專利名稱：光催化處理水的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水處理領(lǐng)域，特別涉及光催化處理水的裝置及方法。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，水資源受到日益嚴重的污染，清除水體中有毒有害化學物質(zhì)已成為環(huán)保領(lǐng)域中的重要工作。傳統(tǒng)的水污染治理方法存在著能耗大、二次污染及降解不完全等缺點，而光催化技術(shù)可為這些問題提供較好的解決手段。光催化技術(shù)在解決環(huán)境污染問題上，具有其它方法難以比擬的優(yōu)越性。以半導體為催化劑的光催化降解技術(shù)在常溫、常壓下就可進行，能夠徹底破壞有機污染物和無機污染物，并使之完全氧化為CO2、H2O等無害物質(zhì)，還可以將水體中的重金屬離子還原成單質(zhì)。光催化技術(shù)能夠凈化環(huán)境，避免二次污染，操作簡單，是一種理想的環(huán)境友好型治理技術(shù)。
所謂光催化技術(shù)，就是在一定波長光的照射下將半導體材料的價帶電子激發(fā)到導帶產(chǎn)生光生電子-空穴對，該光生電子-空穴對具有較強的氧化還原能力，可氧化水體中大部分有機污染物，能夠氧化半導體材料表面吸附的OH-、H2O分子，生成具有極強氧化能力的自由基活性物質(zhì)，可以將水中的微量有機物逐步氧化分解為CO2和H2O。在光的輻照下，基于這種氧化分解原理的技術(shù)稱為光催化技術(shù)。該項技術(shù)具有傳統(tǒng)水處理技術(shù)無法替代的先進性，無二次污染和廣泛的適用性，因此被認為是一種最有前途的水處理高新技術(shù)。在光和氧或水的存在下可降解幾乎所有的附著在半導體氧化物表面的各種有機物如氫化物、氮氧化物、硫化物、氯化物，所產(chǎn)生的電子可以還原重金屬離子，半導體光催化劑還具有除臭、防腐和殺菌等多方面的功能。在空氣和水的凈化尤其是在飲用水和室內(nèi)空氣的深度處理與殺菌等方面顯示出巨大的應用潛力。在光催化劑的應用上，一方面，為了提高激發(fā)態(tài)電子-空穴對的活性，從而提高催化活性，需要高的禁帶寬度，也就是需要吸收帶“蘭移”。另一方面為了提高陽光(熒光)的利用率，又要求吸收帶“紅移”。這一對矛盾，一直制約了半導體氧化物光催化性的活性增強，也是多年來不能實用的根本矛盾所在。但隨著納米科技的發(fā)展，半導體氧化物在納米尺度下禁帶寬度得到滿足，從根本解決了半導體氧化物催化劑活性增強的問題。納米光催化劑具有高比表面積和表面能，活性點多，其光催化活性高。
早期光催化劑的應用，主要是將粉體催化劑投入到欲處理的水溶液中進行污染治理，雖然這方面的工作已取得了一定的成效，但因其粉末很細，回收困難，造成催化劑浪費，并增加了治理成本，致使其在實際應用上有一定的困難。近年來，人們已將研究重點轉(zhuǎn)向制備高效率的半導體催化膜來取代其粉末，以解決固液分離問題。在催化劑的成膜(涂層)方面，要求其膜(涂層)具有一定的牢固性和保持較高的催化活性，這樣，才能達到良好的使用效果。在解決了成膜(涂層)問題后，光催化技術(shù)的應用主要就決定于相應的裝置和工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供光催化處理水的裝置，該裝置使用一種簡單的光催化反應槽，槽內(nèi)設(shè)有附載有光催化劑層的過流材料，同時設(shè)有光照射裝置，在光的照射下，欲處理的水流經(jīng)過槽內(nèi)的過流材料便使水得到了處理；達到低成本處理污水的目的，尤其是在類似飲用水的深度凈化與殺菌方面可達到不可替代的處理效果。
本發(fā)明的另一目的是提供利用本發(fā)明光催化處理水裝置處理水的方法。
