一種連續(xù)流光催化水處理設(shè)備的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種連續(xù)流光催化水處理設(shè)備，屬于環(huán)境工程中的水污染控制領(lǐng)域。包括紫外燈電源接口、紫外燈管、石英套管、圓柱式紫外反應(yīng)器外殼、數(shù)據(jù)傳輸線、反應(yīng)器進水管、固定彈簧套圈和螺旋式光催化載體；本發(fā)明將光催化技術(shù)耦合到紫外消毒技術(shù)之中，既可以徹底殺死水中的致病微生物，解決“光復(fù)活”現(xiàn)象帶來的安全隱患；又可以降解水中的痕量有機污染物，深度改善飲用水水質(zhì)。同時，在面對同等水質(zhì)條件時，該設(shè)備出水可以實現(xiàn)低紫外線劑量下達標，節(jié)省電能以及降低對紫外燈管的消耗速度。該發(fā)明具備較高的實際應(yīng)用潛力，并對探索光催化技術(shù)在水處理技術(shù)中的實際應(yīng)用途徑具備指導(dǎo)意義。
【專利說明】
一種連續(xù)流光催化水處理設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境工程中的水污染控制領(lǐng)域，涉及到一種光催化技術(shù)耦合紫外消毒工藝的流動式光催化水處理設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]我們賴以生存的水體，無論是地表水還是地下水，都已經(jīng)遭受到了較為嚴重的污染。根據(jù)污染物的種類不同，水污染可分為物理污染、生物污染、化學(xué)污染，其中后兩者較為嚴重。生物污染是水體中細菌、病毒等致病微生物造成的，化學(xué)污染是由水中痕量的抗生素、農(nóng)藥、內(nèi)分泌干擾物等有機污染物造成的。由于水體中污染物種類繁多，濃度各異，因此如何高效的實現(xiàn)水體消毒或凈化已成為我們亟待解決的難題。
[0003]無論是給水系統(tǒng)還是污水處理系統(tǒng)，消毒工藝都是不可或缺的環(huán)節(jié)。憑借其高效、快速、無消毒副產(chǎn)物、操作簡便等優(yōu)勢，紫外線消毒技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于世界各地的給水廠以及污水處理廠，漸漸取代了傳統(tǒng)的投藥消毒。紫外消毒的原理是:C_波段的紫外線透過微生物的細胞壁或細胞膜，輻照其DNA或RNA，使之生成嘧啶二聚體進而失去自我復(fù)制的能力。然而這并沒有徹底殺死微生物，被紫外線滅活的微生物在自然光的照射下，其嘧啶二聚體會發(fā)生解聚，進而重新獲得繁殖能力。這種現(xiàn)象被稱為“光復(fù)活”現(xiàn)象，這給經(jīng)紫外線消毒后的出水帶來了一定的安全隱患。除此之外，紫外線消毒還有以下缺點:能耗大、無持久殺菌能力、濁度和水中懸浮物(SS)對殺菌效果影響較大、存在某些耐紫外線的病毒等。
[0004]光催化技術(shù)被認為是當(dāng)今最具發(fā)展前景的新技術(shù)之一，有以下幾個主要優(yōu)勢:一是應(yīng)用最廣泛的光催化劑T12穩(wěn)定、便宜、無毒;二是被紫外線激發(fā)后的T12具備極高的氧化還原能力，可以降解周圍大部分的病菌和有機污染物;三是環(huán)境友好，無二次污染。光催化技術(shù)用于水體消毒過程的原理是:利用光子誘導(dǎo)產(chǎn)生的強氧化性空穴或其與水分子和溶解氧反應(yīng)，生成的羥基自由基氧化破壞菌類等微生物的細胞壁或細胞膜結(jié)構(gòu)，使細胞質(zhì)流出，流出的細胞質(zhì)以及遺傳物質(zhì)亦會被氧化分解為H2O和C02，最終導(dǎo)致微生物的徹底死亡。由原理可知，光催化消毒技術(shù)對于水體中的微生物具有廣譜消毒作用。運用光催化技術(shù)對水體進行消毒可以消除光復(fù)活帶來的安全隱患，而且光催化過程產(chǎn)生的羥基自由基還能氧化分解水中的痕量有機污染物，進一步改善水質(zhì)。
