一種連續流光催化水處理設備的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種連續流光催化水處理設備，屬于環境工程中的水污染控制領域。包括紫外燈電源接口、紫外燈管、石英套管、圓柱式紫外反應器外殼、數據傳輸線、反應器進水管、固定彈簧套圈和螺旋式光催化載體；本發明將光催化技術耦合到紫外消毒技術之中，既可以徹底殺死水中的致病微生物，解決“光復活”現象帶來的安全隱患；又可以降解水中的痕量有機污染物，深度改善飲用水水質。同時，在面對同等水質條件時，該設備出水可以實現低紫外線劑量下達標，節省電能以及降低對紫外燈管的消耗速度。該發明具備較高的實際應用潛力，并對探索光催化技術在水處理技術中的實際應用途徑具備指導意義。
【專利說明】
一種連續流光催化水處理設備
技術領域
[0001]本發明屬于環境工程中的水污染控制領域，涉及到一種光催化技術耦合紫外消毒工藝的流動式光催化水處理設備。
【背景技術】
[0002]我們賴以生存的水體，無論是地表水還是地下水，都已經遭受到了較為嚴重的污染。根據污染物的種類不同，水污染可分為物理污染、生物污染、化學污染，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，化學污染是由水中痕量的抗生素、農藥、內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]無論是給水系統還是污水處理系統，消毒工藝都是不可或缺的環節。憑借其高效、快速、無消毒副產物、操作簡便等優勢，紫外線消毒技術已被廣泛應用于世界各地的給水廠以及污水處理廠，漸漸取代了傳統的投藥消毒。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，其嘧啶二聚體會發生解聚，進而重新獲得繁殖能力。這種現象被稱為“光復活”現象，這給經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]光催化技術被認為是當今最具發展前景的新技術之一，有以下幾個主要優勢:一是應用最廣泛的光催化劑T12穩定、便宜、無毒;二是被紫外線激發后的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;三是環境友好，無二次污染。光催化技術用于水體消毒過程的原理是:利用光子誘導產生的強氧化性空穴或其與水分子和溶解氧反應，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構，使細胞質流出，流出的細胞質以及遺傳物質亦會被氧化分解為H2O和C02，最終導致微生物的徹底死亡。由原理可知，光催化消毒技術對于水體中的微生物具有廣譜消毒作用。運用光催化技術對水體進行消毒可以消除光復活帶來的安全隱患，而且光催化過程產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。
[0005]在光催化水處理領域，光催化劑的存在形態主要分為兩種:懸浮型和負載型。在實際應用中，懸浮型催化劑反應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的風險。
[0006]目前，人們雖然研究了光催化技術對不同種類微生物、有機污染物的去除效果，但是大多研究還停留于靜態的、小處理量的實驗階段，沒有針對實際的流動態水體進行實驗。這種間歇式的反應方式無法達到實際應用的需求，無法連續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導致的催化劑脫落等問題也限制了光催化水處理技術的實際應用。
【發明內容】
[0007]本發明主要解決現有紫外消毒設備能耗大、殺菌能力有限、出水有“光復活”安全隱患、無法去除水中痕量有機污染物，靜態式光催化反應器無法連續處理大量污水，普通負載方法催化劑與載體間機械強度不夠等技術問題。
[0008]本發明的技術方案:
[0009]一種連續流光催化水處理設備，連續流光催化水處理設備的主體為圓柱式紫外反應器外殼，其上設有反應器出水口和紫外傳感器，紫外傳感器通過數據傳輸線將紫外強度導出至控制中心；圓柱式紫外反應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，另一端設有反應器進水管，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、連續流光催化水處理設備后排出；反應器出水口設有溫度傳感器，溫度傳感器、紫外傳感器和渦輪流量計將采集到的數據傳輸到控制中心，進而顯示在數顯屏上。對關鍵反應參數的實時監控有助于及時排解故障和更換部件。
[0011]本發明是在紫外線反應器中添加負載光催化劑的螺旋狀載體。相比于傳統的板式結構，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備，光催化水處理設備能實現更高的滅菌效率，換言之如果要求出水達到同樣的標準，光催化水處理設備只需要更低的紫外輻照劑量，這既節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，使細胞質流出，流出的細胞質以及遺傳物質亦會被被氧化分解為H2O和CO2，最終導致微生物的徹底死亡，抑制了微生物的光復活現象，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。
[0012]針對不同的進水水質情況以及水質排放標準，在光催化水處理設備中，紫外燈管數量可根據實際處理需求進行增加，此外多個光催化水處理反應器還可根據實際情況采用串聯或者并聯方式組合成一個整體使用。
[0013]本發明的有益效果:無消毒副產物，不產生二次污染;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活現象，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；和傳統紫外消毒器相比，實現同等消毒效果需要更低的紫外輻照劑量，節省電能和紫外燈管的損耗。該種流動式光催化水處理設備具有潛在的實際應用價值，而且對于探索光催化技術在水處理領域的實際應用途徑具有指導意義。
【附圖說明】
[0014]圖1為光催化水處理設備的工藝流程圖。
[0015]圖2為雙螺旋載體/圓柱式光催化反應器結構示意圖。
[0016]圖3為雙螺旋載體結構放大示意圖。
[0017]圖4為單螺旋載體/圓柱式光催化反應器結構示意圖。
[0018]圖5為單螺旋載體結構放大示意圖。
[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連續流光催化水處理設備;8溫度傳感器;9紫外傳感器；10反應器出水口 ； 11控制中心；12數顯屏；13紫外燈電源接口 ； 14硅膠墊圈；15紫外燈管；16石英套管；17圓柱式紫外反應器外殼；18數據傳輸線；19密封法蘭、卡扣或螺紋旋蓋;20反應器進水管;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]以下結合附圖和技術方案，進一步說明本發明的【具體實施方式】。
