CN206395866U - 一种水生态修复装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种水生态修复装置，其包括光催化网以及固定架，所述光催化网的四周通过所述固定架的框架而固定，所述光催化网由复合光催化纤维编织而成，所述复合光催化纤维包括柔性纤维材料以及复合光催化剂，所述复合光催化剂被所述柔性纤维材料负载固定。所述水生态修复装置在污水处理过程清洁、无污染，见效快，对污水的净化效果卓著。

Description

一种水生态修复装置

技术领域

本实用新型涉及一种水生态修复装置。

背景技术

随着现代工业的快速发展，环境污染的问题日趋严重。污水中成分繁多，包含有机物、氮、磷、重金属等，其中有机物因为复杂多变的结构和高活性容易相互之间发生反应等特点，最难降解处理。现有的治理方法有：物理法、化学法及生物法，该些治理方法均存在一定的局限性：物理法主要通过过滤、吸附或是分离物理的方式减少水体的污染，但是污染物的最终处理是一大难题；化学法主要依靠添加剂与水体中的有机物进行反应，这会导致添加剂对水体的二次污染；生物法为将有毒的物质转移到其他生物体内，存在较大的安全隐患，且难以使总体的化学需氧量(Chemical Oxygen Demand，简称COD)下降。

于是，有人将金属网来负载光催化剂，具体的，通过一粘结剂将光催化剂固定于金属网上(请参阅中国公告专利CN205308350U)。然而，该种光催化网由于金属网的表面积有限，而难以负载较多的光催化剂，并且由于采用金属网，该光催化网也难以安装及收纳。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种可负载较多的光催化剂，易于安装及拆卸的的水生态修复装置，以解决上述问题。

本实用新型提供一种水生态修复装置，其包括光催化网以及固定架，所述光催化网的四周通过所述固定架的框架而固定，所述光催化网由复合光催化纤维编织而成，所述复合光催化纤维包括柔性纤维材料以及复合光催化剂，所述复合光催化剂由所述柔性纤维材料负载固定。

优选的，所述复合光催化剂夹持在所述柔性纤维材料中。

优选的，所光催化网具有多个网孔，所述网孔的形状为菱形、圆形、矩形或不规则形。

优选的，所述水生态修复装置还包括微生物载体网，所述微生物载体网具有相对设置的第一端及第二端，所述微生物载体网的第一端固定于所述固定架的框架，第二端悬空垂挂。

优选的，所述微生物载体网包括柔性纤维材料以及附于所述柔性纤维材料上的微生物培养载体。

优选的，所述微生物培养载体为羟基石灰石、磷酸钙、半水硫酸钙、磷酸四钙中的至少一种。

所述水生态修复装置具有以下优点：

第一，相对现有的采用金属网来负载光催化剂而言，本实用新型所述光催化网由复合光催化纤维编织而成，其通过柔性纤维材料来负载固定复合光催化剂，由于柔性纤维材料的比表面积大，因而可将更多的所述复合光催化剂进行固定。并且，所述光催化网也便于拆卸、安装及收纳。所述水生态修复装置编织和铺设过程简单，有利于大规模应用。

第二，将光催化网通过固定架固定撑开，一方面，可将光催化网与光的接触面积最大化，另一方面，光催化网的网状结构有利于与水体进行充分的接触，而方便进行光催化。

进一步，当在固定架的框架上固定微生物载体网时，利用水域中自身的微生物或者预先种在微生物载体网上的微生物种在微生物载体网上生长繁殖，微生物可进一步对水体中的污染物进行生物降解，而可实现更好的净化效果。

所述水生态修复装置在实际应用中已经取得良好的污水净化效果，并创造良好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本实用新型所述水生态修复装置的结构示意图(其中，1表示光催化网；2表示固定架)。

