CN110407284A - 一种全天候可见光光催化废水降解装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于废水处理领域，特别是一种全天候可见光光催化降解废水装置。包括：支架：包括上表面；太阳能电池板：包括两部分，分别设置在支架上表面的两端；氙灯光源：为多个，均呈直管状，均匀的分布于支架上表面、两部分太阳能电池板之间；盘管：数量与氙灯光源数量相同，为透明管，且呈螺旋状缠绕在氙灯光源外周，多个盘管之间通过PVC直管相连，多个盘管一端为进水口，一端为出水口；蓄水槽：与盘管的出水口相连，用于蓄水以及回收光催化剂；溶气泵。本发明的装置，通过氙灯光源和太阳光照，实现了连续性、全天候的废水降解；本发明通过溶气泵和使用其负载物为凹凸棒土，硅藻土等密度较小，比表面积较大的材料，可实现催化剂的回收再利用。
Description
技术领域
本发明属于废水处理领域，特别是一种全天候可见光光催化降解废水装置。
背景技术
随着医疗水平的普遍提升和人们护理意识的逐渐增强，一大类新型环境污染物——医药品和个人护理品(Pharmaceuticals and Personal Care Products,PPCPs)开始得到科学界和公众的大力关注，PPCPs是一类非常庞大的化合物体系，它们和人类的日常生活紧密相关，包括各种处方药、非处方药和生物制剂(如抗生素，消炎药，类固醇、镇静剂等)、显影剂、防腐剂、护肤品、洗护用品、肥皂、牙膏等人类生活的必需品。由于我国人口众多、市场庞大，PPCPs生产量、消费量及出口量均十分巨大，导致我国PPCPs的污染问题尤其严重。尽管PPCPs的半衰期比较短，但具有较强的稳定性、生物活性、生物累积性。大多数PPCPs会在低浓度时与不同受体结合、反应，产生各种不可预知的生态毒性，并且这种影响会随着环境中PPCPs的逐渐增多而被不断放大，进而可能对人类、动植物和生态系统造成难以预料的危害。
光催化法降解有机污染物是一种新兴的处理废水方法，利用太阳光和光催化剂实现对有机物的高效降解，该方法污染小，节约能源，有很好的应用前景。目前限制光催化法降解废水实际应用的限制主要存在两点：(1)光催化剂存在可见光利用率低，水体分散性差，可回收困难等缺陷，(2)缺少合适的连续性光催化降解废水装置。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种全天候可见光光催化降解废水装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种全天候可见光光催化废水降解装置，包括：
支架：包括上表面；
太阳能电池板：包括两部分，分别设置在支架上表面的两端；
氙灯光源：为多个，均呈直管状，均匀的分布于支架上表面、两部分太阳能电池板之间；
盘管：数量与氙灯光源数量相同，为透明管，且呈螺旋状缠绕在氙灯光源外周，多个盘管之间通过PVC直管相连，多个盘管一端为进水口，一端为出水口；
蓄水槽：与盘管的出水口相连，用于蓄水以及回收光催化剂；
溶气泵：用于产生溶气水。
进一步的，所述支架的横截面为直角三角形，所述上表面为直角对应的边。
进一步的，所述盘管的进水口位于支架下端，所述出水口位于支架上端。
进一步的，所述盘管为PVC材质，所述氙灯光源为石英管或玻璃管，所述支架为不锈钢。
进一步的，所述装置多台串联使用。
一种利用上述的装置降解废水的方法，包括如下步骤：
步骤(1)：合成负载型TiO2催化剂；
步骤(2)：将步骤(1)合成的催化剂和废水从盘管进水口泵入盘管，经过太阳光或氙灯光源的光照，盘管内的废水被降解，并流入蓄水槽；
步骤(3)：在蓄水槽中取样，进行降解率计算；
