一種溶氧微泡發生器及污水處理方法與流程

本發明涉及一種微泡發生器及污水處理方法，屬于環保技術領域，具體是涉及一種溶氧微泡發生器及污水處理方法。

背景技術：

廢水中所含的重金屬對環境和人體健康危害大、持續時間長。大量未經處理的廢棄物向土壤系統轉移，并在自然因素的作用下匯集、殘留于土壤環境中。土壤污染主要以重金屬污染為主，其中鎘、汞、鉛、砷污染最為突出，廢水中含有的鉻(Cr)、砷(As)、鎘(Cd)、鋅(Zn)、鎳(Ni)等重金屬離子具有難降解、不可逆、毒性大和易被生物富集等特點，微量即可產生毒性效應，危害極大。

污染水的傳統處理方法有：化學沉淀、離子交換、吸附、膜分離、氧化還原、電解及萃取等，但這些方法往往受水溫、pH值、水質等因素的影響較大，對某些可溶物質去除率低，而且存在二次污染。對于土壤有機物和重金屬治理修復已有較多的技術，包括常用的有物理化學方法、植物修復法、微生物修復法、土壤洗淋回填法等的技術。目前，土壤的修復工程中，比較普及應用的方法是將土壤中的污染物通過洗淋回收到洗淋水中，處理后的土壤回填，洗淋后的污染水再進行水處理。

將磁分離技術應用在廢水處理，尤其是超導高梯度磁分離技術處理重金屬廢水有其獨特的優勢。對于廢水中弱磁性及無磁性污染物，可以通過各種特性的磁性介質的吸著方法，快速地磁分離處理。由于磁分離處理系統低成本、小空間、高效率和高速處理等優點，成為近年來新興的科研方向。實現重金屬污水磁分離包含兩方面工作，一是超導磁體，二是磁種。超導磁體裝備已是非常成熟的技術，可以方便地從商業產品中得到。磁分離關鍵問題是如何制備高品質的磁種以及磁分離的具體工藝。

光催化氧化法是目前研究較多的一項高級氧化技術，是一種環境友好型綠色水處理技術,它能夠徹底氧化降解污水中的有機污染物。結合一定量的光輻射，光敏介質材料在光的照射下表面受激勵而產生電子(e-)和空穴(h+)。這些電子和空穴具有很強的還原和氧化能力，能與水或容存的氧反應，產生氫氧根自由基(·OH)和超級陰氧離子(·O)。這些氧化性極強的自由基，幾乎能將所有構成有機物分子的化學鍵切斷分解，達到無害化處理。但目前光催化氧化方法的催化劑利用率和回收率低,有待通過提高催化劑效率，采用光生電子和空穴復合,以及其他處理技術來共同提高反應效率等方面問題。

超導高梯度磁分離技術以獨特分離原理和諸多優點，已成為最有發展前途的新型污水處理技術之一。隨著技術理論和設備不斷發展，其應用領域日益增加，在工業廢水、生活污水、污染河水及湖水以及在處理污泥和廢水中的弱磁及無磁性污染物方面具有獨特的優勢，利用磁性功能的吸附材料，已經得到眾多的研究和小規模應用。同樣光催化氧化方法也具有極為優秀的特點。但這兩項技術仍沒有得到應有的普及和大規模化工程應用的案例，其原因在于缺乏高效、經濟、合理的技術配備等問題，尤其是設備磁分離方法和功能性的磁性吸附材料是否能夠很好地匹配，關系到磁分離技術的特征能否充分地發揮出來。光催化氧化是光反應介質在特定波長光源的照射下才能產生催化作用，能否開發出光反應介質在更寬域的光譜作用下發生催化反應，也是當今該領域重要的課題之一。

針對這些問題，本發明人在長期系統開發和基礎材料研究的基礎上，提出了一種新的溶氧微泡發生器及污水處理方法。該溶氧微泡發生器通過多層排列的帶有通孔的金屬板形成多個微反應釜，液體通過時能夠產生大量的液體中的溶氧微泡，通過多個直徑不同的腔體，使液體介質在流速不同和正負壓不同的環境下參與反應，液體介質中的溶氧在激烈的拉伸和壓縮狀態下產生大量的離子化微粒，提高了溶氧反應效率。

技術實現要素：

本發明主要目的是解決現有技術中存在的污水金屬污染處理效能低下的技術問題，提供了一種溶氧微泡發生器及污水處理方法。該溶氧微泡發生器通過多層排列的帶有通孔的金屬板形成多個微反應釜，液體通過時能夠產生大量的液體中的溶氧微泡，通過多個直徑不同的腔體，使液體介質在流速不同和正負壓不同的環境下參與反應，液體介質中的溶氧在激烈的拉伸和壓縮狀態下產生大量的離子化微粒，提高了溶氧反應效率。

本發明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的：

一種溶氧微泡發生器，包括微泡腔，所述微泡腔包括微泡腔殼體、設置在微泡腔殼體內的金屬片，微泡腔殼體兩端設有進口和出口并通過端蓋封閉；所述金屬片包括：從進口到出口依次設置的金屬片A、金屬片B、金屬片C；其中，所述金屬片A和金屬片B上錯位設置有形狀相同并且均勻分布的通孔；所述金屬片C的邊緣沿周部等距設置若干通孔；所述端蓋的中部設置通孔。

優化的，上述的一種溶氧微泡發生器，所述金屬片結構A為均勻分布的六角形通孔圓盤，圓盤中心為中心孔的中心；所述金屬片B的通孔分布為金屬片A上的通孔橫向移動兩孔中心直線距離的1/2。