图2为本实用新型另一水生态修复装置中固定架与微生物网的结构示意图(其中，2表示固定架；3表示微生物网)。

图3为所述复合光催化纤维的结构示意图。

图4为所述复合光催化剂中的纳米马达复合结构的模型示意图。

图5为所述复合光催化剂对有机物污染物进行光降解的原理示意图。

图6为实施例1所述水生态修复装置应用示意图。

图7为实施例1复合光催化剂的CO₂的释放量与紫外光照射时间的关系曲线图。

图8为实施例2所述水生态修复装置应用示意图。

图9为实施例3所述水生态修复装置应用示意图。

图10为实施例4所述水生态修复装置应用示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将结合相关实施例对本发明进行更加全面地描述。在此需要指出的是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本实用新型提供一种水生态修复装置10。所述水生态修复装置10包括光催化网1以及固定架2。所述光催化网1的四周通过所述固定架2的框架而固定。所述光催化网1由复合光催化纤维编织而成。

所述光催化网1与所述固定架2在同一个表面。当将所述水生态修复装置10放置于水体中时，所述光催化网1在水面上，以保证所述光催化网1的 表面接收到尽可能多的光。所述固定架2在水体中的固定方式不做限定。具体的，所述固定架2可经由固定桩等固定于水体中。

所述固定架2的材料不做限定。所述固定架2的材料可为PVC、PP、木材等。所述固定架2的形状不做限定，可为矩形、圆形、菱形等，也可根据河道的水域形状而设计。所述固定架2的尺寸不做限定，只要方便安装、运送以及承载所述光催化网1即可。所述水生态修复装置10中的固定架2可为：将一个面积大的固定框分隔成几个面积小的固定子框，也可将独立的几个固定框绑在一起。

请参阅图3，所述复合光催化纤维包括柔性纤维材料以及复合光催化剂。所述复合光催化剂被所述柔性纤维材料夹持而负载固定。所述“夹持”指的是柔性纤维材料与所述复合光催化剂的部分表面接触而部分包覆，当然，所述复合光催化剂可以裸露在所述柔性纤维材料的表面或者半包覆于所述柔性纤维材料中。

所述柔性纤维材料的材质不做限定，可为现有的纺织品。

所述光催化网包括多个第一网孔，可将柔性纤维材料进行编制而得到具有多个第一网孔的网状结构。所述第一网孔的形状为菱形、圆形、矩形或不规则形。所述光催化网的制备可将所述复合光催化剂通过浸渍、热喷、涂覆等方法附于所述柔性纤维材料中并夹持。

所述复合光催化剂可为光催化剂与助催化剂的复合物。所述光催化剂的材料选自TiO₂、ZnO、WO₃、Fe₃O₄、Bi₂O₃、BiOBr、BiOI、SnO₂、Cu₂O、Nb₂O₅、Ta₂O₅、CdS、CdSe、CdTe、GaN、Ta₃N₅、TaON、C₃N₄、CdS、ZnS、PbS、MoS₂、CuInS₂、AgInS₂、CdS、ZnIn₂S₄、GaP、SiC、LaTiON、Sm₂Ti₂S₂O₅、钛酸盐、锗酸盐、铌酸盐、钒酸盐、镓酸盐、钽酸盐、锑酸盐、铋酸盐、NiO_x/In_1-xNi_x、TaO₄、Ag₂O、AgCl、AgBr、AgI、AgInZn₇S₉、β-AgAlO₂、β-AgGaO₂、β-AgInO₂、α-AgAlO₂、α-AgGaO₂、α-AgInO₂、Ag₃PO₄、AgCrO₂、Ag₂CrO4、AgAlO₂、AgNbO₃、InVO₄、InNbO₄、InTaO₄、BiNbO₄、BiTaO₄、(ZnO)_x(GaN)_1-x、NaNbO₃-AgNbO₃、BiTa_1-xNb_xO₄、Sr₂Nb_xTa_2-xO₇、Sr_1-xCa_xIn₂O₄、Ba_1-xSr_xSnO₃、Ca_{1- x}Bi_xV_xMo_1-xO₄、(AgNbO₃)_1-x(SrTiO₃)_x、KCa₂Nb₃O₁₀、Ba₅Ta₄O₁₅和HCa₂Nb₃O₁₀中的一种、多种的相互掺杂、过渡金属阳离子掺杂或阴离子掺杂。所述助催化剂可为过渡金属纳米粒子、金属氧化物纳米粒子和上转换材料纳 米粒子。所述过渡金属纳米粒子包括铂金属纳米粒子、金金属纳米粒子、钯金属纳米粒子或银纳米粒子，所述金属氧化物纳米粒子包括氧化锌纳米粒子或氧化亚铜纳米粒子，所述上转换材料纳米粒子包括镱铒双掺杂NaYF₄纳米粒子、铥掺杂NaGdF₄纳米粒子或钬掺杂NaGdF₄纳米粒子。

