CN115991516A - 一种光催化水体净化同步增氧装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的是一种光催化水体净化同步增氧装置，其结构包括光催化反应装置；所述光催化反应装置包括喷头（1），反应板（3），进水管（4）；其中，进水管（4）的出水口与喷头（1）的进水口连通，反应板（3）位于喷头（1）的下方。本发明的有益效果：（1）本发明利用光催化技术实现污染物的降解，有效弥补了传统废水处理过程的不足和缺陷，具有广阔的应用前景；（2）本发明不仅增加了水体的溶解氧含量，而且促进了光催化过程中ROS的产生，提高了光催化降解污染物的效率；（3）本发明反应板表面形状为帽沿状，增加了水体在光催化反应膜的停留时间，提高了污染物的降解效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种光催化水体净化同步增氧装置，属于水污染治理领域。
背景技术
现如今，人类社会的快速发展所造成的水体污染问题日益严峻；传统废水处理技术中通常处理过程较长，且能耗、物耗较大，不符合绿色发展理念；光催化技术以取之不尽用之不竭的太阳能来实现活性氧物种（ROS）的产生，生成的ROS对废水中的污染物具有很强的氧化矿化作用；然而，如何将光催化技术更好融合到水污染净化过程中是目前研究的重点和难点。
另一方面，受污染的湖泊、河流等缓流水体通常溶解氧含量较低，这会导致水体的黑臭现象，进而造成水生生物的大量死亡；增加水体中的溶解氧含量不仅有利于水体动植物的生长，还能有效促进水中微生物对有机物质的分解；更重要的是，充足的溶解氧对光催化过程中ROS的高效产生也有至关重要的作用；因此，开发一种可以同时有效增加水中溶解氧的光催化水体净化装置对缓解城镇水体污染有着重大意义。
发明内容
本发明提出的是一种光催化水体净化同步增氧装置，其目的旨在增加受污水体溶解氧浓度的同时实现对水体的光催化处理。
本发明的技术解决方案：一种光催化水体净化同步增氧装置，其结构包括光催化反应装置；所述光催化反应装置包括喷头1，反应板3，进水管4；其中，进水管4的出水口与喷头1的进水口连通，反应板3位于喷头1的下方。
进一步地，所述的一种光催化水体净化同步增氧装置，其结构还包括光源2；所述光源2和反应板3围绕在进水管4的周围；所述进水管4的出水口所处位置高于进水管4的进水口所处位置；所述光源2所处的高度位置位于喷头1和反应板3之间。
进一步地，所述反应板3表面有光催化反应膜31；所述光催化反应膜31负载有纳米光催化材料。
进一步地，所述光催化反应膜31为多孔聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜或多孔聚醚砜薄膜；所述纳米光催化材料为二氧化钛纳米光催化剂、石墨相氮化碳基纳米光催化剂中的一种或两种。
进一步地，所述反应板3为帽沿状反应板；所述帽沿状反应板的表面包括减速缓流区、成膜扩散区、反应滞留区，帽沿状反应板的最高点到帽沿状反应板的最低点之间从上到下依次为减速缓流区、成膜扩散区，减速缓流区的坡面角度小于成膜扩散区的坡面角度，帽沿状反应板最高点到最低点之间形成的坡角为帽沿状反应板的整体坡面角度，帽沿状反应板的最低点到帽沿状反应板四周边缘处的区域为反应滞留区，帽沿状反应板四周边缘所处位置高于帽沿状反应板的最低点所处位置、且低于减速缓流区最低点所处位置。
进一步地，所述成膜扩散区在水平方向上位于减速缓流区的四周外围；帽沿状反应板的四周边缘在水平方向上位于成膜扩散区最低点的四周外围；所述帽沿状反应板的四周边缘从帽沿状反应板的最低点向帽沿状反应板的四周外围延伸；所述成膜扩散区的坡面角度从成膜扩散区与减速缓流区的衔接处到成膜扩散区的最低位置处由大到小逐渐变化；所述减速缓流区、成膜扩散区、反应滞留区的表面均有光催化反应膜31。
进一步地，所述帽沿状反应板的整体坡面角度为30度～40度；所述减速缓流区的坡面角度为0度～10度；所述成膜扩散区的坡面角度为30度～60度；所述帽沿状反应板外沿半径范围为20cm～40cm；所述帽沿状反应板的高度范围为16cm～32cm；所述帽沿状反应板四周边缘所处位置高于帽沿状反应板的最低点处1cm-2cm。