優化的，上述的一種溶氧微泡發生器，所述金屬片結構A為均勻分布的圓形通孔圓盤，圓盤中心為中心孔的中心；所述金屬片B的通孔分布為金屬片A上的通孔橫向移動兩孔中心直線距離的1/2。

優化的，上述的一種溶氧微泡發生器，所述金屬片C片為外圓部分開有多個弧形通孔的金屬板，其中間開有五個限位螺栓孔。

優化的，上述的一種溶氧微泡發生器，還包括與微泡腔相連的多徑腔，所述多徑腔包括：多徑腔殼體以及設置于多徑腔殼體內的若干個直徑不同的腔體，各腔體之間無變徑段。

優化的，上述的一種溶氧微泡發生器，所述多徑腔殼體內設置有A腔、B腔、C腔、D腔、E腔，其中D腔為錐形腔，錐度為1:1，管徑為出口徑，E腔為開放式腔體，E腔的進口徑等于D腔的出口徑，E腔的管徑≥D腔的管徑，各腔的管徑比例為3:1.5:4:1:1。

一種利用上述任一溶氧微泡發生器進行污水處理的方法，包括：將待處理污水與光反應介質相混合后通過溶氧微泡發生器后再經光反應處理。

因此，本發明具有如下優點：1.本發明的溶氧微泡發生器通過多層排列的帶有通孔的金屬板形成多個微反應釜，液體通過時能夠產生大量的液體中的溶氧微泡，通過多個直徑不同的腔體，使液體介質在流速不同和正負壓不同的環境下參與反應，液體介質中的溶氧在激烈的拉伸和壓縮狀態下產生大量的離子化微粒，提高了溶氧反應效率。

2.本發明的污水處理方法利用量子碳素光反應介質做為光反應介質，能夠產生大量的強活性氧化物質，如OH-、O2、H等強氧化劑，幾乎對所有的有機物或有些無機物進行比較徹底地氧化分解，產生出無危害的物質H2O、CO2等。

附圖說明

圖1是污水處理流程示意圖；

圖2-1是污水處理裝置系統的重金屬處理部分示意圖；

圖2-2是污水處理裝置系統的有機物處理部分示意圖；

圖3是磁分離系統結構示意圖；

圖4-1是超導磁體外形主視圖；

圖4-2是超導磁體外形俯視圖；

圖5是磁種回收再利用系統；

圖6-1是三維順磁金屬鏈網主視圖；

圖6-2是三維順磁金屬鏈網側視圖；

圖7是磁介質提取機構的空吹喇叭口示意圖；

圖8-1是磁介質提取機構空吹喇叭口詳細圖；

圖8-2是圖8-1的底部視圖；

圖8-3是圖8-1的左視圖；

圖9是溶氧微泡發生器結構示意圖；

圖10-1是溶氧微泡發生器的金屬片A1的結構示意圖；

圖10-2是圖10-1的側視示意圖；

圖10-3是溶氧微泡發生器的金屬片B1的結構示意圖；

圖10-4是圖10-3的側視示意圖；

圖10-5是溶氧微泡發生器的金屬片A2的結構示意圖；

圖10-6是圖10-5的側視示意圖；

圖10-7是溶氧微泡發生器的金屬片B2的結構示意圖；

圖10-8是圖10-7的側視示意圖；

圖10-9是溶氧微泡發生器的金屬片C的結構示意圖；

圖10-10是圖10-9的側視示意圖；

圖10-11是溶氧微泡發生器的金屬片D的結構示意圖；

圖10-12是圖10-11的側視示意圖；

圖10-13是溶氧微泡發生器的金屬片A1和B1疊加的結構示意圖；

圖10-14是溶氧微泡發生器的金屬片A2和B2疊加的結構示意圖；

圖10-15是溶氧微泡發生器的金屬片A和B疊加的結構示意圖；

圖11是溶氧微泡發生器各金屬片組合后的結構示意圖；

圖12是微泡尺寸與密度示意圖；

圖13是微泡離子形態；

圖14是光反應器結構示意圖；

圖15是金屬纖維燒結氈過濾器結構示意圖；

圖16是電鍍有機油墨廠廢水處理效果和介質循環統計數據；

圖17-1是某印刷電路板工廠廢水處理效果示意圖1。

圖17-2是某印刷電路板工廠廢水處理效果示意圖2。

具體實施方式

下面通過實施例，并結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。

圖中，污水收集罐1、制冷機控制柜2、混合罐3、攪拌系統4、系統控制柜5、超導體6、冷凍機6-1、磁場區域6-2、磁場中心6-3、超導本體6-4、電流端子6-5、冷媒進口6-6、冷媒出口6-7、真空排氣口6-8、溫度監測6-9、磁分離罐體7、溢流口7-1、磁介質提取機構8、主動輪8-1、從動輪8-2、張緊輪8-3，吸氣口8-4、吹氣口8-5、三維順磁金屬鏈網8-6、氣道8-7、固定板8-8、喇叭口8-9、磁性介質收集系統9、第一旋風固氣分離器9-1、第二旋風固氣分離器9-2、風管9-3、量子碳素光反應介質混合罐10、量子碳素光反應介質投放口10-1、溶氧微泡發生器11、定位螺栓11-1、溶氧微泡發生器殼體11-2、光反應器12、光源端蓋12-1、出口12-2、金屬外筒12-3、反光層12-4、光源12-5、入口12-6、一級沉淀池13、二級沉淀池14、凈水過濾器15、凈水出口15-1、凈水裝置殼體15-2、過濾體15-3、進水泵P1、污水泵P2、空壓泵P3、光反應壓力泵P4、回收泵P5、排水泵P6、一級返回閥F1、一級取樣閥F2、進水閥F3、回收閥F4、光反應進口閥F5、光反應出口閥F6、量子碳素光反應介質回收閥F7、量子碳素光反應介質二級回收閥F8、反沖清洗閥F9、反沖截止閥F10、二級返回閥F11、排放閥F12、二級取樣閥F13、壓力反沖表V1、負壓表V2、