优选的，所述复合光催化剂包括多个纳米马达复合结构。请参阅图4，该纳米马达复合结构包括一纳米马达及设置在所述纳米马达内的多个助催化剂。所述纳米马达包括多孔材料形成的外壳、光催化剂形成的内核以及外壳与内核之间的纳米空腔。所述助催化剂位于所述纳米空腔内。

所述多个助催化剂设置在所述光催化剂的外表面并位于所述多孔材料与所述光催化剂之间的纳米空腔内。所述多个助催化剂在所述纳米空腔中相互间隔设置。即，所述多个助催化剂在所述纳米空腔中彼此分散设置，具有三维结构和高结晶度。

所述助催化剂的形态可为颗粒状或者枝状。其中，颗粒结晶状的助催化剂是由多个助催化剂纳米粒子堆积形成的立体块状结构。枝状的助催化剂是由多个助催化剂纳米粒子堆积形成的树枝状结构。

所述多孔材料的材料种类不限，只要所述多孔材料具有多个孔即可。所述多孔材料可为多孔二氧化硅、玻璃多孔材料、铝磷酸盐多孔材料等。

所述多孔材料设置有多个孔，所述孔的孔径小于所述光催化剂的粒径。所述孔作为所述多孔材料的纳米空腔与外界连接的通道。优选地，所述孔的孔径大于0且小于10nm。可以理解，所述助催化剂的粒径不做限定，可以小于所述孔的孔径，也可大于所述孔的孔径。优选的，所述助催化剂的粒径大于所述孔的孔径。

所述纳米马达为单核纳米马达或多核纳米马达。其中，所述单核纳米马达是仅包括一个光催化剂内核的纳米马达；所述多核纳米马达是包括多个分散的光催化剂内核的纳米马达。所述纳米马达的形状不限，可包括球形、管形、棒形、线形、方块形、多边形、针状、立体状或者无规则形。所述“无规则形”是指该多个纳米马达的形状及尺寸大小不一，没有特定的规律。

优选地，所述光催化剂可为二氧化钛。所述二氧化钛的形状不限，可以为颗粒状、梭形、棒形、菱形、正四边形、狗骨头形或无规则形。

该复合光催化机理如下：请参阅图5，在光照射下，纳米空腔内有机物污染物连续光降解，从而形成有机物在内部/外部的浓度梯度，导致外部溶液中的有机物以自我推进的方式经由孔进入纳米空腔，加速了有机物的降解速率；有机物降解得到的CO₂等可通过该孔扩散至外部。

所述复合光催化剂的优点如下：

第一，通过引入助催化剂，所述助催化剂与纳米马达中的光催化剂协同催化，实现更优异的光催化效果。具体如下：

当助催化剂为过渡金属纳米粒子时，一方面，过渡金属纳米粒子与光催化剂具有不同的费米能级，二者接触会发生电子转移，而形成Schottky能垒，能有效地充当电子陷阱，从而阻止电子与空穴的重新复合；另一方面，过渡金属纳米粒子可作为光生电子的接收器，可促进复合体系界面载流子的运输，促进光生电子和光生空穴发生分离，与吸附在光催化剂表面上的物质发生氧化还原反应，或者被表面晶格缺陷俘获，使光生电子在金属表面积累，而空穴则留在光催化剂表面，降低了光生电子-空穴的复合率，提高了光催化剂的光催化活性。