进一步地，所述的一种光催化水体净化同步增氧装置，其结构还包括动力系统和输水管道5；所述动力系统包括蓄电装置7，电动水泵8；其中，所述蓄电装置7的第一电输出端与光源2的电输入端连接，所述蓄电装置7的第二电输出端与电动水泵8的电输入端连接，输水管道5的入水口51通过泵水管9与电动水泵8的出水管连通；所述输水管道5分布有若干出水口，每个出水口处分别安装一个光催化反应装置，且每个出水口与对应光催化反应装置中进水管4的进水口连通；所述输水管道5下方安装有支架52。
进一步地，所述多孔聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜的制备方法，具体包括：
1）、将N,N-二甲基乙酰胺和二氯甲烷混合搅拌均匀形成改性溶剂；
2）、将聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚乙烯吡咯烷酮混合形成基础原料；
3）、将基础原料放入改性溶剂中形成含有聚对苯二甲酸乙二醇酯的混合溶液；
4）、通过静电纺丝工艺将混合溶液中的聚对苯二甲酸乙二醇酯形成聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜；
5）、对制备好的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜进行清洗、去除杂质；
6）、冷冻干燥得到多孔聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。
进一步地，所述基础原料中聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为3:1；所述改性溶剂中N,N-二甲基乙酰胺和二氯甲烷的体积比为3:2；所述对制备好的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜进行清洗、去除杂质，具体包括将制备好的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜用去离子水进行清洗；所述冷冻干燥得到多孔聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，具体为在0℃以下进行冷冻干燥。
本发明的有益效果：
（1）本发明利用光催化技术实现污染物的降解，有效弥补了传统废水处理过程的不足和缺陷，具有广阔的应用前景；
（2）本发明不仅增加了水体的溶解氧含量，而且促进了光催化过程中 ROS的产生，提高了光催化降解污染物的效率；
（3）本发明反应板表面形状为帽沿状，增加了水体在光催化反应膜的停留时间，提高了污染物的降解效率；
（4）帽沿状反应板位于水面之上，更有利于光催化反应膜对太阳光的吸收，光催化净化过程不受水体颜色和浊度的限制，环境适用性强；
（5）本发明的装置结构简单，成本低，便于推广。
附图说明
附图1为本发明的整体结构示意图。
附图2为本发明在河道或湖泊中的安装示意图。
附图3为本发明中动力系统的连接示意图。
附图4是反应板3的结构示意图一。
附图5是反应板3的结构示意图二。
附图6是反应板3的结构示意图三。
附图中1是喷头，2是光源，3是反应板，4是进水管，5是输水管道，51是输水管道的入水口，52是支架，6是太阳能电池板，7是蓄电装置，8是电动水泵，9是泵水管。
实施方式
一种光催化水体净化同步增氧装置，其结构包括光催化反应装置；所述光催化反应装置包括喷头1，反应板3，进水管4；其中，进水管4的出水口与喷头1的进水口连通，反应板3位于喷头1的下方。
一种光催化水体净化同步增氧装置，其结构还包括光源2，光源2位于反应板3的上方；所述光源2和反应板3围绕在进水管4的周围；所述进水管4的出水口所处位置高于进水管4的进水口所处位置；所述进水管4优选呈竖直放置，进水管4的上端为出水口，进水管4的下端为进水口。