一、污水處理工藝及系統結構

圖1是本實施例的污水處理工藝，該工藝所使用的污水凈化系統包括依次聯通的污水收集罐、混合罐、超導磁分離系統、光催化反應設備，其中還包括超導磁性介質回收再利用的磁介質循環裝置和量子碳素光反應介質循環裝置。

本實施例的污水凈化系統是由重金屬處理和有機物處理兩個部分組成并用的系統，是將污水中的重金屬和有機污染物分別進行處理的方法。尤其是兩種聯合處理的方法中，本發明提供的磁性吸附介質和量子碳素光反應介質配合污水凈化系統，特殊且有效地分離和分解水中的重金屬、有機污染物。

本發明所述的污水凈化系統，所用的超導磁分離機構包括超導磁體，超導磁體可以拆卸、更換為低溫超導磁體或高溫超導磁體，超導磁體向超導分離裝置內部提供預定高梯度磁場。在磁場中設置有金屬順磁鏈網提取機構，順磁鏈網在高梯度磁場中被磁化，吸附水中的磁性物質。被吸的磁性物質，通過金屬順磁鏈網提升到空壓機構進行分離，從而達到磁分離的效果。所述磁性物質是由本發明提供的量子碳素磁性介質。

本發明所述的污水凈化系統，所用的光反應處理機構包括1組或多組光反應器，量子碳素光反應介質以特定的尺寸和比重參與光反應器的反應。通過自然沉淀方法進行固液分離，量子碳素光反應介質通過循環系統循環使用。所述量子碳素光反應介質由本發明的制備的量子碳素光反應介質。水經磁分離和光反應處理后，再通過高精度的金屬纖維燒結氈過濾體過濾而得到達標清潔水。

圖2-1和圖2-2是本實施例污水處理系統的一個可選的具體實施系統結構示意圖。其中，圖2-1中的A1口連接圖2-2中的A2口。

其中，重金屬處理部分如圖2-1所示，具體包括：污水收集罐1，污水收集罐1的底部通過污水泵P2與混合罐3相連；混合罐3設置有用于攪拌缺罐體內部的攪拌裝置4，混合罐3的底部通過進水泵P1與磁分離罐體7相連；磁分離罐體7上設置有磁介質提取機構8，該磁介質提取機構8與磁性介質收集系統9相連；磁性介質收集系統9的回收口與混合罐3相通；磁性介質收集系統9包括兩個與空壓泵P3相連的兩個相對設置的空吹喇叭口，兩個氣嘴相對設置于三維順磁金屬鏈網8-6的兩側，其中一個氣嘴用于產生正壓，另一個產生負壓；從而將磁性介質從三維順磁金屬鏈網8-6上提走。磁分離罐體7位于超導體6的磁場范圍內，該超導體6連接制冷機2和系統控制柜5相連。

圖2-2是有機物處理部分，具體包括：與磁分離罐7上方溢流口相連的量子碳素光反應介質混合罐10，量子碳素光反應介質混合罐10的底部通過光反應壓力泵P4與溶氧微泡發生器11相連；溶氧微泡發生器11依次與光反應器12、一級沉淀池13、二級沉淀池14、凈水過濾器15相連。

其中，一級沉淀池13、二級沉淀池14的底部通過回收泵P5和回收閥F4與量子碳素光反應介質混合罐10相連。

本實施例在與磁分離罐7上方溢流口相連的管道上設置有取樣檢測口。該管道通過一級返回閥F1與污水收集罐1相連，通過一級取樣閥F2與取樣檢測口相連，通過進水閥F3與量子碳素光反應介質混合罐10相連，

下面具體說明本實施例的污水處理流程。本實施例中，針對重金屬處理和有機物處理分別采用了相對應的離子處理步驟和有機物分解步驟，下面分別進行介紹。

其中，離子處理步驟，具體包括以下子步驟：

步驟1、污水進入污水收集罐1后，通過污水泵P2定量進入混合罐3，混合罐3的上方設有磁性介質投放口，由第一旋風固氣分離器9-1下方投放口根據濃度要求定量的提供量子碳素磁性介質，并在攪拌系統4的攪拌下進行充分混合。

步驟2、由進水泵P1將混合均勻的液體通過管道直接輸送到磁分離罐體7。

步驟3、磁分離罐體7連接超導磁體6，超導磁體6向磁分離罐體7內部提供0.5T-5T強度的磁場。磁分離罐體7根據入口來的混合液的流體性質和磁場性質設計出的導流面板，該導流板可以是在混合液入口下方設置的45°平板，磁介質提取機構8中的金屬鏈網下半段置于磁分離罐體7內液體中，混合液經導流面板流向的走向首先經過磁介質提取機構8中的金屬鏈網，混合液的磁性物質在強磁場的吸附下全部吸到如圖6-1所示的三維順磁金屬鏈網上，并輸送到磁性介質回收再利用系統循環再利用。混合液中的非磁性大顆粒物質沉淀到7磁分離罐體下部，并定期的排除沉淀物(排泥)，混合液磁分離后的清潔物體通過磁分離罐上方的溢流口連續溢流排出。超導體與制冷控制柜2相連接。保持強磁場的控制。系統控制柜5對系統進行控制。