[0026]負載催化劑的螺旋式片狀結構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器的腔體進行密封處理。其中，光催化水處理反應器的外徑為25mm-2000_，針對不同的處理水質，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備的運行方式，針對單燈管光催化水處理設備中的螺旋式片狀結構載體光催化水處理設備，裝置運行流程如圖1所示，原水經控制閥流經進水栗，通過流量調節閥控制流量，之后經過渦輪流量計進入光催化水處理反應器進水口，流經光催化水處理設備后由出水口排出。靠近進水口的反應器腔體上端設置紫外線傳感器，出水口端設置溫度傳感器，監測到的參數輸入到控制中心由數顯屏顯示。
[0028]PLC控制系統采用西門子、施耐德或歐姆龍產品。含A/D和D/A模塊、總線監控板、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以及故障狀態，并且顯示在現場的人機界面液晶屏幕上。
[0029]系統通過人機界面、A/D和D/A模塊、總線監控板和PLC控制器配合，可以統計系統的整個工作時間、檢測系統電流、電壓、溫度、紫外燈光強，實現所有參數的監測及控制，包括開、關機紫外燈管狀態監測，紫外光強監測、燈管光強自動控制、燈管運行計時、累計處理水量監測、水溫監測以及紫外C透射率監測，以利于操作者監控紫外水處理系統的運行。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、故障狀態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構載體，這種結構的光催化水處理反應器主要由圓柱式反應器腔體，紫外燈及石英套管，螺旋狀結構載體組成。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。緊貼設備腔體內壁，嵌入螺旋式催化劑載體，載體邊緣設置密封墊圈。載體表面負載光催化劑，其可以接受紫外燈發出的垂直紫外光以及腔體內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，并且使水體發生擾動，充分接觸螺旋式片狀結構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干，預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備用。
[0035]C.溶膠掛膜:采用浸漬提拉的方法，將預處理過的鈦載體浸入T12溶膠中，設定提拉器的參數為: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，升至預設溫度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干，預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的圓筒反應器中，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，兩極之間設置絕緣層防止出現短路現象，絕緣層應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型場發射掃描電鏡觀察兩種方法負載的T12涂層的表面形態，透射電鏡可以直觀地了解這種納米顆粒的形貌、幾何形態和粒度分布等，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構。
[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本發明中的螺旋狀載體上的Ti02，T12涂層受激發后產生的空穴-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器、加入螺旋狀催化劑載體的紫外線反應器、以及加入螺旋狀載體燈管關閉的三種情況，實驗結果見圖8。可知，加入載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，循環通過流動式光催化反應器，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，實驗結果見圖9。可知該流動式光催化水處理設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的飲用水水質標準。證明通過循環進水或者反應器的串聯使用，該流動式光催化水處理設備對水中的痕量有機物同樣具備較好的去除能力。
【主權項】
1.一種連續流光催化水處理設備，其特征在于，該連續流光催化水處理設備的主體為圓柱式紫外反應器外殼，其上設有反應器出水口和紫外傳感器，紫外傳感器通過數據傳輸線將紫外強度導出至控制中心；圓柱式紫外反應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，另一端設有反應器進水管，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外邊緣粘貼有密封膠墊。2.根據權利要求1所述的連續流光催化水處理設備，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.根據權利要求1或2所述的連續流光催化水處理設備，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.根據權利要求1或2所述的連續流光催化水處理設備，其特征在于，所述的圓柱式紫外反應器外殼的外徑為25-2000_，根據處理水水質不同，其材質選自不銹鋼、陶瓷或PVC。5.根據權利要求3所述的連續流光催化水處理設備，其特征在于，所述的圓柱式紫外反應器外殼的外徑為25-2000_，根據處理水水質不同，其材質選自不銹鋼、陶瓷或PVC。6.根據權利要求1或2或5所述的連續流光催化水處理設備，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件選自金屬鈦、不銹鋼、陶瓷和PVC。7.根據權利要求3所述的連續流光催化水處理設備，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件選自金屬鈦、不銹鋼、陶瓷和PVC。8.根據權利要求4所述的連續流光催化水處理設備，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
【發明人】全燮, 王師, 于洪濤, 陳碩
【申請人】大連理工大學