所述光源2所处的高度位置优选位于喷头1和反应板3之间；所述光源2优选为紫外光灯；所述紫外光灯进一步优选为环形紫外光灯管；所环形紫外光灯管固定在反应板3的上方，能够为反应过程提供均匀稳定的光源，夜间也可持续工作。
所述反应板3表面贴有光催化反应膜31；所述光催化反应膜31负载有纳米光催化材料；所述纳米光催化材料优选为二氧化钛纳米光催化剂、石墨相氮化碳基纳米光催化剂中的一种或两种。
所述光催化反应膜31优选具有多孔结构的光催化反应膜，多孔结构不仅有利于光催化剂在光催化反应膜31上的负载和分散，以及光催化剂反应活性位点的暴露，而且促进了反应物的传质过程；所述光催化反应膜31优选多孔聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜或多孔聚醚砜（PES）薄膜，进一步优选多孔聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。
所述喷头1上设置有阀门；阀门能够调节喷头1所喷出水的流速；所述阀门优选位于喷头1的上方，喷头1上方的阀门可调节水量。
所述喷头1优选为蘑菇喷头；所述蘑菇喷头1出水均匀，水流呈蘑菇状，水体落到反应板3上后可形成一层较薄的水膜，有效增加水体溶解氧含量，也有利于太阳光和内置光源所发紫外光的透过。
所述反应板3优选为帽沿状反应板；所述帽沿状反应板1的上表面整体呈中间凸起的弧状表面。
所述帽沿状反应板的上表面包括减速缓流区、成膜扩散区、反应滞留区，帽沿状反应板的最高点到帽沿状反应板的最低点之间从上到下依次为减速缓流区、成膜扩散区，减速缓流区的坡面角度小于成膜扩散区的坡面角度，帽沿状反应板最高点到最低点之间形成的坡角为帽沿状反应板的整体坡面角度，帽沿状反应板的最低点到帽沿状反应板四周边缘处的区域为反应滞留区，帽沿状反应板四周边缘所处位置高于帽沿状反应板的最低点所处位置、且低于减速缓流区最低点所处位置。
所述成膜扩散区在水平方向上位于减速缓流区的四周外围；帽沿状反应板的四周边缘在水平方向上位于成膜扩散区最低点的四周外围；所述帽沿状反应板的四周边缘从帽沿状反应板的最低点向帽沿状反应板的四周外围延伸；优选帽沿状反应板四周边缘所处位置高于帽沿状反应板的最低点处1cm-2cm。
所述减速缓流区、成膜扩散区、反应滞留区的表面均有光催化反应膜31；水体在流经减速缓流区、成膜扩散区、反应滞留区的表面时在光催化反应膜31的作用下光催化降解。
所述帽沿状反应板的整体坡面角度优选为30度～40度，如附图5中的α1即为帽沿状反应板的整体坡面角度；所述减速缓流区的坡面角度优选为0度～10度，如附图6中的α2即为减速缓流区的坡面角度；所述成膜扩散区的坡面角度优选为30度～60度，如附图6中α3即为成膜扩散区的坡面角度；工作时，帽沿状反应板位于水面之上，丰水期时帽沿状反应板的底部优选高出水面10 cm，可以更好的照射到太阳光。
所述成膜扩散区的坡面角度从成膜扩散区与减速缓流区的衔接处到成膜扩散区的最低位置处由大到小逐渐变化，参见附图6中所显示的α3的变化规律。
本发明工作时，帽沿状反应板中的减速缓流区位于喷头1的正下方，喷头1朝下喷出的水直接落到减速缓流区的表面，对水流起到减速缓冲和初步成膜扩散的作用，减速缓流区坡面角度的设计避免了水体飞溅，增加了水体在表面停留的时间，水体进行减速缓流后进入成膜扩散区，随着成膜扩散区坡面角度的逐渐变化，水体在成膜扩散区成膜分散，进一步扩大了水体的成膜面积，为水体提供了足够的与氧气接触的面积，为光催化提供了充足的溶解氧，提高了污染物的净化效率；水体从成膜扩散区进入反应滞留区后，水体的流速再次进行减速并在反应滞留区形成一定时间滞留，延长了光催化反应的反应时间，避免了水体经过成膜扩散区后直接快速的进入河流、湖泊等环境水体中。
所述帽沿状反应板表面呈凸起弧状，可为水体提供足够的接触面积，也可以增加水体在表面停留的时间，提高了污染物的净化效率；所述帽沿状反应板可以是塑料、金属、玻璃陶瓷等材质中的任一种；所述帽沿状反应板外沿半径范围优选为20cm～40cm，进一步优选为30cm；所述帽沿状反应板的高度范围为16cm～32cm，进一步优选为24cm。