本實施中，有機物分解步驟具體包括以下子步驟：

步驟1，磁分離后的水經過經過磁分離罐體7的溢流口流出，經閥F2在取樣檢測口1處取樣檢測重金屬各項指標，未達標水體將經過閥F1重新返回污水收集罐1進行再處理。取樣檢測達標后閥F1、F2關閉，打開F3進入光反應系統。

步驟2，將水體經過閥F3進入量子碳素光反應介質混合罐10，量子碳素光反應介質混合罐10上方有量子碳素光反應介質投放口，量子碳素光反應介質投放口根據濃度要求定量的投放量子碳素光反應介質，在混合罐中充分混合后，混合液經泵P4給予一定的動力壓強，通過溶氧微泡發生器11，進行充分的溶氧發生反應之后，經過閥F5進入光反應器12，光反應器12是由至少一組或多組組成，光反應器反應后的混合液經閥F6進入一級沉淀池13。

步驟3，一級沉淀池13進行沉淀式固液分離，量子碳素光反應介質沉淀到一級沉淀池13的底部，分離的水溢流到二級沉淀池14，沉淀的量子碳素光反應介質在底部成為液漿狀態，量子碳素光反應介質漿料經閥F7和泵P5以及閥F4重新返回到量子碳素光反應介質混合罐10進行混合的循環再利用。

步驟4，二級混合罐將水中的殘留量子碳素光反應介質繼續沉淀分離，底部的量子碳素光反應介質漿料經閥F8和泵P5以及閥F4重新返回到量子碳素光反應介質混合罐10進行混合的循環再利用。二級混合罐上清液經由凈水過濾器15、閥F10、壓力表V1以及泵P6得到清潔的水，水經過閥F13在取樣檢測口2取樣檢測，達標的水經過閥F13直排，未達標的水經過閥F11及泵P5、閥F4重新返回量子碳素光反應介質混合罐10重新處理。

二、磁分離及磁介質回收

如圖3所示，磁分離系統是由超導磁體6、磁分離罐7、磁介質提取機構8、吸附機構組成，超導磁體6可以是高溫超導磁體，也可以是低溫超導磁體。

磁分離罐7包括磁分離罐體，磁分離罐體上設置有進液口、溢流口、排泥口，其中，溢流口優選設置于磁分離罐體頂部位置。

進液口和溢流口7-1分別位于所述金屬鏈網的兩側，并且，所述磁分離罐體7上設置進液口的一側設置有分級向內縮進的結構，每級的外壁相互平行，每級之間設置有傾斜45度的的變徑段。

待處理液體從進液口進入到磁分離罐體內部后進行處理，處理完的液底從溢流口排出，液體中的沉淀雜志從底部的排泥口排出。在磁分離罐體內部設置有金屬鏈網，該金屬鏈網的一端與磁分離罐體內部的從動輪絞接，另一端延伸與磁介質提取機構并與8內部的滾筒絞接，磁分離罐體中部設置有若干個與金屬鏈網相接的緊張輪。

在磁分離罐體位于超導磁體6提供的磁場區域內，超導磁體外形如圖4-1、圖4-2所示。具體包括：超導本體，超導本體內部設置有真空排氣口和電流端子，冷媒進口，冷媒出口。超導磁體的外形尺寸是根據磁分離系統的需要而設計，超導磁體可以是高溫超導磁體，也可以是低溫超導磁體。中心磁場強度為2T-5T，冷凍機冷媒為液氦或液氮。作為舉例，選用低溫超導磁體，冷媒為液氦，電流端子向超導本體內輸送電流114A，溫度監測控制是4K，真空排氣為10-6hPa，磁場中心為2T，為磁分離系統提供高梯度磁場。

磁介質提取機構8與磁介質循環裝置如圖5所示。該磁介質提取機構8內部設置有主動輪，金屬鏈網的一端鉸接于該主動輪上。磁介質提取機構8上有兩個相對設置的空吹喇叭口，金屬鏈網位于兩個空吹喇叭口之間，其中一個空吹喇叭口與空氣泵P3的正壓端相連，另一端依次連接若干個固氣分離器并與空氣泵P3的負載壓相通。本實施例中，優選連接兩個旋風固氣分離器。

采用上述結構后，空吹喇叭口與由空氣泵P3提供循環空壓動力，正壓空氣通過風管送到空吹喇叭口，對三維順磁金屬鏈網上吸附的磁性物質進行空吹脫離，同時空氣泵P3的另一端管道產生負壓，對三維順磁金屬鏈網上的磁性物質進行負壓吸收。

旋風固氣分離器進行兩次固氣分離來達到回收磁性物質的目的。其中，旋風固氣分離器收集到的量子碳素磁性介質可以根據系統要求定量地向混合罐3提供磁性介質。作為舉例，優選空氣泵P選用風量為8.0m³/min、靜壓為16KPa、功率為88KW的空氣泵，但不限于本例，作為風管產生靜壓可以在10KPa-30KPa的范圍。