[0005]在光催化水處理領(lǐng)域，光催化劑的存在形態(tài)主要分為兩種:懸浮型和負載型。在實際應(yīng)用中，懸浮型催化劑反應(yīng)器一般需要配置攪拌裝置和曝氣裝置，使催化劑能較均勻的懸浮于水中。該種情況催化劑與水中致病微生物和有機污染物接觸充分，光催化活性較高，一般具有較好的水處理效果。但是其能耗高，催化劑流失嚴重、不宜回收，而且不便于連續(xù)運行。負載型催化劑解決了懸浮型催化劑回收難的問題，而且便于連續(xù)運行，但是催化劑與污染物接觸不充分，光催化活性低于懸浮型催化劑。而且，光催化劑的與載體之間負載的機械強度難以保證，催化劑有從載體上脫落甚至污染水質(zhì)的風(fēng)險。
[0006]目前，人們雖然研究了光催化技術(shù)對不同種類微生物、有機污染物的去除效果，但是大多研究還停留于靜態(tài)的、小處理量的實驗階段，沒有針對實際的流動態(tài)水體進行實驗。這種間歇式的反應(yīng)方式無法達到實際應(yīng)用的需求，無法連續(xù)對水體進行消毒和凈化。此外，粉末狀催化劑的回收困難以及負載型光催化材料與載體間機械強度不夠?qū)е碌拇呋瘎┟撀涞葐栴}也限制了光催化水處理技術(shù)的實際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明主要解決現(xiàn)有紫外消毒設(shè)備能耗大、殺菌能力有限、出水有“光復(fù)活”安全隱患、無法去除水中痕量有機污染物，靜態(tài)式光催化反應(yīng)器無法連續(xù)處理大量污水，普通負載方法催化劑與載體間機械強度不夠等技術(shù)問題。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0009]一種連續(xù)流光催化水處理設(shè)備，連續(xù)流光催化水處理設(shè)備的主體為圓柱式紫外反應(yīng)器外殼，其上設(shè)有反應(yīng)器出水口和紫外傳感器，紫外傳感器通過數(shù)據(jù)傳輸線將紫外強度導(dǎo)出至控制中心；圓柱式紫外反應(yīng)器腔體一端通過硅膠墊圈密封固定在石英套管的端口，且與紫外燈電源接口相連，另一端設(shè)有反應(yīng)器進水管，其套有用以固定石英套管的彈簧套圈，通過密封法蘭、卡扣或螺紋旋蓋封閉；石英套管套在紫外燈管外，用于保護紫外燈管。雙螺旋式光催化載體或單螺旋式光催化載體套在石英套管外，雙螺旋式光催化載體或單螺旋式光催化載體的內(nèi)外邊緣粘貼有密封膠墊。
[0010]原水池中的水依次流過第一控制閥、進水栗、第二控制閥、渦輪流量計、液體流量計、連續(xù)流光催化水處理設(shè)備后排出；反應(yīng)器出水口設(shè)有溫度傳感器，溫度傳感器、紫外傳感器和渦輪流量計將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?，進而顯示在數(shù)顯屏上。對關(guān)鍵反應(yīng)參數(shù)的實時監(jiān)控有助于及時排解故障和更換部件。
