控箱(17)控制连接，所述粪污调节箱(2)和粪污净化箱(3)之间设有单向阀(10)；所述自动加药箱(1)内设有氧化剂储存箱(11)和催化剂储存箱(12)，所述氧化剂储存箱(11)和催化剂储存箱(12)分别通过带氧化剂计量泵(13)的氧化剂输送管道(19)和带催化剂计量泵(14)的催化剂输送管道(18)连接粪污净化箱(3)。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米催化高级氧化的粪污净化消毒装置，其特征在于，所述粪污净化箱(3)内设有搅拌器(4)，所述搅拌器(4)的一端穿设在粪污净化箱(3)外与电机(5)驱动连接，所述电机(5)与中控箱(17)控制连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米催化高级氧化的粪污净化消毒装置，其特征在于，所述氧化剂输送管道(19)和催化剂输送管道(18)进水端设置在氧化剂储存箱(11)和催化剂储存箱(12)内的底段，所述氧化剂输送管道(19)和催化剂输送管道(18)的出水端分别连接通过喷淋头一(8)和喷淋头二(9)设置在粪污净化箱(3)内。
4.根据权利要求1所述的一种基于纳米催化高级氧化的粪污净化消毒装置，其特征在于，所述氧化剂储存箱(11)和催化剂储存箱(12)内分别设有第一水位计(15)和第二水位计(16)，所述第一水位计(15)和第二水位计(16)分别连接中控箱(17)。
5.一种基于纳米催化高级氧化的粪污净化消毒方法，其特征在于，步骤如下：
S1：将消毒装置的粪污调节箱(2)与厕所(6)的排污口相连；
S2：粪污直接通过重力作用掉到粪污调节(2)箱里，当粪污调节箱(2)内的第三水位计(20)监测到粪污达到设定量时，中控箱(17)控制粪污调节箱(2)与粪污净化箱(3)之间的单向阀(10)打开，粪污在重力作用下进入粪污净化箱(3)；
此时，电机(5)会收到来自中控箱(17)的信号，并开始工作，搅拌器(4)开始转动；
S3：中控箱(17)发出的信号控制催化剂计量泵(14)和氧化剂计量泵(13)运行，氧化剂储存箱(11)和催化剂储存箱(12)内的氧化剂和催化剂分别通过氧化剂输送管道(19)和催化剂输送管道(18)由氧化剂喷淋头(8)和催化剂喷淋头(9)进入粪污净化箱(3)内；
S4：粪污净化箱(3)运行5～10min后，处理过的粪污中难降解有机物转化为可生化处理的小分子物质，有效降低TOC，活性组分对致病微生物遗传物质发动攻击，降低疾病传播风险，净化后的粪污通过排污口(7)排出。
6.根据权利要求5所述的一种基于纳米催化高级氧化的粪污净化消毒方法，其特征在于，所述S3步骤中的催化剂包括纳米颗粒催化剂(YSCCN)；所述纳米颗粒催化剂(YSCCN)的制备方法如下：
S1:ZIF-67的合成：将2-MeIm、去离子水中以6.7:100的比例，在550rpm的转速条件下搅拌10分钟，使其完全溶解，再加入50份浓度为0.6％的Co(NO3)2·6H2O溶液(蒸馏水/乙醇＝2/1)添加到上述溶液中搅拌3h，得到的溶液通过8000rpm离心10分钟收集紫色沉淀，并用甲醇洗涤三次；干燥后，得到均匀的ZIF-67；
S2：核壳结构ZIF-67的合成：用单宁酸刻蚀ZIF-67得到核壳结构ZIF-67，通过超声5min将ZIF-67粉末以1：250比例分散与去离子水中，然后将0.4％单宁酸以2：3再添加到上述溶液中反应3min。之后通过离心获得核壳结构ZIF-67；
S3：核壳Co/C催化剂(YSCCNs)的合成：将核壳ZIF-67分别在N2气氛中碳化，得到YSCCNs；温度上升速率为5℃min-1，热解温度为600℃，持续120分钟；
S4:将核壳Co/C催化剂(YSCCNs)热解后，获得纳米颗粒催化剂(YSCCN)。
7.根据权利要求6所述的一种基于纳米催化高级氧化的粪污净化消毒方法，其特征在于，所述S3步骤中的氧化剂包括混合催化剂，所述混合氧化剂包括次氯酸钠、双氧水、过氧乙酸和过氧化氢中的一种或几种。
8.根据权利要求4或7任一项所述的一种基于纳米催化高级氧化的粪污净化消毒方法，其特征在于，S4步骤中根据粪污的量和成分调制催化剂和混合氧化剂的投加量。
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