CN1927732A - 一种利用磁场分散和回收光催化剂的污水处理装置 - Google Patents

Abstract

一种利用磁场分散和回收光催化剂的污水处理装置，属于环保领域。其特征在于该装置利用复合光催化粒子的磁性，将光反应器设计成锥形，底部作一合适堆积角，并且有环形鼓气管置于底边，紫外灯管置于中间，外部环形磁铁在传动装置的带动下实现往复上下运动，而磁性光催化剂粒子在磁场作用下上升到一定高度，磁场力随距离变化减小到一定值，粒子分散下落，至底部由于鼓泡继续分散，然后再在环形磁铁作用下上升，实现不间断的上下分散。相比于机械搅拌分散，这种利用磁性分散的光催化装置能够实现少量光催化剂处理净化较大量的污水，而且可以在磁场下多次回收利用，大大提高了光催化剂的利用率，降低了污水处理的成本。

Description

一种利用磁场分散和回收光催化剂的污水处理装置

技术领域

本发明属于环保领域，特别涉及一光催化污水处理装置，利用磁场对磁性光催化剂粒子充分分散并进行回收，极大的提高了光催化剂的利用率。

背景技术

环境污染对人类的生存发展造成了极大危害，尤其是水资源的短缺和污染严重影响了人们的生活和生产，因此对污水进行净化处理成为目前亟待解决的问题。

与传统污水处理方法相比较，利用光催化降解污水中的污染物有许多独特的优点。研究最多的TiO₂半导体光催化材料，它的带隙能是3.0～3.2eV，相当于波长为387.5nm的光子能量，它能有效的降解各类有机污染物，最终生成CO₂和H₂O，完全没有二次污染。TiO₂光催化剂有很高的化学稳定性，并且无毒，成本低，催化效率高，因此利用它进行污水处理能有效解决传统水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，具有重要的现实意义。

现在应用于污水处理的TiO₂还存在很多问题，主要有太阳光利用率低和难以重复分散利用的问题。悬浮相的纳米TiO₂粒子有最大的表面积，因此有最高的光催化活性，但分散粒子易沉底、易损失、难以均匀分散和回收重复使用。普通利用机械搅拌分散TiO₂光催化剂粒子的方法存在诸多难以克服的缺陷，例如易形成搅拌中心，粒子在重力作用下不能分散到中上部，光催化剂少难以有效分散，颗粒易被机械搅拌打碎等。针对这一问题，有许多研究把TiO₂光催化剂包覆在超顺磁性Fe₃O₄纳米粒子上，在外加磁场下进行回收重复利用，但操作起来存在很大问题。如何充分利用复合粒子的超顺磁性，实现最佳光催化污水处理和分离回收的结合是当前存在的很大难题。

发明内容

本发明目的是要解决利用磁场充分分散和回收TiO₂/Fe₃O₄光催化剂粒子，从而实现高效污水处理的问题，比如复合粒子的不间断分散，充分利用紫外光光源，少量光催化剂实现大范围的污水降解，催化剂粒子失活后回收等。

一种利用磁场分散和回收光催化剂的污水处理装置，其特征在于光催化装置由锥形石英反应器1、环形鼓气装置2、环形磁铁3、底部出口4、紫外灯管5、固定及传动装置6构成。紫外灯管5置于锥形石英反应器1中间，环形鼓气装置置于锥形石英反应器1底部，石英反应器底部边缘留有两个出口，方便回收磁性光催化剂粒子；固定及传动装置6连接环形磁铁3，调节传动装置的转速可以控制环形磁铁上下往复运动的速率。该光催化装置充分利用复合光催化剂粒子的超顺磁性，在环形磁铁的上下往复运动下实现光催化剂的不断分散，紫外灯照射下少量鼓气大大提高光催化剂利用率。

光催化装置各部分的制备及作用为：

1.锥形石英反应器设计了堆积角β，堆积角β太小，会使落下的复合催化剂粒子堆积在内壁下端，形成死角；堆积角β太大，不利于紫外光源的充分利用，也会导致环形磁铁的上下运动变得困难。实验测得β范围为120°～130°，最佳角度为：β＝125°。反应器制成锥形，其作用在于环形磁铁向上运动时，催化剂粒子可在磁场作用下沿内壁上升，上升过程中催化剂粒子与磁铁距离也在不断增大，达到一定距离D时磁场力小于粒子所受重力，粒子下落分散。磁铁不断往复运动，就实现了粒子的连续分散。