[0011]本發(fā)明是在紫外線反應(yīng)器中添加負載光催化劑的螺旋狀載體。相比于傳統(tǒng)的板式結(jié)構(gòu)，螺旋狀載體能在更小的水頭損失下提供更好的受光面積和湍動效果，充分發(fā)揮光催化作用在水處理過程中起到的加強作用。因此相比于單獨的紫外消毒設(shè)備，光催化水處理設(shè)備能實現(xiàn)更高的滅菌效率，換言之如果要求出水達到同樣的標準，光催化水處理設(shè)備只需要更低的紫外輻照劑量，這既節(jié)省了電能也會減緩紫外燈管的消耗速度。在紫外線進行消毒作用的同時，光催化過程會產(chǎn)生具有強氧化性空穴或羥基自由基.0H(Ti02空穴的標準電極電位為3.0V，.0H自由基的標準電極電位為2.8V，是除氟以外最強的氧化物種)。它們能分解破壞菌類等致病微生物的細胞壁或細胞膜，使細胞質(zhì)流出，流出的細胞質(zhì)以及遺傳物質(zhì)亦會被被氧化分解為H2O和CO2，最終導(dǎo)致微生物的徹底死亡，抑制了微生物的光復(fù)活現(xiàn)象，同時也能保證對耐紫外線致病菌的去除效果。同時，載體表面光催化劑產(chǎn)生的強氧化性空穴和.0H也會氧化分解水體中的痕量有機污染物，進一步改善飲用水水質(zhì)。
[0012]針對不同的進水水質(zhì)情況以及水質(zhì)排放標準，在光催化水處理設(shè)備中，紫外燈管數(shù)量可根據(jù)實際處理需求進行增加，此外多個光催化水處理反應(yīng)器還可根據(jù)實際情況采用串聯(lián)或者并聯(lián)方式組合成一個整體使用。
[0013]本發(fā)明的有益效果:無消毒副產(chǎn)物，不產(chǎn)生二次污染;廣譜殺菌，對耐氯、耐紫外線的致病菌也能保證去除效果;抑制紫外線消毒工藝出水中微生物的光復(fù)活現(xiàn)象，減小安全隱患；可同時降解水體中的痕量有機污染物，深度改善水質(zhì)；和傳統(tǒng)紫外消毒器相比，實現(xiàn)同等消毒效果需要更低的紫外輻照劑量，節(jié)省電能和紫外燈管的損耗。該種流動式光催化水處理設(shè)備具有潛在的實際應(yīng)用價值，而且對于探索光催化技術(shù)在水處理領(lǐng)域的實際應(yīng)用途徑具有指導(dǎo)意義。
【附圖說明】
[0014]圖1為光催化水處理設(shè)備的工藝流程圖。
[0015]圖2為雙螺旋載體/圓柱式光催化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖3為雙螺旋載體結(jié)構(gòu)放大示意圖。
[0017]圖4為單螺旋載體/圓柱式光催化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖5為單螺旋載體結(jié)構(gòu)放大示意圖。
[0019]圖6(a)為鈦載體陽極氧化法負載后的SEM圖。
[0020]圖6(b)為鈦載體溶膠凝膠法負載后的SEM圖。
[0021 ]圖7為鈦載體陽極氧化、溶膠凝膠兩種負載方法負載后的DRS圖。
[0022]圖8為加入催化劑載體與單獨紫外線殺菌效果比較圖。
[0023]圖9為流動式光催化水處理設(shè)備對水中痕量苯酚降解圖。
[0024]圖中:I原水池;2第一控制閥；3進水栗;4第二控制閥；5渦輪流量計;6液體流量計；7連續(xù)流光催化水處理設(shè)備;8溫度傳感器;9紫外傳感器；10反應(yīng)器出水口 ； 11控制中心；12數(shù)顯屏；13紫外燈電源接口 ； 14硅膠墊圈；15紫外燈管；16石英套管；17圓柱式紫外反應(yīng)器外殼；18數(shù)據(jù)傳輸線；19密封法蘭、卡扣或螺紋旋蓋;20反應(yīng)器進水管;21固定彈簧套圈；22雙螺旋式光催化載體;23密封膠墊:24單螺旋式光催化載體。
【具體實施方式】
[0025]以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案，進一步說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0026]負載催化劑的螺旋式片狀結(jié)構(gòu)載體以石英套管為軸橫向螺旋均勻分布，對其外徑邊緣進行密封以確保其邊緣不會有水漏過;最后，用法蘭盤、卡扣或者帶有螺紋的旋蓋對光催化水處理反應(yīng)器的腔體進行密封處理。其中，光催化水處理反應(yīng)器的外徑為25mm-2000_，針對不同的處理水質(zhì)，其裝置腔體外殼材料可分別選擇不銹鋼、陶瓷或PVC。