步骤(4)：开启溶气泵，将溶气泵产生的溶气水和蓄水槽中含催化剂的已降解废水，从进水口再次泵入盘管，催化剂与气泡结合，产生气浮效果，水体进入蓄水槽后，清水从蓄水槽下方流出，而催化剂被气浮至水槽表面，实现催化剂的回收。
进一步的，所述负载型TiO2催化剂的负载物为凹凸棒土，硅藻土。
进一步的，所述步骤(1)合成负载于凹凸棒土的TiO2催化剂的制备方法如下：
步骤(1-1)：称取氯化铁溶于无水乙醇中，使用超声仪使氯化铁溶解并分散均匀，溶液澄清，得到氯化铁醇溶液；
步骤(1-2)：量取钛酸四丁酯和无水乙醇到另一个烧杯中，得到钛酸四丁酯醇溶液；
步骤(1-3)：量取正硅酸乙酯和无水乙醇到第三个烧杯中，得到正硅酸乙酯醇溶液；
步骤(1-4)：将氯化铁醇溶液和正硅酸乙酯醇溶液边搅拌边滴加到钛酸四丁酯醇溶液中，将混合醇溶液搅拌均匀，然后在搅拌情况下向混合醇溶液中缓慢滴加18.50mL含有冰醋酸的蒸馏水，得到混合溶液；
步骤(1-5)：滴加完毕后，将混合溶液与活化后的凹凸棒土共同转移到反应釜中，将反应釜放入干燥箱中，在50-100℃下，反应10-15h；
步骤(1-6)：将所得产物用去离子水和无水乙醇清洗，直到溶液中无氯离子，将清洗过后的产物放于瓷坩埚中，放于马弗炉中煅烧，以1-3℃/min的升温速度加热到450-500℃，并在450-500℃下保持3-5h，最后将煅烧过得产物研磨充分，得到负载于凹凸棒土的铁硅共掺杂的TiO2催化剂。
进一步的，所述步骤(3)降解率计算利用紫外光谱检测，通过降解率Dr计算公式：
Dr＝(C0-C)/C0*100％
其中C0、C为甲硝唑废水原液与降解后取样液的浓度。
本发明与现有技术相比，其显著优点如下：
(1)本发明的废水降解装置，通过氙灯光源和太阳光照，实现了连续性、全天候的废水降解，对于PPCPs类痕量污染废水降解效果最为明显。
(2)本发明的废水降解装置，且可单独使用，亦可多台联用，多台串联使用能大幅度提高对降解度的要求。
(3)本发明的废水降解装置和方法，通过溶气泵和使用其负载物为凹凸棒土，硅藻土等密度较小，比表面积较大的材料，可实现催化剂的回收再利用，避免造成二次污染。
(4)本发明将光催化降解废水处理与催化剂回收相结合，更加节约能源；本发明占地面积小，水力停留时间高，适合用于实验室研究和养殖业废水处理。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为全天候可见光光催化降解废水装置结构示意图。
图2为本发明所使用负载型可见光响应TiO2光催化剂扫描电镜图；其中图(a)为铁硅共掺杂二氧化钛；(b)为纯化后的凹凸棒土；(c)为负载于凹凸棒土的铁硅共掺杂二氧化钛，200nm；(d)负载于凹凸棒土的铁硅共掺杂二氧化钛，100nm。
图3为本发明在可见光光照下，对甲硝唑废水的降解动力学曲线图。
附图标记说明：
1-太阳能电池板，2-氙灯光源，3-盘管，4-PVC直管，5-支架；6-蓄水槽。
具体实施方式
一种全天候可见光光催化降解废水装置，包括，太阳能电池板单元，螺旋透明盘管单元，直管氙灯光源单元，蓄水槽单元，溶气气浮单元以及支架单元；
所述太阳能电池板单元位于支架5左右两侧，用于将太阳能转为电能储存；
所述透明螺旋盘管单元平均分布于支架5中部斜板，盘管3之间由直管连接，用于保证光催化剂与废水污染物的充分接触；
所述直管氙灯光源位于螺旋盘管中间，结合太阳能电池板单元用于阴雨天气提供可见光照射；
所述蓄水槽6单元位于支架后方，用于蓄水以及回收光催化剂；
所述溶气气浮单元位于支架下方，用于提供溶气水，絮凝气浮回收催化剂。
所述全天候可见光光催化降解废水装置的进水口为左侧透明盘管底部，出水口为右侧透明盘管与蓄水槽6连接处；
所述全天候可见光光催化降解废水装置，处理过程中，光催化剂与待降解废水同时进入降解装置；
