一種基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置，是由設置有進水口及出水口的反應容器和位于其中的光催化單元組成，其中所述光催化單元由硅膠層、石英套管、帶電源接頭的紫外燈、和固定于硅膠層上呈放射狀排列的光導纖維基復合催化單元組成，該光催化單元相互平行以陣列形式排列于反應容器的中部方便與水充分接觸且與水流方向垂直，其帶電源接頭端固定于反應容器的體壁上并與外界電源相連接。本發明的裝置能利用光導纖維的光波導和纖維與二氧化鈦納米棒陣列之間的光的耦合，在氧化鈦納米棒內部實現內通光光催化，并利用紫外燈管陣列實現三維光催化，實現了對污水的連續光催化處理，效果明顯，應用前景廣闊。
【專利說明】
一種基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置
技術領域
[0001]本發明涉及一種光催化污水處理裝置，尤其涉及一種基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置，屬于污水處理裝置技術領域。
【背景技術】
[0002]光催化是利用半導體材料在光的作用下，產生電子和空穴后，在水中生產的羥基自由基和超氧自由基對有機污染物的強氧化作用，實現對水中有機物的降解作用。由于光催化降解作用可以實現對有機物的完全礦化，可以用于污水深度處理。
[0003]以二氧化鈦為代表的光催化材料已經問世三十多年，但目前為止，光催化降解在污水處理過程中仍然難以實用化。原因是:常見的光催化劑都是顆粒狀，光催化降解過程一般是將光催化劑粉末放入污水中，進行紫外照射，光只在半導體催化劑表面發生光催化作用，實現對有機物的降解后，再將催化劑過濾取出，進行重復利用。這種光催化污水處理方法的缺點之一是這種批次式處理方式，時間長，效率低下，無法進行自動化生產;缺點之二是，這種光催化是利用光在水中的傳播照射到光催化劑上，由于光催化劑穿透的厚度有限，所以，當光催化設備提高，盡管紫外燈功率加大，也難以照射到更遠的位置，催化效率與實驗室相比，會差很多；其三是，在污水處理過程中，催化劑容易被顆粒物污染，導致光無法照射到光催化劑表面，從而使光催化劑失效。為了解決顆粒狀半導體光催化劑所必須采取的批次方式帶來的缺點，人們將光催化劑組裝到各種不同的材料表面，制備復合光催化劑，從而實現連續光催化。比如，將二氧化鈦納米顆粒粘結到玻璃表面，制成平流式光催化裝置，但因為這種光催化裝置，只有表面一層光催化劑起作用，水處理也只是發生在表面，所以，光催化效率很低;也有將顆粒狀光催化劑組裝到多孔玻璃，玻璃纖維、碳纖維表面，在紫外燈的照射下，實現一邊過濾一邊催化。這種模式盡管可以實現過濾催化，但由于光仍然是從材料的表面照射，所以，仍然難以穿透更深的材料，實現立體光催化，材料內部組裝的催化劑無法起到作用，效率仍然無法提高。另外，這種方法組裝的光催化劑，仍然是在復合材料的表面，污染問題無法解決。經檢索，有關利用紫外燈陣列和玻璃纖維-氧化鈦復合纖維構建的基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置還未見報道。

【發明內容】

[0004]針對目前光催化劑和光催化裝置存在的不足，本發明要解決的問題是提供一種基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置。
[0005]本發明的主要技術方案是在透明纖維表面構建二氧化鈦納米結構陣列，形成二氧化鈦-透明纖維光復合催化材料，并將這種材料的纖維端部粘結到紫外燈石英玻璃管表面，利用透明纖維的光波導和纖維與二氧化鈦納米棒陣列之間的光的耦合，在氧化鈦納米棒內部實現內通光光催化，利用紫外燈管陣列實現三維光催化，得到一種基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置，實現對污水連續光催化處理。
[0006]本發明所述的基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置由設置有進水口及出水口的反應容器和位于其中的光催化單元組成；其特征在于:所述反應容器是由不銹鋼、玻璃或陶瓷制成的任意形狀的且帶有進水口和出水口的容器;所述光催化單元由硅膠層、石英套管、帶電源接頭的紫外燈、和固定于硅膠層上呈放射狀排列的光導纖維基復合催化單元組成，其中所述石英套管內放置紫外燈，石英套管外是固定光導纖維基復合催化單元末端的硅膠層，該光催化單元相互平行以陣列形式排列于反應容器的中部方便與水充分接觸且與水流方向垂直，其帶電源接頭端固定于反應容器的體壁上并與外界電源相連接;其中所述的光導纖維基復合催化單元是以光導纖維為基底，利用化學法在上面原位生長負載二氧化鈦納米結構而制得。