[0027]流動式光催化水處理設(shè)備的運行方式，針對單燈管光催化水處理設(shè)備中的螺旋式片狀結(jié)構(gòu)載體光催化水處理設(shè)備，裝置運行流程如圖1所示，原水經(jīng)控制閥流經(jīng)進水栗，通過流量調(diào)節(jié)閥控制流量，之后經(jīng)過渦輪流量計進入光催化水處理反應(yīng)器進水口，流經(jīng)光催化水處理設(shè)備后由出水口排出?？拷M水口的反應(yīng)器腔體上端設(shè)置紫外線傳感器，出水口端設(shè)置溫度傳感器，監(jiān)測到的參數(shù)輸入到控制中心由數(shù)顯屏顯示。
[0028]PLC控制系統(tǒng)采用西門子、施耐德或歐姆龍產(chǎn)品。含A/D和D/A模塊、總線監(jiān)控板、PLC控制器，帶液晶顯示的觸摸式人機界面，以及消毒系統(tǒng)之接口接點。紫外燈回路可以獨立地進行開斷的控制。以滿足使用及檢修的需要。通過通信電纜以及通信電路板，可以采集紫外燈的工作狀態(tài)以及故障狀態(tài)，并且顯示在現(xiàn)場的人機界面液晶屏幕上。
[0029]系統(tǒng)通過人機界面、A/D和D/A模塊、總線監(jiān)控板和PLC控制器配合，可以統(tǒng)計系統(tǒng)的整個工作時間、檢測系統(tǒng)電流、電壓、溫度、紫外燈光強，實現(xiàn)所有參數(shù)的監(jiān)測及控制，包括開、關(guān)機紫外燈管狀態(tài)監(jiān)測，紫外光強監(jiān)測、燈管光強自動控制、燈管運行計時、累計處理水量監(jiān)測、水溫監(jiān)測以及紫外C透射率監(jiān)測，以利于操作者監(jiān)控紫外水處理系統(tǒng)的運行。如:紫外光燈的工作狀況在人機界面有獨立顯示:正常工作狀態(tài)、故障狀態(tài)和報警燈和蜂鳴報警、并同時顯示該故障紫外光燈所處位置、運行時間。
[0030]負載光催化劑的載體為螺旋式片狀結(jié)構(gòu)載體，這種結(jié)構(gòu)的光催化水處理反應(yīng)器主要由圓柱式反應(yīng)器腔體，紫外燈及石英套管，螺旋狀結(jié)構(gòu)載體組成。紫外燈功率為1W-1000W，燈管長度為12cm-l 50cm，燈管置于光催化水處理反應(yīng)器腔體軸心處，依靠裝置右端彈簧套圈固定，石英套管保護紫外燈隔絕水體，石英套管的透光率需要保證在90%以上。緊貼設(shè)備腔體內(nèi)壁，嵌入螺旋式催化劑載體，載體邊緣設(shè)置密封墊圈。載體表面負載光催化劑，其可以接受紫外燈發(fā)出的垂直紫外光以及腔體內(nèi)壁反射回來的紫外光。該種螺旋狀催化劑載體橫向延伸，螺旋單元個數(shù)為20-80個/米，每片厚度為0.lmm-5mm。最后裝置腔體右端用法蘭盤、卡扣或者帶有螺紋的旋蓋密封。設(shè)備運行時，水體按照螺旋路徑流動，延長了水流路徑，并且使水體發(fā)生擾動，充分接觸螺旋式片狀結(jié)構(gòu)載體表面的光催化劑后出水口排出。
[0031 ]下面以金屬鈦為催化劑載體基底，以溶膠凝膠、陽極氧化兩種負載方法為例，來校驗該流動式光催化水處理設(shè)備的效能。
[0032]其中溶膠凝膠負載方法具體步驟如下:
[0033]A.鈦基底的預(yù)處理:將螺旋狀鈦載體依次用800#、1000#、1500#和2000#的砂紙同向打磨，然后分別用無水乙醇、丙酮、超純水超聲清洗lOmin，將清洗后的鈦載體浸于混合酸液中(HF: HNO3: H2O= 1:4:5)刻蝕30秒，刻蝕后再用乙醇、超純水超聲清洗1min。處理完的鈦載體放置于空氣中自然風(fēng)干，預(yù)處理的主要目的去除表面氧化物、提高催化劑與載體間的粘附能力。