本實施例中的金屬鏈網如圖6-1、圖6-2所示。該金屬鏈網是由順磁金屬制備的具有三維空間的金屬網，即“三維順磁金屬鏈網”。其包括：多個橫軸，相鄰橫軸的端部通過鏈環連接，橫軸上設置有鏈網面，該鏈網面由鏈絲呈波浪形在三維空間中纏繞而成。使用時，該三維空間的金屬網在高梯度磁場中被磁化，將混合液中的磁性物質吸附到金屬鏈網的三維空間中，鏈網的運動攜帶磁性物質一同運輸到磁介質提取機構8。原則上，所有順磁金屬都可以利用，金屬鏈網的三維幾何空間也可以多種結構形態。作為舉例，優選順磁材料為SUS316，三維空間網為的SUS316鋼絲纏繞的螺旋管，螺管徑15mm，螺距為6mm，管與管之間由鋼絲銜接。

本實施例的空吹喇叭口如圖7所示。其由一對幾何尺寸相同并相對的喇叭吹氣口和吸氣口組成，吹氣口中間有相應寬度的三維順磁金屬鏈網，吹氣口和吸氣口的靜壓相等，但吹氣口是正壓，吸氣口是負壓，形成對三維順磁金屬鏈網上磁性物質的吸收和脫離功能。吹氣口、三維順磁金屬鏈網、吸氣口之間的幾何尺寸和方位可以適宜的任意調整。作為舉例，吹氣口和吸氣口之間的距離為30mm，三維順磁金屬鏈網置于正中間。

圖8-1至圖8-3是本實施例喇叭口詳細圖。主要包括：氣管、喇叭口、固定板。吹氣和吸氣的喇叭口的幾何尺寸相同且可以適宜的調整。作為舉例，本發明發現最優選擇是空氣靜壓在16KPa時，吹氣和吸氣的喇叭口的幾何尺寸最佳為7mm×600mm，材質為SUS304。

三、有機物分解及量子碳素光反應介質回收

有機物分解部分主要包括量子碳素光反應介質混合罐、溶氧微泡發生器、光反應器等部分。其中，量子碳素光反應介質混合罐主要用于污水和量子碳素光反應介質的混合。下面對主要部件進行介紹。

1、溶氧微泡發生器

經過磁分離后的液體從磁分離罐7的溢流口流出后進入量子碳素光反應介質混合罐10，然后經光反應壓力泵P4進入溶氧微泡發生器11。

溶氧微泡發生器11如圖9所示，分為兩部分，分別是微泡腔和多徑腔。

其中，微泡腔內設置有多個溶氧反應單元，每個溶氧反應單元包括多塊通孔金屬片。

金屬片的形狀如圖10-1至圖10-15所示。圖中，A1片和B1片是六邊形均勻排列的通孔金屬片，六邊形通孔尺寸相同，在A1片和B1片上的排列不同，當A1片和B1片重合時，A1片上的每一個六邊形通孔的圓心是B1片上三個相鄰六邊形通孔的最近外相交點，圖中，A1-B1為重合后示意圖。

A2片和B2片是圓形均勻排列的通孔金屬片，圓形通孔尺寸相同，在A2片和B2片上的排列不同，當A2片和B2片重合時，A2片上的每一個圓形通孔的圓心是B2片上的三個相鄰圓形通孔的最近外相交點，即A2上每一個圓形孔的圓心與B2片上三個相鄰圓形孔的圓心距離相同，A2-B2為重合后示意圖。

C片為外圓部分開有多個弧形通孔的金屬板，其中間開有五個限位螺栓孔。

D片為中間開有通孔的金屬板。當A1片和D片重合時，A1片上的六角形通孔就形成了一個微型反應釜空間。同樣A2片、B1片、B2片都有相同的效果。圖11溶氧微泡發生器原理圖中是由A片、B片、C片、D片組合的結構，組合后形成了一個微型反應釜，每個微型反應釜與相鄰的反應釜相通，構成了液體介質在不同的空間、壓力、溫度、射流等狀態下連續流動并參與反應的多重微型反應釜。

在圖9溶氧微泡發生器中，由一個單元或多個單元組成，液體介質通過微泡腔后進入多徑腔。多徑腔內設置A腔、B腔、C腔、D腔、E腔。各腔體的直徑不同并發生突變，液體介質在流速不同和正負壓不同的環境下參與反應，液體介質中的溶氧在激烈的拉伸和壓縮狀態下產生大量的離子化微粒。

例如，對于溶氧微泡發生器前端的單元反應器件，優選3-5組單元反應器組成。后端A腔、B腔、C腔、D腔、E腔的管徑的比例尺寸適宜的任意選擇，其中D腔為錐形腔，錐度為1:1，管徑為出口徑，E腔為開放式腔體，E腔的進口徑等于D腔的出口徑，E腔的管徑≥D腔的管徑。各腔的管徑優選比例為3:1.5:4:1:1。溶氧微泡發生器入口端由泵P4提供3-5kg/cm2。

采用上述結構后，量子碳素光反應介質和處理水的液體經過圖9溶氧微泡發生器時，發生器前端的多重微反應釜產生大量的液體中的溶氧微泡，實驗檢測得到圖12微泡尺寸與密度的頻度圖，圖中縱軸的數量級是10⁶，顯示本例的結果是頻度最大數直徑為100nm，頻度峰直徑約為20nm(50％粒子數)，約有12億個粒子數/cm3，頻度最小值直徑約25nm。大量的溶氧微泡經過發生器后端的反應后，液體的介質表面和溶氧微泡表面產生了微泡離子的形態，圖13微泡離子形態用建立模型來顯示出離子電場狀態的示意圖。