[0007]其中，上述的基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置中，所述反應容器的形狀優選是長方體狀或圓桶狀，進水口在反應容器的前端或上部設置，出水口在反應容器的后端或下部設置；上述光催化單元相互平行以陣列形式排列于反應容器的中部，其可以根據反應容器空間任意多排排列，以不影響容器中的水流運動為原則;上述帶電源接頭的紫外燈優選是5-50瓦的汞蒸氣燈管或者金屬鹵化物燈管;上述光導纖維優選是直徑為5-300微米的、單股或多股玻璃長纖維、石英纖維、聚乳酸纖維或者透明尼龍細絲;上述二氧化鈦納米結構優選為納米棒、納米片或者納米線。
[0008]上述的基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置中:所述光導纖維基復合催化單元的制備方法優選是:
[0009](I)將總量為0.2-1.0克二氯二茂鈦(C1QH1QCl2Ti)加入40毫升體積比例為1:5-5:1的去離子水與二甘醇混合溶液中，混勻即得到鈦源前驅體溶液；
[0010](2)將制得的鈦源前驅體溶液轉移到容積為50毫升的反應釜中，將20克直徑為5-300微米的光導纖維束一端扎緊放入中反應釜中，然后在120-220°C下水熱反應5-50小時，自然冷卻，取出后，用去離子水沖洗，在80°C烘箱中烘干2小時，即得到光導纖維基復合催化單元。
[0011]其中:所述水熱反應的溫度優選為150-200°c，所述水熱反應的時間優選為25-50小時。
[0012]本發明所述的基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置的構建。
[0013](I)利用上述化學法制得光導纖維基復合催化單元；
[0014](2)將制得光導纖維基復合催化單元的一端用透明硅膠粘結固定在石英玻璃套管表面，使其形成呈放射狀排列的光導纖維基復合催化單元陣列層，石英套管外形成固定光導纖維基復合催化單元末端的硅膠層；
[0015](3)將帶電源接頭的紫外燈放置到石英玻璃套管中，形成光催化紫外燈器件；
[0016](4)將光催化紫外燈器件以并聯形式與電源連接，即制得光催化單元；
[0017](5)將光催化單元相互平行以陣列形式排列于反應容器的中部方便與水充分接觸且與水流方向垂直，其帶電源接頭端固定于反應容器的體壁上并與外界電源相連接，打開紫外燈電源，連續注入污水，即可實現連續立體光催化污水處理。
[0018]本發明公開了一種基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置，其實施具有如下突出效果:
[0019]①光催化過程在紫外燈陣列表面進行，可以實現整個容器內的三維立體催化，催化效率高；
[0020]②本發明的紫外燈陣列光催化裝置，在反應容器兩端裝有進水口和出水口，可以實現過濾式連續光催化，大大提高水處理效率和自動化水平；
[0021]③紫外燈管發出的紫外光透過套管直接進入表面粘結有T12的光導纖維，進入纖維側面的T12納米結構光催化劑實現光催化。通過光導纖維傳輸的紫外光，傳輸距離長，消除了懸浮催化劑體系中光的傳播距離受到催化劑散射影響導致傳輸距離小，效率低下的缺占.V ，
[0022]④經過光導纖維進入二氧化鈦納米結構實現的光催化，光-電響應發生在二氧化鈦內部，而光催化反應發生在二氧化鈦表面，從而實現內通過光催化。這種光催化與普通的表面感光光催化相比，光催化劑的表面污染不會影響到催化劑的光電響應，具有很好的抗污染效果。
[0023]綜上，本發明公開的基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置是一種高效的、過濾式、抗污染連續光催化裝置，其制備成本低，水處理效果優良，抗污染、使用壽命長、簡單可行，適合工業廢水深度處理，具有巨大的應用前景。
【附圖說明】
[0024]圖1:本發明所述基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置結構示意圖。
[0025]其中:1.光催化單元;2.反應容器;3.進水口；4.出水口。
[0026I圖2:光催化單元結構示意圖。
[0027]其中:5.硅膠層;6.石英套管;7.帶電源接頭的紫外燈;8.光導纖維基復合催化單
J L ο
[0028]圖3:光導纖維基復合催化單元結構示意圖。
[0029]其中:9.光導纖維；10.二氧化鈦納米結構。