[0034]B.T12溶膠的制備:分別稱取25?30份TTIP和4?6份TiCl4緩慢加入到250?300份無水乙醇中，常溫攪拌2h后，向溶液中緩慢滴加15?20份的高純水，封膜繼續(xù)強力攪拌2h，最終形成均勻、澄清、透明的淡黃色T12溶膠，將配好后的溶膠用密封膜密封保存?zhèn)溆谩?br>[0035]C.溶膠掛膜:采用浸漬提拉的方法，將預(yù)處理過的鈦載體浸入T12溶膠中，設(shè)定提拉器的參數(shù)為:提拉上升速率為0.5mm/s，浸漬時間為600s;完成掛膜后緩慢勻速地提拉出溶膠液面，然后將材料放入700C?900C的烘箱中1.5?2h，然后進行第2次、第3次浸漬;最后將載體放入馬弗爐中高溫煅燒，升溫速率為3°C/min，升至預(yù)設(shè)溫度450 °C?550°C，保溫時間為2h，降溫方式為自然降溫;終止溫度是室溫。
[0036]陽極氧化負載方法如下:
[0037]A.鈦基底的預(yù)處理:將螺旋狀鈦載體依次用800#、1000#、1500#和2000#的砂紙同向打磨，然后分別用無水乙醇、丙酮、超純水超聲清洗lOmin，將清洗后的鈦載體浸于混合酸液中(HF: HNO3: H2O= 1:4:5)刻蝕30秒，刻蝕后再用乙醇、超純水超聲清洗1min。處理完的鈦載體放置于空氣中自然風(fēng)干，預(yù)處理的主要目的去除表面氧化物、提高催化劑與載體間的粘附能力。
[0038]B.陽極氧化制備T12納米管:配制0.2%?0.5%的HF水溶液作為電解液置于聚四氟乙烯材質(zhì)的圓筒反應(yīng)器中，將鈦載體置于其中作為陽極，將鉑棒或碳棒置于雙螺旋載體的中間軸心處作為陰極，兩極之間設(shè)置絕緣層防止出現(xiàn)短路現(xiàn)象，絕緣層應(yīng)該具有良好的透水性和絕緣性，如玻璃纖維、PP棉等；用直流穩(wěn)壓電源施加20?60V的電壓，電解時間控制在15?50mino
[0039]為了驗證兩種負載方法的負載效果，以下對負載后的光催化載體進行檢測與表征。
[0040]1.采用FE1-SIR10N-200型場發(fā)射掃描電鏡觀察兩種方法負載的T12涂層的表面形態(tài)，透射電鏡可以直觀地了解這種納米顆粒的形貌、幾何形態(tài)和粒度分布等，從而輔助證明粉體顆粒外觀特性。其表面形貌見圖6，由圖6可知，陽極氧化法負載的載體表面較均勻地分布著T12納米管，而溶膠凝膠法負載后的載體表面則是清晰的膜狀結(jié)構(gòu)。
[0041]2.采用UV-2000型紫外-可見分光光度計(UV-VIS DRS)對兩種負載方法負載后的二氧化鈦涂層進行分析。圖7是鈦片表面負載T12涂層的DRS圖譜。由圖7可以看出:在UV-C段兩種方法負載得到的T12涂層均有很好的吸收，表明普通殺菌紫外燈就可以激發(fā)本發(fā)明中的螺旋狀載體上的Ti02，T12涂層受激發(fā)后產(chǎn)生的空穴-電子對氧化能力將會更強，可很好地利用紫外燈的光源。
[0042]3.進行殺菌效果比對實驗，同樣濃度的大腸桿菌原水分別通過單不加入載體的紫外線反應(yīng)器、加入螺旋狀催化劑載體的紫外線反應(yīng)器、以及加入螺旋狀載體燈管關(guān)閉的三種情況，實驗結(jié)果見圖8?？芍尤胼d體后載體會對水中的細菌有很少一部分的吸附。此外相同紫外輻照劑量下(20mJ/cm2低于國家要求的42mJ/cm2標準)，加入螺旋狀催化劑載體的出水細菌可以達到飲用水水質(zhì)標準，而不加入螺旋狀催化劑載體的出水無法達標。這證明使用本發(fā)明，只要低劑量的紫外線輻照就能達到明顯、符合標準的殺菌、消毒效果，因此本發(fā)明大大減少了裝置的耗電量和燈管的損耗速度。