所述全天候可见光光催化降解废水装置，所使用光催化剂为改性后具备良好可见光响应的负载型TiO2催化剂；
所述的全天候可见光光催化降解废水装置为连续性降解处理废水装置，可单独使用，也可多台联用；
所述全天候可见光光催化降解废水装置，其透明螺旋盘管为PVC材质透明软管，氙灯光源为石英管或玻璃管，支架5为不锈钢材质；
所述的改性后具备良好可见光响应的负载型TiO2催化剂，其负载物为凹凸棒土，硅藻土等密度较小，比表面积较大，污染小的材料；
所述全天候可见光光催化降解废水装置的应用，用于PPCPs类痕量浓度污染废水的净化处理，尤其抗生素类废水。
所述全天候可见光光催化降解废水装置的作用原理为：通过合成具备良好可见光响应的负载型TiO2催化剂，与待降解废水同时泵入透明螺旋盘管，经过太阳光照或氙灯光照完成废水中有机污染物的高效降解，螺旋盘管用于保证光催化剂与污染物的充分接触以及提高水力停留时间；通过溶气气浮单元，可实现负载型催化剂的气浮回收再利用，由于螺旋盘管具有较高的水力停留时间，也有一定的湍流强度，可以保证溶气水与负载催化剂的混合气浮，从而保证催化剂的回收再利用；其中蓄水槽1中可培育水生植物，用于污染物降解后的无机盐类吸收。
在本发明实施例中，透明PVC软管③内径为10cm，长度为20m，氙灯灯管②内径为15cm，直管长度为6m，水体流速为280L/h。
实施例1
1.利用氯化铁、钛酸四丁酯、正硅酸乙酯、凹凸棒土等药品合成负载于凹凸棒土的铁硅共掺杂二氧化钛纳米催化剂，具体合成方法如下：1)称取4.70g氯化铁溶于装有18.0mL无水乙醇的烧杯中，使用超声仪使氯化铁溶解并分散均匀，溶液澄清，此烧杯记作A，2)量筒量取20.4mL的钛酸四丁酯和5.0mL的无水乙醇到另一个烧杯中，记作B，3)量筒量取5.0ml的正硅酸乙酯和5.0ml的无水乙醇到第三个烧杯中，记作C，4)将氯化铁醇溶液和正硅酸乙酯醇溶液边搅拌边滴加到烧杯B中，将混合醇溶液搅拌均匀，然后在搅拌情况下向混合醇溶液中缓慢滴加18.50mL含有少量冰醋酸的蒸馏水。滴加完毕后，将烧杯B中溶液与4.8g活化后的凹凸棒土共同转移到100mL的反应釜中，将反应釜放入干燥箱中，在80℃下，反应12h，然后将所得产物用去离子水和无水乙醇清洗，直到溶液中无氯离子，将清洗过后的产物放于瓷坩埚中，放于马弗炉中煅烧，以1℃/min的升温速度加热到480℃，并在480℃下保持4h，最后将煅烧过得产物研磨充分，得到负载于凹凸棒土的铁硅共掺杂的TiO2催化剂。
其扫描电镜图见附图2，该催化剂具有良好的可见光响应，光催化活性强，水中分散性良好等特点。
2.将所合成光催化剂与抗生素(示例中采用甲硝唑)废水同时从装置左部底测泵入透明盘管2中，经过太阳光照或氙灯3光照，甲硝唑废水被降解，在蓄水槽6中取样测试。
3.利用紫外光谱检测蓄水池⑥中降解后的甲硝唑废水，通过降解率(Dr)计算公式：
Dr＝(C0-C)/C0*100％
其中C0、C为甲硝唑废水原液与降解后取样液的浓度，其降解曲线如附图3所示，可以发现，甲硝唑废水经过光催化降解废水装置后具有较高的降解率。其降解率为90％。
4.将蓄水池6中含光催化剂的已降解废水(含催化剂)再次泵入盘管中，同时启动溶气气浮单元(即开启溶气泵)，含催化剂的水体与溶气水共同经过螺旋盘管3，在合适的流速下，催化剂与气泡结合，产生气浮效果，水体进入蓄水槽6后，清水从蓄水槽6下方流出，而催化剂被气浮至水槽表面，催化剂即可回收，催化剂回收率可达到94％。
上述结果表明全天候可见光光催化降解废水装置具有良好的应用效果，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种全天候可见光光催化废水降解装置，其特征在于，包括：
支架(5)：包括上表面；
太阳能电池板(1)：包括两部分，分别设置在支架(5)上表面的两端；