[0030]圖4:實施例1中制得的光導纖維基復合催化單元掃描電鏡照片。
[0031]其中:左為石英纖維束斷面，右為二氧化鈦納米棒。
【具體實施方式】
[0032]實施例1:
[0033]1.將總量為1.0克二氯二茂鈦(C1OH1QCl2Ti)加入40毫升比例為5:1的去離子水與二甘醇混合溶液中，得到鈦源前驅體溶液；
[0034]2.將上述鈦源前驅體溶液轉移到容積為50毫升的反應釜中，將直徑為5微米的透明石英纖維束20克，將一端扎緊放入反應釜中，在220°C下水熱27.5小時。自然冷卻，取出后，用去離子水沖洗，在80°C烘箱中烘干2小時，得到光導纖維基復合催化單元，其掃描電鏡照片如圖4所示，此光導纖維基復合催化單元的結構示意圖如3所示，此結構是以光導纖維為基底，利用水熱法在上面原位生長負載二氧化鈦納米結構而獲得。
[0035]3.將得到的光導纖維基復合催化單元的一端用透明硅膠粘結固定在石英玻璃套管表面，使其形成呈放射狀排列的光導纖維基復合催化單元陣列層，石英套管外形成固定光導纖維基復合催化單元末端的硅膠層;并將帶電源的5W的紫外燈管放置到石英玻璃套管中，形成光催化紫外燈器件;將光催化紫外燈器件以并聯形式與電源連接，即制得如圖2所示的光催化單元；
[0036]4.取16根制得的光催化單元相互平行以陣列形式置入500升帶有進水口和出水口的長方形反應容器的中部方便與水充分接觸且與水流方向垂直，其帶電源接頭端固定于反應容器的體壁上并與外界電源相連接，即形成如圖1所示的基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置；
[0037]具體結構是:所述裝置由設置有進水口3及出水口 4的反應容器2和位于其中的光催化單元I組成；其特征在于:所述反應容器是由不銹鋼、玻璃或陶瓷制成的任意形狀的且帶有進水口和出水口的容器;所述光催化單元由硅膠層5、石英套管6、帶電源接頭的紫外燈
7、和固定于硅膠層上呈放射狀排列的光導纖維基復合催化單元8組成，其中所述石英套管內放置紫外燈，石英套管外是固定光導纖維基復合催化單元末端的硅膠層，該光催化單元相互平行以陣列形式排列于反應容器的中部方便與水充分接觸且與水流方向垂直，其帶電源接頭端固定于反應容器的體壁上并與外界電源相連接;其中所述的光導纖維基復合催化單元是以光導纖維9為基底，利用水熱法在上面原位生長負載二氧化鈦納米結構10而制得；
[0038]5.打開紫外燈電源，連續注入污水，即可實現連續立體光催化污水處理。
[0039]6.裝置效果:將COD為300mg/L的造紙廢水以每小時0.5噸的流速注入反應器中，出水口測得的廢水COD值為40mg/L。
[0040]實施例2:
[0041 ] 1.將總量為0.2克二氯二茂鈦(C1OH1QCl2Ti)加入40毫升比例為1:5的去離子水與二甘醇混合溶液中，得到鈦源前驅體溶液；
[0042]2.將上述鈦源前驅體溶液轉移到容積為50毫升的反應釜中，將直徑為300微米的透明尼龍纖維束20克，將一端扎緊放入反應釜中，在170°C下水熱5小時。自然冷卻，取出后，用去離子水沖洗，在80°C烘箱中烘干2小時，得到光導纖維基復合催化單元。
[0043]3.將步驟2得到的光導纖維基復合催化單元的一端用透明硅膠粘結在石英玻璃套管表面，形成一層光催化復合纖維陣列，并將帶電源的50W的紫外燈管放入石英套管內部，形成如圖2所示的光催化單元；
[0044]4.將步驟3得到的60根光催化單元以陣列排列方式置入裝有入水口和出水口的容積為5000升的長方形反應容器中，形成圖1所示的基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置。打開紫外燈電源，連續注入污水，實現連續光催化。
[0045]5.裝置效果:將COD為300mg/L的造紙廢水以每小時2.5噸的流速注入反應器中，出水口測得的廢水COD值為65mg/L。
[0046]實施例3:
[0047]1.將總量為0.6克二氯二茂鈦(C1QH1QCl2Ti)加入40毫升比例為1:1的去離子水與二甘醇混合溶液中，得到鈦源前驅體溶液；
[0048]2.將上述鈦源前驅體溶液轉移到容積為50毫升的反應釜中，將直徑為150微米的玻璃長纖維束20克，將一端扎緊放入反應釜中，在120 °C下水熱50小時。自然冷卻，取出后，用去離子水沖洗，在80°C烘箱中烘干2小時，得到光導纖維基復合催化單元。
[0049]3.將步驟2得到的光導纖維基復合催化單元的一端用透明硅膠粘結在石英玻璃套管表面，形成一層光催化復合纖維陣列，并將帶電源的30W的紫外燈管放入石英套管內部，形成如圖2所示的光催化單元；