2.光反應器原理及結構

圖14是本發明的光反應器結構圖。由金屬外筒、反光層、燈管、光源端蓋、入口、出口組成。其中，燈管設置于金屬外筒內部，燈管和外筒之間設置有反光層，金屬外筒下端設置液體進口，上端設置出口。

經過溶氧微泡發生器的液體，攜帶大量的溶氧離子并附著在量子碳素光反應介質表層上經光反應器入口進入光反應器進行反應，這種現象形成了紫外光、量子碳素光反應介質、溶氧微泡和水的協同關系，十分有利于提高光催化反應效率，對于量子碳素光反應介質分解產生羥基自由基等強氧化劑的速率和促進有機物的氧化去除率有大幅提高。量子碳素光反應介質有多種光反應物質，主要有TiO2、ZnO、CdS、WO3、SnO2等。在200nm-400nm波長的光源照射下，光反應物質產生大量的強活性氧化物質，如OH-、O2、H等強氧化劑，幾乎對所有的有機物或有些無機物進行比較徹底地氧化分解，產生出無危害的物質H2O、CO2等。本發明舉例，光反應器在本發明系統中，至少一組，優選4組。介質是本發明制備的粒狀量子碳素光反應介質，粒徑為10um-100um，優選30um-60um，處理水中投放量為0.1％-1.2％(質量比)，優選0.5％-1％(質量比)。光源優選6-8w的主波長為315nm-400nm的紫外線燈，光的強度為1mW/cm2。罐體優選SUS316，罐體內側設有反光層，反光層可以選用具有反光功能的材料，優選亞克力鍍汞工藝的反光產品，貼附在罐體內側。混合液以30L/min的流量從出口輸出。

3.凈水過濾器原理及結構

經過光反應后的液體進入一級沉淀池13、二級沉淀池14。二級沉淀池14內設置有凈水過濾器15。凈水過濾器15結構如圖15所示。包括：殼體，殼體上開有過濾孔，過濾孔上設置有過濾體，殼體內部設置有凈水出口。經過兩次沉淀的清水再經過凈水過濾器凈化處理。本發明的案例優選金屬殼體為SUS316，過濾網可以使用各種具體高精密的過濾網，優選金屬纖維燒結氈過濾體，過濾精度為3-10um，經過凈水過濾器的水質能夠達到標準要求。

四、磁性介質制備及活化方法

在此對本實施例進行磁分離時所采用的量子碳素磁性介質液溶液的制備方法和活化方法進行介紹。

1、磁性介質制制備方法

本實施例中，量子碳素磁介質的制備方法如以下兩個實施例所示。

實施例1：

(1)將質量比為(2.8-3.2):1的H₁₂Cl₃FeO₆和FeC₁₂·4H₂O溶于離子水中，其中，每100ml離子水加入的溶質重量為：6.5-7.5g；

(2)然后將步驟(1)的溶液采用水浴加熱，并不斷攪拌進行升溫，升溫過程中通入氮氣保護，升溫到40～60℃后滴加濃氨水至溶液pH為9左右，保持溫度穩定，反應時間1小時以上；

(3)反應完后將燒瓶中液體轉入燒杯中，靜置沉淀；

(4)將靜置沉淀后混合物的上清液移出，加入去離子水洗滌三次至洗滌液pH為7左右，得到納米四氧化三鐵；

(5)用磁鐵在燒杯底部吸附，將水濾干后再加入去離子水與量子碳素液，其中，去離子水、納米四氧化三鐵、量子碳素液的比值為：100ml：(3-3.6mg)：(60-70ml)；

(6)將果殼活性炭加入步驟(5)混合物，同時攪拌，轉速400～600r/min，攪拌時間20～60分鐘；其中，每100ml混合物溶液加入1.9-2.1g果殼活性炭；