当助催化剂为金属氧化物纳米粒子时，金属氧化物改变光催化剂的能级结构，在二者复合的界面形成势垒和能谷，影响光生电子和空穴的迁移过程，提高系统的电荷分离效果，拓展光催化剂的光谱响应范围，促进光催化剂电子-空穴分离，提高光催化剂催化效率。

当助催化剂为上转换材料纳米粒子时，该上转换材料纳米粒子可将红外光、可见光转换为能被催化剂吸收利用的紫外光，间接拓展光能利用范围，而且可使光生电子和空穴保持较高的反应活性，最终得到的光催化剂具有优异的光催化效果。

第二，所述复合光催化剂通过引入助催化剂，助催化剂具有三维结构且在空间上都彼此分离，增大了比表面积，使得光催化反应具有更大的接触面积以及活性点；同时，当所述复合光催化剂中的纳米马达为多核纳米马达时，也可使得光催化反应具有更大的接触面积以及活性点，利于光催化性能的提高。

第三，所述纳米马达具有核壳结构，其纳米空腔的特定设置为光催化协同体系的反应提供了较佳的反应场所，有利于有机污染物分子被吸附而进入 纳米空腔中，从而完成吸附-光催化降解过程，实现纳米马达自驱动吸附降解的效能。

第四，所述纳米马达中的催化剂与多孔材料为非直接接触式负载，使得催化剂比表面积基本无损耗，多孔材料不影响光与光催化剂接触，同时还避免现有技术中将光催化剂负载于有机载体时光催化剂直接接触有机载体而造成光催化剂对有机载体的光腐蚀。

第五，将所述助催化剂置于纳米空腔内，所述光催化剂作为内核设置于所述多孔材料中，更利于助催化剂以及光催化剂的回收再利用。

请参阅图2，本实用新型还提供另一种水生态修复装置。所述水生态修复装置与图1所示水生态修复装置10的结构基本相同，不同之处在于，还包括微生物载体网3。所述微生物载体网3具有相对设置的第一端及第二端。所述微生物载体网3的第一端固定于所述固定架2的框架，第二端悬空垂挂。所述微生物载体网3的第一端被固定，第二端为自由的悬挂状态。当将所述水生态修复装置置于水中时，所述微生物网3在水面的下方。

所述微生物载体网3包括柔性纤维材料以及附于所述柔性纤维材料上的微生物培养载体。所述微生物培养载体为磷酸钙、半水硫酸钙、磷酸四钙中的至少一种。所述水生态修复装置在使用时，水体中本身的微生物或者预先种在微生物载体网上的微生物种会附于所述微生物载体网3上。随着所述水生态修复装置的使用时间的延长，所述微生物载体网3上吸附的微生物的种类及数量会增加，而进一步对水中的污染物进行生物降解，最终增强水净化的效果。

所述生物载体网3包括多个第二网孔，以便于水的穿过。所述生物载体网3的第二网孔大小及形状不做限定。所述生物载体网3由柔性纤维材料编织而成。所述柔性纤维材料负载微生物培养基的方式不限，可为浸润法、热喷法等。

所述生物载体网3中柔性纤维材料的材质不做限定，可为现有的纺织物。所述生物载体网的形状不限，可为矩形等。

以下将通过具体实施例对所述水生态修复装置进行详细的说明。

实施例1

请参阅图6，本实施例提供一种水生态修复装置。所述水生态修复装置包括多个单排设置的固定架，所述光催化网固定于固定架的四周。所述水生态修复装置可固定于河道的中间。

所述光催化网中柔性纤维材料为芳纶纤维，所述复合光催化剂为多孔Pt-TiO₂@@SiO₂核壳粒子。所述复合光催化剂的催化效果见图7。由图7可见，所述纳米马达复合光催化剂的CO₂的释放量达到240μmol。