本發(fā)明是利用高催化活性的半導體催化劑，并在優(yōu)選后的基材上制備了良好的催化劑涂層(其涂層具有一定的牢固性和保持較高的催化活性)基礎(chǔ)上，進行應用研究得到的光催化實用技術(shù)。
本發(fā)明的光催化處理水的裝置，包括光催化反應槽1、光照射裝置2、附載有光催化劑的過流材料3，其特征是在所述的光催化反應槽1中設(shè)有附載有光催化劑層的過流材料3，在光催化反應槽1的上方設(shè)有光照射裝置2，在光催化反應槽1的兩邊分別設(shè)有進水口4和出水口5。
所述的光催化劑是氧化鈦及其復合物或氧化鋅及其復合物等。
所述的光催化反應槽1是由薄鋼板焊接而成。
所述的過流材料3包括多孔陶瓷、金屬網(wǎng)(如鋼絲網(wǎng))、玻璃纖維束或纖維布等。
使用的過流材料3可以是規(guī)則形狀或非規(guī)則形狀，如長方體或園柱體等。形狀和擺放原則是使水流以穩(wěn)定且盡可能大的量流經(jīng)過流材料。過流材料3沉浸在反應槽內(nèi)的水體中，過流材料3的上表面的水流高度為0.2～1.0cm。
本發(fā)明的水處理裝置，其過流材料3所附載的光催化劑為半導體催化劑，半導體催化劑包括氧化鈦、摻雜有貴重金屬離子的氧化鈦、摻雜有陰離子的氧化鈦、氧化鈦的復合物、氧化鋅、氧化鋅復合物或硫化物等。
所述的金屬離子如鐵離子，所述的陰離子如氮元素，所述的硫化物如硫化鋅或硫化鎘等。
所使用的附載技術(shù)可以達到光催化劑涂層與基材結(jié)合牢固，并且該涂層能夠保持或提高其光催化活性。
本發(fā)明所述裝置處理水的方法是在光的照射下，欲處理的水流經(jīng)過槽內(nèi)的過流材料便使水得到了處理。
水處理裝置中的光照射裝置，所使用的光源為可見光的短波段和/或紫外光，較好的波長為紫外光，日光也有一定的作用。較好的光源波長范圍為320～400nm，其光照強度為30～180μW/cm2。該光照射裝置包括燈架，燈管和其控制器件。光照射裝置的光源與反應槽內(nèi)水面距離為3.0～8.0cm。燈架與反應槽設(shè)有卡口，容易接合，并能夠避免光線射出裝置外。
本發(fā)明的光催化反應槽1，作為一個單元，根據(jù)處理的水體的流量和處理深度，可進行并聯(lián)和串聯(lián)使用。當并聯(lián)使用時，需要配置配水槽和集水槽。水體可借助于自身重力或水泵動力流入進水管。出水靠重力自流。
本發(fā)明的裝置簡單，具有氧化分解有機污染物，還原重金屬離子，除臭，防腐，殺菌等多方面功能，尤其是在類似飲用水的深度凈化與殺菌方面可達到不可替代的處理效果。


圖1本發(fā)明的使用多孔陶瓷為過流材料處理水的裝置側(cè)視示意圖。
圖2本發(fā)明的使用不銹鋼網(wǎng)為過流材料處理水的裝置側(cè)視示意圖。
圖3本發(fā)明的使用玻璃纖維束為過流材料處理水的裝置側(cè)視示意圖。
圖4本發(fā)明的使用多孔陶瓷為過流材料處理水的裝置以并聯(lián)或串聯(lián)方式運行的反應槽側(cè)視示意圖。
圖5本發(fā)明的3個過流材料組件以并聯(lián)方式運行的反應槽俯視示意圖。
圖6本發(fā)明的3個過流材料組件以串聯(lián)方式運行的反應槽俯視示意圖。
附圖標記1.反應槽 2.光照射裝置3.過流材料 4.入水口5.出水口 6.配水槽7.配水口 8.集水口9.集水槽 10.水箱 11.潛水泵12.配水板13.隔流板14.集水板 15.過流口具體實施方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的描述，所列舉的實施例并非是限定性實施例。