一种光催化水体净化同步增氧装置，其结构还包括动力系统和输水管道5；所述动力系统包括蓄电装置7，电动水泵8；其中，所述蓄电装置7的第一电输出端与光源2的电输入端连接，所述蓄电装置7的第二电输出端与电动水泵8的电输入端连接，输水管道5的入水口51通过泵水管9与电动水泵8的出水管连通，输水管道5的出水口与进水管4的进水口连通；使用时，所述输水管道5位于水面以下，能够减少电动水泵8的电力消耗。
所述动力系统还包括太阳能电池板6，太阳能板电池板6的电输出端与蓄电装置7的电输入端电线连接；利用太阳能驱动电动水泵8和光源2运行，没有额外电力的消耗，绿色经济且节能环保；本发明采用的蓄电装置可储存白天转换的电力，维持装置在夜晚工作，不受阳光的限制。
所述输水管道5分布有若干出水口，每个出水口处分别安装一个光催化反应装置，且每个出水口与对应光催化反应装置中进水管4的进水口连通；优选地，所述输水管道5表面每隔5m～10m的距离安装一个光催化反应装置。
所述输水管道5下方安装有支架52；使用时，支架52延伸固定至水底部的泥底以支撑起整个装置。
所述输水管道5优选呈水平放置，输水管道5的一侧设有入水口51，输水管道5的入水口51通过泵水管9与电动水泵8的出水管连通，输水管道5的另一侧封闭；工作时，所述蓄电装置7驱动电动水泵8将水体由泵水管9进入入水口51中，同时蓄电装置7驱动光源2工作。
所述多孔聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜的制备方法，具体包括：
1）、将N,N-二甲基乙酰胺和二氯甲烷混合搅拌均匀形成改性溶剂；
2）、将聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚乙烯吡咯烷酮混合形成基础原料；
3）、将基础原料放入改性溶剂中形成含有聚对苯二甲酸乙二醇酯的混合溶液；
4）、通过静电纺丝工艺将混合溶液中的聚对苯二甲酸乙二醇酯形成聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜；
5）、对制备好的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜进行清洗、去除杂质；
6）、冷冻干燥得到多孔聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。
所述基础原料中聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚乙烯吡咯烷酮的质量比优选为3:1。
所述改性溶剂中N,N-二甲基乙酰胺和二氯甲烷的体积比优选为3:2。
所述对制备好的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜进行清洗、去除杂质，具体为将制备好的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜用去离子水充分清洗、去除杂质。
所述冷冻干燥得到多孔聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，具体为在0℃以下进行冷冻干燥；具体优选在-20℃～-60℃干燥1小时～2小时。
实施例
一种光催化水体净化同步增氧装置，其主要结构包括蘑菇喷头、帽沿状反应板、多孔光催化反应膜、进水管4、输水管道5；实施例1中一种光催化水体净化同步增氧装置应用于水坝等水体中，使用方法如下：