(7)用磁鐵在燒杯底部吸附，將水濾干后置于電熱烘箱中烘干；

(8)將烘干的介質置于馬弗爐無氧氣氛中焙燒活化后冷卻；

(9)將冷卻后產物研磨粉碎至80um-120um之間的產物即得量子碳素磁性介質。

其中，H₁₂Cl₃FeO₆為六水三氯化鐵。

實施例2：

(1)將25.3g的H₁₂Cl₃FeO₆和8.6g的FeC₁₂·4H₂O，溶于500ml去離子水燒杯中，完全溶解后轉移到三頸燒瓶中；

(2)將三頸燒瓶在水浴槽中加熱，不斷攪拌，升溫過程中通入氮氣保護；

(3)升溫到60℃滴加濃氨水，控制PH9左右；

(4)保持溫度穩定，反應時間1小時；

(5)將瓶中液體轉入燒杯中，靜置沉淀；

(6)將上清水移出，加入去離子水洗滌三次，控制PH7左右，得到9.8克納米四氧化三鐵；

(7)用3000Gs永磁鐵在燒杯底部吸附，將水濾干后再加入300ml去離子水；

(8)將200ml量子碳素液加入反應，同時攪拌，轉速500r/min，攪拌時間30分鐘；

(9)將9.8g果殼活性炭加入反應，同時攪拌，轉速500r/min，攪拌時間30分鐘；

(10)用3000Gs永磁鐵在燒杯底部吸附，將水濾干后置于電熱烘箱中100℃烘干；

(11)將烘干的介質置于馬弗爐無氧氣氛550℃中焙燒活化4小時，自然冷卻。

(12)將冷卻后產物研磨粉碎至80um-120um之間的產物就是本發明的量子碳素磁性介質。

其中，果殼活性炭為粒徑50um-100um的核桃殼質地的植物碳，碘值為≥1200mg/g；強度≥95％。

本實施例中，量子碳素液為含有量子碳素的水溶液，所述量子碳素液的ORP為280mv-380mv、電導率σ為1-5ms/cm、電動勢為280mv～380mv、pH值為1.5-3.2、溶質濃度為0.1％-0.45％。所述量子碳素液溶質為被氧化的單層石墨烯和多層石墨烯(≤10層)的碳素粒子(簡稱：量子碳素粒子)組成，所述單層石墨烯和多層石墨烯質量分數比為2-4:8-6。所述石墨烯是由sp2雜化的碳原子以六邊形排列形成的周期性蜂窩狀二維碳質材料，單層石墨烯厚度為0.335nm。被氧化的量子碳素粒子表面具有多種含氧基團，如羥基、羰基和羧基等活性基團，量子碳素粒子整體上氧含量的質量分數為40％-60％。

對于污水處理尤其是水中的金屬離子通常情況下，重金屬離子難以有效地通過生物法與化學法去除，因此，吸附法是當前相對最有效的去除重金屬離子的方法之一，由于量子碳素粒子表面含有豐富的高活性含氧官能團，使得量子碳素粒子具有良好水溶性和易變化的化學活性，可以和金屬離子發生作用。

量子碳素粒子表面分布有羧基和羰基和隨機分布的羥基和環氧基，表面大量的羥基和羧基增加了量子碳素表面的負電密度，加強了與金屬離子發生強絡合作用和靜電作用，促進金屬離子的吸附。大量官能團的存在為量子碳素粒子提供了豐富的吸附位點，其結構特性使得量子碳素液成為一種高性能吸附材料。

通過本實施例的量子碳素磁性介質的制備，使量子碳素磁性介質具有超順磁的特性，在污水中，量子碳素磁性介質快速吸附液體中的各種金屬離子，并在強磁場的作用下被吸附到三維順磁金屬鏈網(圖6-1)中，通過金屬鏈網的機械傳動，將量子碳素磁性介質并攜帶著被吸附的包括金屬離子的污染物送至空吹、空吸喇叭口處。

2、磁性介質活化方法

量子碳素磁性介質在重復使用中，會因吸附趨向飽和而吸附能力下降。在本發明設備系統中的取樣檢測口1處的檢測，處理水的任一指標在接近達標線之前，量子碳素磁性介質就要全部回收，更換新的介質。回收的量子碳素磁性介質進行活性化處理。活化處理步驟如下：

(1)將回收的量子碳素磁性介質和去離子水按1:3的比例置于超聲波容器中，邊攪拌邊用25KHz頻率的超聲波進行處理1小時；

(2)濾出水再加新的同量的去離子水繼續攪拌超聲處理1小時；重復(1)和(2)的方法三次后濾干，100℃烘箱干燥；

(3)將干燥的介質置于馬弗爐無氧氣氛550℃中焙燒活化4小時，自然冷卻。

(4)將冷卻后產物研磨篩分至80um-120um之間的產物。

采用上述方法進行活化后的量子碳素磁性介質仍可保持95％以上的吸附活性能力。

五、量子碳素光反應介質制備及活化方法

在此對本實施例進行有機物分解過程中所使用的量子碳素光反應介質的制備方法及活化方法介紹如下。

1、量子碳素光反應介質的制備方法

實施例1

本實施例的量子碳素光反應介質制備方法如下：

(1)將量子碳素液、TiO₂、高純水以及適量N(CH₃)₄OH·5H₂O攪拌混合并加熱制備為漿液，其中，量子碳素液和TiO₂的比值為:100ml：200g；將漿液放入烘箱中干燥固化得到Rh-C/TiO₂產物；

(2)將Rh-C/TiO₂產物、干燥沸石粉以及含有Pt金屬重量1％的H₃PtCl₆·5.3H₂O混合制備出漿液；

(3)將步驟(2)中的漿液干燥固化煅燒得到Rh-Pt-C-M/TiO₂復合型光催化氧化體，冷卻后研磨至200目到300目之間的產物即為光反應介質。

實施例2

本實施例的量子碳素光反應介質制備方法如下：

(1)將50gTiO₂和50g沸石(M)分別分散到裝有200ml高純水的燒杯中，在室溫下進行攪拌(攪拌轉子用非金屬)數分鐘，將水除去。反復三次；

(2)在80℃真空干燥箱烘干備用。分別稱取25ml的量子碳素液，50g的TiO₂干燥的粉末以及含有Rh金屬重量5％的Rh(NO₃)₃；

(3)將量子碳素液、TiO₂、350ml高純水以及N(CH₃)₄OH·5H₂O加入到三頸燒瓶中加熱混合，制備出溫度為60℃的漿液(攪拌過程中每次少量的向燒瓶中緩慢加入Rh(NO₃)₃，保持60℃，攪拌1小時)；

(4)將漿液放入100℃烘箱中干燥固化12小時，得到Rh-C/TiO₂產物；

(5)分別將得到Rh-C/TiO₂產物、50g干燥沸石粉以及含有Pt金屬重量1％的H₃PtCl₆·5.3H₂O加入到三頸燒瓶中混合制備出漿液(攪拌過程中每次少量的向燒瓶中緩慢加入H₃PtCl₆·5.3H₂O，攪拌1小時,靜置6小時)；