氙灯光源(2)：为多个，均呈直管状，均匀的分布于支架(5)上表面、两部分太阳能电池板(1)之间；
盘管(3)：数量与氙灯光源(2)数量相同，为透明管，且呈螺旋状缠绕在氙灯光源(2)外周，多个盘管(3)之间通过PVC直管(4)相连，多个盘管(3)一端为进水口，一端为出水口；
蓄水槽(6)：与盘管(3)的出水口相连，用于蓄水以及回收光催化剂；
溶气泵：用于产生溶气水。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支架(5)的横截面为直角三角形，所述上表面为直角对应的边。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述盘管的进水口位于支架(5)下端，所述出水口位于支架(5)上端。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述盘管(3)为PVC材质，所述氙灯光源(2)为石英管或玻璃管，所述支架(5)为不锈钢。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置多台串联使用。
6.一种利用权利要求1-5任一项所述的装置降解废水的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：合成负载型TiO2催化剂；
步骤(2)：将步骤(1)合成的催化剂和废水从盘管(3)进水口泵入盘管(3)，经过太阳光或氙灯光源(2)的光照，盘管(3)内的废水被降解，并流入蓄水槽(6)；
步骤(3)：在蓄水槽(6)中取样，进行降解率计算；
步骤(4)：开启溶气泵，将溶气泵产生的溶气水和蓄水槽(6)中含催化剂的已降解废水，从进水口再次泵入盘管(3)，催化剂与气泡结合，产生气浮效果，水体进入蓄水槽(6)后，清水从蓄水槽(6)下方流出，而催化剂被气浮至水槽表面，实现催化剂的回收。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述负载型TiO2催化剂的负载物为凹凸棒土，硅藻土。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)合成负载于凹凸棒土的TiO2催化剂的制备方法如下：
步骤(1-1)：称取氯化铁溶于无水乙醇中，使用超声仪使氯化铁溶解并分散均匀，溶液澄清，得到氯化铁醇溶液；
步骤(1-2)：量取钛酸四丁酯和无水乙醇到另一个烧杯中，得到钛酸四丁酯醇溶液；
步骤(1-3)：量取正硅酸乙酯和无水乙醇到第三个烧杯中，得到正硅酸乙酯醇溶液；
步骤(1-4)：将氯化铁醇溶液和正硅酸乙酯醇溶液边搅拌边滴加到钛酸四丁酯醇溶液中，将混合醇溶液搅拌均匀，然后在搅拌情况下向混合醇溶液中缓慢滴加18.50mL含有冰醋酸的蒸馏水，得到混合溶液；
步骤(1-5)：滴加完毕后，将混合溶液与活化后的凹凸棒土共同转移到反应釜中，将反应釜放入干燥箱中，在50-100℃下，反应10-15h；
步骤(1-6)：将所得产物用去离子水和无水乙醇清洗，直到溶液中无氯离子，将清洗过后的产物放于瓷坩埚中，放于马弗炉中煅烧，以1-3℃/min的升温速度加热到450-500℃，并在450-500℃下保持3-5h，最后将煅烧过得产物研磨充分，得到负载于凹凸棒土的铁硅共掺杂的TiO2催化剂。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)降解率计算利用紫外光谱检测，通过降解率Dr计算公式：
Dr＝(C0-C)/C0*100％
其中C0、C为甲硝唑废水原液与降解后取样液的浓度。
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