针对水坝等具有水面差的水体，可以在无动力系统下实现光催化水体循环净化；用一根长管将水坝的水体引到低水位一侧，长管末端与输水管道5连接，连接处安装一个水阀开关；输水管道5表面每隔5m～10m安装一个光催化净化装置；输水管道5和光催化净化装置位于水坝的低水位一侧；当白天光线较好时，首先打开长管连接处的水阀开关，水坝中的水体会在压力差的作用下经过长管流向输水管道5中，接着通过进水管4从蘑菇喷头1均匀流出；水流在帽沿状反应板表面的多孔光催化反应膜上呈一层薄的水膜并缓慢流淌；水膜与空气充分接触从而有效的增加了水体的溶解氧含量；最后，水体中的污染物被来自太阳光的光源光催化降解，水体中充足的溶解氧也促进了光催化的净化效率；当光线不好或夜间时，关闭水阀开关。
实施例
一种光催化水体净化同步增氧装置，其主要结构包括蘑菇喷头、环形紫外光灯管、帽沿状反应板、多孔光催化反应膜31、进水管4、输水管道5、太阳能电池板6、蓄电装置7、电动水泵8；本实施例中一种光催化水体净化同步增氧装置应用于城镇或农村的河道、河流等受污的缓流水体中，使用方法如下：
针对城镇或农村的河道、河流等受污水体，将输水管道5设计为长型管道；使用时首先将太阳能电池板6和蓄电装置7放置河道或河流的岸边；打开太阳能电池板6，太阳能电池板6将转换的电力储存于蓄电装置7中；蓄电装置7驱动环形紫外光灯管和电动水泵8运行；
输水管道5位于水面下方，减少电动水泵的电力消耗，形状为长型管道，表面每隔5m～10 m安装一个光催化净化装置，随后打开电动水泵8，电动水泵8将水泵入输水管道5中；输水管道5中的水通过进水管4从蘑菇喷头中均匀流出，水流在帽沿状反应板表面的多孔光催化反应膜上表现为一层薄的水膜并缓慢流淌；水膜与空气充分接触从而有效的增加了水体的溶解氧含量；最后，水体中的污染物被来自太阳光和内置紫外光的光源光催化降解，水体中充足的溶解氧也促进了光催化的净化效率；同时，部分被光催化净化的水体回到河流或河道中，并再次被电动水泵8泵回光催化水体净化装置，从而实现水体的循环净化。
实施例
一种光催化水体净化同步增氧装置，其主要结构包括蘑菇喷头、环形紫外光灯管、帽沿状反应板、多孔光催化反应膜、进水管4、输水管道5、太阳能电池板6、蓄电装置7、电动水泵8；本实施例中一种光催化水体净化同步增氧装置应用于湖泊等受污的缓流水体中，使用方法如下：
针对湖泊等受污水体，将输水管道5设计为环形管道；使用时首先将太阳能电池板6和蓄电装置7放置湖泊中间；打开太阳能电池板6，太阳能电池板6将转换的电力储存于蓄电装置7中；蓄电装置7驱动环形紫外灯管和电动水泵8运行；
输水管道5位于水面下方，形状为环形管道，直径为10m，环形输水管道5表面每隔5m～10m安装一个光催化净化装置；随后打开电动水泵8，水体通过进水管4从蘑菇喷头1中流出，流出的水体在帽沿状反应板表面的多孔光催化反应膜上表现为一层薄的水膜；在缓慢流淌的过程中，水体中的污染物被部分降解，水体中充足的溶解氧也促进了光催化的净化效率；最后，水体回流到湖泊中，并再次被电动水泵8泵回光催化水体净化装置，实现水体的循环净化。
Claims (10)
1.一种光催化水体净化同步增氧装置，其特征是包括光催化反应装置；所述光催化反应装置包括喷头（1），反应板（3），进水管（4）；其中，进水管（4）的出水口与喷头（1）的进水口连通，反应板（3）位于喷头（1）的下方。
2.根据权利要求1所述的一种光催化水体净化同步增氧装置，其特征是还包括光源（2）；所述光源（2）和反应板（3）围绕在进水管（4）的周围；所述进水管（4）的出水口所处位置高于进水管（4）的进水口所处位置；所述光源（2）所处的高度位置位于喷头（1）和反应板（3）之间。
3.根据权利要求1所述的一种光催化水体净化同步增氧装置，其特征是所述反应板（3）表面有光催化反应膜（31）；所述光催化反应膜（31）负载有纳米光催化材料。
4.根据权利要求3所述的一种光催化水体净化同步增氧装置，其特征是所述光催化反应膜（31）为多孔聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜或多孔聚醚砜薄膜；所述纳米光催化材料为二氧化钛纳米光催化剂、石墨相氮化碳基纳米光催化剂中的一种或两种。