(6)將漿液放入100℃烘箱中干燥固化12小時，然后放入380℃無氧氣氛的電烘箱中，煅燒6小時，得到Rh-Pt-C-M/TiO₂復合型光催化氧化體，冷卻后在瑪瑙錐體或玻璃錐體中研磨至200目到300目之間的產物就是本發明的量子碳素光反應介質。

本發明所述TiO₂為氣相法納米二氧化鈦TiO₂P25(市場商品)，平均粒徑的為25nm的銳鈦礦和晶紅石混合相的二氧化鈦。本發明所述沸石(M)為粉碎至300目的絲光沸石。

其中，N(CH₃)₄OH·5H₂O為四甲基氫氧化銨五水合物，H₃PtCl₆·5.3H₂O為氯鉑酸水合物。

2、量子碳素光反應介質活化方法

本發明制備的量子碳素光反應介質在重復使用中，可以長時間地保持催化氧化能力和活性度，其衰減緩慢。但在本發明設備系統中的取樣檢測口2處的檢測，處理水的任一指標在接近達標線之前，量子碳素光反應介質就要全部回收，更換新的介質。回收的量子碳素光反應介質進行活性化處理。活化處理步驟如下：

(1)將回收的量子碳素光反應介質和去離子水按1:3的比例置于超聲波容器中，邊攪拌邊用25KHz頻率的超聲波進行處理1小時；

(2)濾出水再加新的同量的去離子水繼續攪拌超聲處理1小時；

(3)重復(1)和(2)的方法三次后濾干，100℃烘箱干燥；

(4)將干燥的介質置于380℃無氧氣氛的馬弗爐中，煅燒4小時；

(5)冷卻后研磨篩分至200目到300目之間的產物

采用上述方法進行活化后的量子碳素光反應介質仍可保持95％以上的催化氧化活性能力。

六、實施效果

針對本發明的方案，在此以兩個工程實例對上述實施效果進行分析驗證。具體介紹如下。

實施例1

某電鍍有機油墨廠，該廠生產廢水為300噸/天，生產線各個單元產生的廢水集中收集，統一處理。進水水質各項指標和處理效果，如下表所示：

表1電鍍有機油墨廠廢水處理效果和介質循環統計數據

指標對比如圖16所示，具體實施方案如下：

工廠的廢水進入本發明的污染水凈化設備系統中，量子碳素磁性介質投放量為污水的1.2％(重量比)，量子碳素光反應介質投放量為污水的1.5％(重量比)；超導磁體采用低溫超導磁體(如圖4-1，圖4-2超導磁體外形圖)，冷媒為液氦，電流端子向超導本體內輸送電流114A，溫度監測控制是4K，真空排氣為10-6hPa，磁場中心為2T，為磁分離系統提供高梯度磁場。設備系統其它各個部分均按照本發明的優選參數進行的處理。處理結果完全達標，尤其是對于重金屬的處理去除率96％以上，有的接近100％。從處理效果和介質循環統計數據中顯示，量子碳素磁性介質和量子碳素光反應介質在經過重復20次廢水處理后，化學需氧量CODcr的去除率仍保持在96％-97％之間；氨氮的去除率保持在97％-98％之間；總銅的去除率保持在98％-99％之間；總鉛的去除率保持在97％-99％之間；總磷的去除率保持在97％-99％之間；pH值穩定在6-9之間，說明量子碳素磁性介質和量子碳素光反應介質在協同使用中，經過20次重復使用后仍然還保持著很高的協同活性能力。

實施例2

某印刷電路板工廠廢水的重復使用實驗，該廠生產廢水為30噸/天，生產線各個單元產生的廢水集中收集，統一處理。進水水質各項指標和處理效果，統計數據如下表所示，某印刷電路板工廠廢水處理效果和介質循環統計數據如下表所示：

表2某印刷電路板工廠廢水處理效果和介質循環統計數據

其效果對比如圖17-1，圖17-2所示。具體實施方案如下：

工廠的廢水進入本發明的污染水凈化設備系統中，量子碳素磁性介質投放量為污水的1.0％(重量比)，量子碳素光反應介質投放量為污水的1.2％(重量比)；設備系統其它各個部分均按照本發明的優選參數進行的處理。處理結果完全達標，尤其是對于提高COD和氨氮等指標有顯著效果。從處理效果和介質循環統計數據中顯示，量子碳素磁性介質和量子碳素光反應介質在經過重復10次廢水處理后，化學需氧量CODcr的去除率保持在91％-93％之間；氨氮的去除率保持在94％-97％之間；濁度保持在3.2-4.4之間；pH值穩定在6-9之間，說明量子碳素磁性介質和量子碳素光反應介質在協同使用中，經過10次重復使用后，仍然還保持著很高的協同活性能力。

本發明所述的污水包括但不限于各種工廠排放污水，如電鍍廠、印刷廠、化學品廠、電子工業工廠、造紙廠、食品廠等排放污水。也包括城市污水以及日常生活排放污水。還包括河水、地表水、地下水等。所述廢水可以通過廢水處理廠進行集中凈化處理。

本發明所述的污水中的污染物包括多種物質，如鉻(Cr)、砷(As)、鎘(Cd)、鋅(Zn)、鎳(Ni)、汞(Hg)、鉛(Pb)等重金屬離子。還包括有機物質、導致COD(化學需氧量)、BOD(生物需氧量)和TOC(總有機碳)指數升高的物質。這些物質僅作為舉例，但不僅限于此，還包括比如細菌、病毒等特殊的化學結構。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。