2.紫外灯管置于石英反应器中间，可以最大面积增大紫外光利用率。

3.结合石英反应器，测定环形磁铁能使超顺磁性粒子随之上吸的最远距离D。对于本实验所用环形磁铁和磁性复合粒子，经实验测定D＝3cm时能满足磁力分散的目的。

4.环形鼓气装置置于石英反应器底部，从外部不断鼓入空气，以达到更好的分散效果。鼓气装置由软塑料制备，鼓气小孔均匀分散在环的底部。相比较单纯的鼓气分散，此装置鼓入少量的气体就能和磁场分散结合，达到很好的分散效果。

5.石英反应器底部边缘留有两个出口，用橡胶塞堵住，方便回收磁性光催化剂粒子。

6.传动装置连接环形磁铁，调节传动装置的转速可以控制环形磁铁上下往复运动的速率。

为验证此装置的光催化效果，其他条件不变的情况下，与普通搅拌分散的光催化反应器作了对比实验，比较不同分散状况对光催化效果的影响。

普通搅拌分散是在圆柱形光反应器中进行的，两个搅拌浆进行搅拌分散，底部也放置一个鼓泡装置，如附图4，其各构成部分为：

11机械搅拌浆  12普通玻璃反应器  13紫外灯管  14鼓气装置。

从图5和图6的光催化降解曲线对比可以看出，机械搅拌分散时刚开始光催化速率很快，但20min后降解速率大大降低，而利用磁场分散时，前20min降解效率与机械搅拌差不多，但20min后光催化速率大大的超过了前者。最后60min时比较两者的降解率，机械搅拌是74.2％，而磁性分散是92.1％，大大超过了前者。因此利用磁性分散进行光催化污水处理能极大的提高光催化效率，降低污水净化的成本。

附图说明

图1为利用磁场分散的光催化装置。

图2为图1中2所示鼓气装置。

图3为图1中3所示环形磁铁。

图4为普通的利用机械搅拌的光催化装置。其中鼓气装置4与图2鼓气装置一样。

图5为利用机械搅拌进行光催化降解甲基兰溶液的降解曲线。

图6为利用新型的磁分散装置光催化降解甲基兰溶液的降解曲线。

具体实施方式

磁性分散过程：环形磁铁以一定速率做上下往复运动，磁性光催化剂先在磁场力作用下上升到一定高度，由于距离达到极限值D，磁力减弱，磁性粒子在重力作用下分散下落，下落到底部斜坡，继续慢慢下滑至边角，在鼓入空气的冲击下分散，当环形磁铁再次从底部向上运动时，磁性粒子又会沿斜边内壁上升。这样，在往复运动的环形磁铁的作用下，磁性光催化剂不断得到分散，充分利用了紫外光，提高了光催化效率。

光催化实验：以0.05g/L甲基兰溶液的光催化降解来评估样品的光催化性能。

将0.2gFe₃O₄/TiO₂磁性光催化剂加入到150ml0.05g/L的甲基兰溶液中，超声分散5min，转移到光催化反应器中，254nm紫外线照射下，每隔5min磁铁吸引下取上层清液，去离子水作参比，测其吸光度。分别作出搅拌分散和磁性分散的降解速率曲线C/C_o～t(C_o：开始降解前甲基兰溶液浓度，C：降解时间t时甲基兰溶液浓度)，比较两者对光催化效果的影响。

Claims (2)

1.一种利用磁场分散和回收光催化剂的污水处理装置，其特征在于光催化装置由锥形石英反应器(1)、环形鼓气装置(2)、环形磁铁(3)、底部出口(4)、紫外灯管(5)、固定及传动装置(6)构成；紫外灯管(5)置于锥形石英反应器(1)中间，环形鼓气装置置于锥形石英反应器(1)底部，石英反应器底部边缘留有两个出口，方便回收磁性光催化剂粒子；固定及传动装置(6)连接环形磁铁(3)，调节传动装置的转速控制环形磁铁上下往复运动的速率。

2.如权利要求1所述的光催化装置，其特征在于锥形石英反应器(1)设计了堆积角β，堆积角β范围为120°～130°。

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