5.根据权利要求1所述的一种光催化水体净化同步增氧装置，其特征是所述反应板（3）为帽沿状反应板；所述帽沿状反应板的表面包括减速缓流区、成膜扩散区、反应滞留区，帽沿状反应板的最高点到帽沿状反应板的最低点之间从上到下依次为减速缓流区、成膜扩散区，减速缓流区的坡面角度小于成膜扩散区的坡面角度，帽沿状反应板最高点到最低点之间形成的坡角为帽沿状反应板的整体坡面角度，帽沿状反应板的最低点到帽沿状反应板四周边缘处的区域为反应滞留区，帽沿状反应板四周边缘所处位置高于帽沿状反应板的最低点所处位置、且低于减速缓流区最低点所处位置。
6.根据权利要求5所述的一种光催化水体净化同步增氧装置，其特征是所述成膜扩散区在水平方向上位于减速缓流区的四周外围；帽沿状反应板的四周边缘在水平方向上位于成膜扩散区最低点的四周外围；所述帽沿状反应板的四周边缘从帽沿状反应板的最低点向帽沿状反应板的四周外围延伸；所述成膜扩散区的坡面角度从成膜扩散区与减速缓流区的衔接处到成膜扩散区的最低位置处由大到小逐渐变化；所述减速缓流区、成膜扩散区、反应滞留区的表面均有光催化反应膜（31）。
7.根据权利要求5所述的一种光催化水体净化同步增氧装置，其特征是所述帽沿状反应板的整体坡面角度为30度～40度；所述减速缓流区的坡面角度为0度～10度；所述成膜扩散区的坡面角度为30度～60度；所述帽沿状反应板外沿半径范围为20cm～40cm；所述帽沿状反应板的高度范围为16cm～32cm；所述帽沿状反应板四周边缘所处位置高于帽沿状反应板的最低点处1cm-2cm。
8.根据权利要求1所述的一种光催化水体净化同步增氧装置，其特征是还包括动力系统和输水管道（5）；所述动力系统包括蓄电装置（7），电动水泵（8）；其中，所述蓄电装置（7）的第一电输出端与光源（2）的电输入端连接，所述蓄电装置（7）的第二电输出端与电动水泵（8）的电输入端连接，输水管道（5）的入水口（51）通过泵水管（9）与电动水泵（8）的出水管连通；所述输水管道（5）分布有若干出水口，每个出水口处分别安装一个光催化反应装置，且每个出水口与对应光催化反应装置中进水管（4）的进水口连通；所述输水管道（5）下方安装有支架（52）。
9.根据权利要求4所述的一种光催化水体净化同步增氧装置，其特征是所述多孔聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜的制备方法，具体包括：
1）、将N,N-二甲基乙酰胺和二氯甲烷混合搅拌均匀形成改性溶剂；
2）、将聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚乙烯吡咯烷酮混合形成基础原料；
3）、将基础原料放入改性溶剂中形成含有聚对苯二甲酸乙二醇酯的混合溶液；
4）、通过静电纺丝工艺将混合溶液中的聚对苯二甲酸乙二醇酯形成聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜；
5）、对制备好的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜进行清洗、去除杂质；
6）、冷冻干燥得到多孔聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。
10.根据权利要求9所述的一种光催化水体净化同步增氧装置，其特征是所述基础原料中聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为3:1；所述改性溶剂中N,N-二甲基乙酰胺和二氯甲烷的体积比为3:2；所述对制备好的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜进行清洗、去除杂质，具体包括将制备好的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜用去离子水进行清洗；所述冷冻干燥得到多孔聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，具体为在0℃以下进行冷冻干燥。
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