[0050]4.將步驟3得到的30根光催化單元以陣列排列方式置入裝有入水口和出水口的容積為2500升的長方形反應容器中，形成圖1所示的基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置。打開紫外燈電源，連續注入污水，實現連續光催化。
[0051 ] 5.裝置效果:將COD為300mg/L的造紙廢水以每小時1.5噸的流速注入反應器中，出水口測得的廢水COD值為50mg/L。
[0052]實施例4:
[0053](I)利用實施例1所述水熱法制得光導纖維基復合催化單元；
[0054](2)將制得光導纖維基復合催化單元的一端用透明硅膠粘結固定在石英玻璃套管表面，使其形成呈放射狀排列的光導纖維基復合催化單元陣列層，石英套管外形成固定光導纖維基復合催化單元末端的硅膠層;如圖3所示；
[0055](3)將27.5W的帶電源接頭的紫外燈放置到石英玻璃套管中，形成光催化紫外燈器件；
[0056](4)將光催化紫外燈器件以并聯形式與電源連接，即制得光催化單元；
[0057](5)將33根光催化單元相互平行以陣列形式排列于反應容器的中部方便與水充分接觸且與水流方向垂直，其帶電源接頭端固定于2750升的反應容器的體壁上并與外界電源相連接，打開紫外燈電源，連續注入污水，即可實現連續立體光催化污水處理。
[0058]裝置效果:將COD為300mg/L的造紙廢水以每小時1.5噸的流速注入反應器中，出水口測得的廢水COD值為48mg/L。
【主權項】
1.一種基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置，所述裝置由設置有進水口(3)及出水口(4)的反應容器(2)和位于其中的光催化單元(I)組成;其特征在于:所述反應容器是由不銹鋼、玻璃或陶瓷制成的任意形狀的且帶有進水口和出水口的容器;所述光催化單元由硅膠層(5)、石英套管(6)、帶電源接頭的紫外燈(7)、和固定于硅膠層上呈放射狀排列的光導纖維基復合催化單元(8)組成，其中所述石英套管內放置紫外燈，石英套管外是固定光導纖維基復合催化單元末端的硅膠層，該光催化單元相互平行以陣列形式排列于反應容器的中部方便與水充分接觸且與水流方向垂直，其帶電源接頭端固定于反應容器的體壁上并與外界電源相連接;其中所述的光導纖維基復合催化單元是以光導纖維(9)為基底，利用化學法在上面原位生長負載二氧化鈦納米結構(10)而制得。2.根據權利要求1所述的基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置，其特征在于:所述反應容器的形狀是長方體狀或圓桶狀。3.根據權利要求1所述的基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置，其特征在于:所述帶電源接頭的紫外燈是5-50瓦的汞蒸氣燈管或者金屬鹵化物燈管。4.根據權利要求1所述的基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置，其特征在于:所述光導纖維是直徑為5-300微米的、單股或多股玻璃長纖維、石英纖維、聚乳酸纖維或者透明尼龍細絲。5.根據權利要求1所述的基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置，其特征在于:所述二氧化鈦納米結構為納米棒、納米片或者納米線。6.根據權利要求1所述的基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置，其特征在于:所述光導纖維基復合催化單元的制備方法是: (1)將總量為0.2-1.0克二氯二茂鈦(C1QH1QCl2Ti)加入40毫升體積比例為1:5_5:1的去離子水與二甘醇混合溶液中，混勻即得到鈦源前驅體溶液； (2)將制得的鈦源前驅體溶液轉移到容積為50毫升的反應釜中，將20克直徑為5-300微米的光導纖維束一端扎緊放入中反應釜中，然后在120-220°C下水熱反應5-50小時，自然冷卻，取出后，用去離子水沖洗，在80°C烘箱中烘干2小時，即得到光導纖維基復合催化單元。7.根據權利要求6所述的基于紫外燈陣列的抗污染連續立體光催化污水處理裝置，其特征在于:所述水熱反應的溫度為150-200°C，所述水熱反應的時間為25-50小時。
【文檔編號】C02F1/72GK106006831SQ201610498666
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月29日
【發明人】劉宏, 劉百山, 劉志賀, 張小飛, 桑元華
【申請人】山東大學, 嘉興瑞奕環保科技有限公司