实施例2

请参阅图8，本实施例提供另一种水生态修复装置。该水生态修复装置与实施例1的水生态修复装置基本相同，不同之处在于，将所述水生态修复装置双排设置，所述光催化网中柔性纤维材料为涤纶纤维，所述复合光催化剂为多孔Pt-ZnO@@SiO₂核壳粒子。

实施例3

请参阅图9，本实施例提供另一种水生态修复装置。该水生态修复装置与实施例1的水生态修复装置基本相同，不同之处在于，河流的两岸均设置所述水生态修复装置，所述光催化网中柔性纤维材料为腈纶纤维，所述复合光催化剂为多孔Cu₂O-BiOI@@SiO₂核壳粒子。

实施例4

请参阅图10，本实施例提供另一种水生态修复装置。该水生态修复装置与实施例1的水生态修复装置基本相同，不同之处在于，多个独立设置的所述水生态修复装置交叉设置于河流的两岸，所述光催化网中柔性纤维材料为尼龙纤维，所述复合光催化剂为多孔NaYF₄-Ta₃N₅@@SiO₂核壳粒子。

所述水生态修复装置具有以下优点：第一，将光催化网通过固定架固定撑开，一方面，可将光催化网与光的接触面积最大化，另一方面，光催化网的网状结构有利于与水体进行充分的接触，而方便进行光催化。所述水生态修复装置编织和铺设过程简单，有利于大规模应用。

第二，所述光催化网由复合光催化纤维编织而成，所述复合光催化纤维包括复合光催化剂。由于复合光催化剂通过引入助催化剂，所述助催化剂与纳米马达中的光催化剂协同催化，实现更优异的光催化效果，因此，所述水生态修复装置在污水处理过程清洁、无污染，见效快，对污水的净化效果卓著。

进一步，当在固定架的框架上固定微生物载体网时，利用水域中自身的微生物或者预先种在微生物载体网上的微生物种在微生物载体网上生长繁殖，微生物可进一步对水体中的污染物进行生物降解，而可实现更好的净化效果。

所述水生态修复装置在实际应用中已经取得良好的污水净化效果，并创造良好的经济效益和社会效益。

本产品在乐清东干河的实际铺设，两周后水体中的生态系统开始慢慢恢复，有浮萍生长于所述水生态修复装置的光催化网的网孔中间。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下在其实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种水生态修复装置，其特征在于，其包括光催化网以及固定架，所述光催化网的四周通过所述固定架的框架而固定，所述光催化网由复合光催化纤维编织而成，所述复合光催化纤维包括柔性纤维材料以及复合光催化剂，所述复合光催化剂由所述柔性纤维材料负载固定。

2.如权利要求1所述的水生态修复装置，其特征在于，所述复合光催化剂夹持在所述柔性纤维材料中。

3.如权利要求1所述的水生态修复装置，其特征在于，所光催化网具有多个网孔，所述网孔的形状为菱形、圆形、矩形或不规则形。

4.如权利要求1所述的水生态修复装置，其特征在于，所述水生态修复装置还包括微生物载体网，所述微生物载体网具有相对设置的第一端及第二端，所述微生物载体网的第一端固定于所述固定架的框架，第二端悬空垂挂。

5.如权利要求4所述的水生态修复装置，其特征在于，所述微生物载体网包括柔性纤维材料以及附于所述柔性纤维材料上的微生物培养载体。

6.如权利要求4所述的水生态修复装置，其特征在于，所述微生物培养载体为羟基石灰石、磷酸钙、半水硫酸钙、磷酸四钙中的至少一种。