[0043]4.進行苯酚降解實驗，配制初始濃度為5ppb的苯酚原水，循環(huán)通過流動式光催化反應(yīng)器，每次提供42mJ/cm2的標準輻照劑量并取樣，以SPE-HPLC法測定苯酚濃度，實驗結(jié)果見圖9。可知該流動式光催化水處理設(shè)備對水中痕量苯酚具有較好的去除效果，第四次出水時苯酚的去除率可達65%，其濃度低于2ppb的飲用水水質(zhì)標準。證明通過循環(huán)進水或者反應(yīng)器的串聯(lián)使用，該流動式光催化水處理設(shè)備對水中的痕量有機物同樣具備較好的去除能力。
【主權(quán)項】
1.一種連續(xù)流光催化水處理設(shè)備，其特征在于，該連續(xù)流光催化水處理設(shè)備的主體為圓柱式紫外反應(yīng)器外殼，其上設(shè)有反應(yīng)器出水口和紫外傳感器，紫外傳感器通過數(shù)據(jù)傳輸線將紫外強度導(dǎo)出至控制中心；圓柱式紫外反應(yīng)器腔體一端通過硅膠墊圈密封固定在石英套管的端口，且與紫外燈電源接口相連，另一端設(shè)有反應(yīng)器進水管，其套有用以固定石英套管的彈簧套圈，通過密封法蘭、卡扣或螺紋旋蓋封閉；石英套管套在紫外燈管外，用于保護紫外燈管;雙螺旋式光催化載體或單螺旋式光催化載體套在石英套管外，雙螺旋式光催化載體或單螺旋式光催化載體的內(nèi)外邊緣粘貼有密封膠墊。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)流光催化水處理設(shè)備，其特征在于，所述的雙螺旋式光催化載體或單螺旋式光催化載體上負載的催化劑為Ti02、Ti02_石墨稀、Ti02_活性炭或i02_碳納米管。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的連續(xù)流光催化水處理設(shè)備，其特征在于，所述的雙螺旋式光催化載體或單螺旋式光催化載體的螺旋單元數(shù)為20-80個/米，螺旋單元與紫外燈石英套管的夾角為20° -80°。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的連續(xù)流光催化水處理設(shè)備，其特征在于，所述的圓柱式紫外反應(yīng)器外殼的外徑為25-2000_，根據(jù)處理水水質(zhì)不同，其材質(zhì)選自不銹鋼、陶瓷或PVC。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的連續(xù)流光催化水處理設(shè)備，其特征在于，所述的圓柱式紫外反應(yīng)器外殼的外徑為25-2000_，根據(jù)處理水水質(zhì)不同，其材質(zhì)選自不銹鋼、陶瓷或PVC。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或5所述的連續(xù)流光催化水處理設(shè)備，其特征在于，所述的雙螺旋式光催化載體或單螺旋式光催化載體所用的構(gòu)件選自金屬鈦、不銹鋼、陶瓷和PVC。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的連續(xù)流光催化水處理設(shè)備，其特征在于，所述的雙螺旋式光催化載體或單螺旋式光催化載體所用的構(gòu)件選自金屬鈦、不銹鋼、陶瓷和PVC。8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的連續(xù)流光催化水處理設(shè)備，其特征在于，所述的雙螺旋式光催化載體或單螺旋式光催化載體所用的構(gòu)件選自金屬鈦、不銹鋼、陶瓷和PVC。
【文檔編號】C02F1/72GK106006921SQ201610586034
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月22日
【發(fā)明人】全燮, 王師, 于洪濤, 陳碩
【申請人】大連理工大學(xué)