實施例1先將潔凈的多孔陶瓷板制作成所需要的形狀，如長方體。成膜(如溶膠-凝膠浸涂成膜)后，稱為過流材料3，將數(shù)個過流材料3以等間距(陶瓷板的厚度等于空隙的厚度)豎向并垂至于水體的流等方向放置于38cm×9cm×2cm的反應槽1內(nèi)(參見附圖1)。在反應槽的上方，設(shè)有光照射裝置2，該裝置所使用的光源主波長為253.7nm的紫外燈，功率為25W，光強度為70μW/cm2。燈管下邊距離反應槽1內(nèi)的過流材料3的距離為7.0cm。將含有亞甲基藍濃度為5×10-3mmol/L的水溶液50L用潛水泵以8～10L/min的流量經(jīng)入水口4送入反應槽1中，調(diào)節(jié)出水流量控制水位高度，使整齊擺放的過流材料3的上表面之上均勻流過厚約0.5～1.0cm的水膜。欲處理的水體流經(jīng)過流材料3之后，于出水口5以自流的方式流回放有潛水泵的水箱。這樣，在紫外光的照射下，循環(huán)流經(jīng)反應槽60小時后，水體中的亞甲基藍的濃度降至為0.025×10-3mmol/L，有機物的去除率為99.5％。該裝置運行一個月，水箱內(nèi)無藻類生長，無任何異味。
實施例2將附載有光催化劑的鋼絲網(wǎng)(200目)裁剪成9cm×2cm網(wǎng)塊，豎向并垂直于水體流動方向緊密疊放在38cm×9cm×2cm的反應槽1中(見附圖2)。其它同實施例1。過流材料3在光照射裝置2的照射下，該裝置運行60小時后，水體中的亞甲基藍的濃度降至為0.107×10-3mmol/L，有機物的去除率為97.9％。該裝置運行一個月，水箱內(nèi)無藻類生長，無任何異味。
實施例3將附載有光催化劑的玻璃纖維依軸向順著水體的流動方向堆放在38cm×9cm×2cm的反應槽1中(見附圖3)。其它同實施例1。過流材料3在光照射裝置2的照射下，該裝置運行60小時后，水體中的亞甲基藍的濃度降至為0.084×10-3mmol/L，有機物的去除率為98.3％。該裝置運行一個月，水箱內(nèi)無藻類生長，無任何異味。
實施例4先將潔凈的多孔陶瓷板制作成所需要的形狀，如長方體。成膜(如溶膠-凝膠浸涂成膜)后，稱其為過流材料3。將過流材料3放置于38cm×9cm×2cm的反應槽1內(nèi)。在反應槽的上方，設(shè)有光照射裝置2，該裝置所使用的光源主波長為253.7nm的紫外燈，功率為25W，光強度為98μW/cm2。燈管下邊距離反應槽1內(nèi)的過流材料3的距離為7.0cm。為了提高處理能力，使用三個組件并聯(lián)安裝運行(見附圖4，附圖5)。將含有亞甲基藍濃度為5×10-3mmol/L的水溶液50L用潛水泵11以25～30L/min的流量送入配水槽6中，配水槽6中的水體在配水板12的分配下流經(jīng)配水口7進入反應槽1，過流材料3在光照射裝置2的照射下，欲處理的水體流經(jīng)過流材料3時進行催化反應，使水得到處理。調(diào)節(jié)水流量控制水位高度，使過流材料3的上表面之上均勻流過厚約0.5～1.0cm的水膜。反應后的水體在集水板14的導引下流經(jīng)集水口8進入集水槽9，再經(jīng)出水口5以自流的方式流回放有潛水泵11的水箱10中。這樣，在紫外光的照射下，循環(huán)流經(jīng)反應槽18小時后，水體中的亞甲基藍的濃度降至為0.022×10-3mmol/L，有機物的去除率為99.6％。該裝置運行期間，水箱內(nèi)無藻類生長，無任何異味。
實施例5先將潔凈的多孔陶瓷板制作成所需要的形狀，如長方體。成膜(如溶膠-凝膠浸涂成膜)后，稱其為過流材料3。將過流材料3放置于38cm×9cm×2cm的反應槽1內(nèi)。在反應槽1的上方，設(shè)有光照射裝置2，該裝置所使用的光源主波長為253.7nm的紫外燈，功率為25W，光強度為120μW/cm2。燈管下邊距離反應槽1內(nèi)的過流材料3的距離為7.0cm。為了提高水的處理深度，使用三個組件串聯(lián)安裝運行(見附圖4，附圖6)。將含有亞甲基藍濃度為5×10-3mmol/L的水溶液50L用潛水泵11以8～10L/min的流量將水體送入配水槽6中，配水槽6中的水體在配水板12的分配下流經(jīng)配水口7進入反應槽1，反應槽內(nèi)設(shè)有隔流板13和過流口15來引導水流方向。在光照射裝置2的照射下，欲處理的水體流經(jīng)過流材料3時進行催化反應，使水得到處理。調(diào)節(jié)水流量控制水位高度，使過流材料3的上表面之上均勻流過厚約0.5-1.0cm的水膜。反應后的水體在集水板14的導引下流經(jīng)集水口8進入集水槽9，再經(jīng)出水口5以自流的方式流回放有潛水泵11的水箱1。這樣，在紫外光的照射下，循環(huán)流經(jīng)反應槽18小時后，水體中的亞甲基藍的濃度降至為0.019×10-3mmol/L，有機物的去除率為99.6％。該裝置運行期間，水箱內(nèi)無藻類生長，無任何異味。
權(quán)利要求
1.一種光催化處理水的裝置，包括光催化反應槽(1)、光照射裝置(2)、附載有光催化劑的過流材料(3)，其特征是在所述的光催化反應槽(1)中設(shè)有附載有光催化劑層的過流材料(3)，在光催化反應槽(1)的上方設(shè)有光照射裝置(2)，在光催化反應槽(1)的兩邊分別設(shè)有進水口(4)和出水口(5)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是所述的過流材料包括多孔陶瓷、金屬網(wǎng)、玻璃纖維束或纖維布。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是所述的光催化劑包括氧化鈦、摻雜有金屬離子的氧化鈦、摻雜有陰離子的氧化鈦、氧化鈦的復合物、氧化鋅、氧化鋅復合物或硫化物。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征是所述的金屬離子是鐵離子，所述的陰離子是氮元素，所述的硫化物是硫化鋅或硫化鎘。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是所述的光催化反應槽(1)作為一個單元，可進行并聯(lián)或串聯(lián)。
6.一種利用權(quán)利要求1-5任意一項所述裝置處理水的方法，其特征是在光的照射下，欲處理的水流經(jīng)過槽內(nèi)的過流材料便使水得到了處理，其處理水的工藝條件是所使用的光源為紫外光，光源波長范圍為320～400nm，其光照強度為30～180μW/cm2。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征是所述的光照射裝置的光源與反應槽內(nèi)水面距離為3.0～8.0cm。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征是所述的過流材料沉浸在反應槽內(nèi)的水體中，過流材料的上表面的水流高度為0.2～1.0cm。
全文摘要
本發(fā)明屬于水處理領(lǐng)域，特別涉及一種光催化處理水裝置及方法。本發(fā)明的光催化處理水的裝置，包括光催化反應槽1、光照射裝置2、附載有光催化劑的過流材料3，其特征是在所述的光催化反應槽1中設(shè)有附載有光催化劑層的過流材料3，在光催化反應槽1的上方設(shè)有光照射裝置2，在光催化反應槽1的兩邊分別設(shè)有進水口4和出水口5。在光的照射下，欲處理的水流經(jīng)過槽內(nèi)的過流材料便使水得到了處理。本裝置簡單，具有氧化分解有機污染物，還原重金屬離子，除臭，防腐，殺菌等多方面功能，尤其是在類似飲用水的深度凈化與殺菌方面可達到不可替代的處理效果。
文檔編號C02F1/32GK1533987SQ0310903
公開日2004年10月6日 申請日期2003年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月2日
發(fā)明者楊青林, 江雷 申請人:中國科學院化學研究所