專利名稱：基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)機(jī)理的水處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于有機(jī)污染物廢水處理領(lǐng)域，特別是一種基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)機(jī)理的水處理裝置。
背景技術(shù)：
有關(guān)二氧化鈦光催化技術(shù)的研究已近40年，且?guī)啄甑玫搅碎L(zhǎng)足的發(fā)展。與該技術(shù)的領(lǐng)先國(guó)家相比，我國(guó)在納米二氧化鈦的加工與應(yīng)用方面還存在不小的差距。但我國(guó)的鈦資源豐富，居全球之首，其儲(chǔ)量占全球的45%，而納米二氧化鈦的用途又極為廣泛，存在廣闊的市場(chǎng)前景，因此，盡快開發(fā)出高附加值的納米二氧化鈦相關(guān)產(chǎn)品并將其應(yīng)用是極為必要和迫切的。半導(dǎo)體光催化劑大多是η型半導(dǎo)體材料，都具有區(qū)別于金屬或絕緣物質(zhì)的特別的能帶結(jié)構(gòu)，即在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在一個(gè)禁帶。由于半導(dǎo)體的光吸收閾值與帶隙具有式 K=1240/Eg(eV)的關(guān)系，因此常用的寬帶隙半導(dǎo)體的吸收波長(zhǎng)閾值大都在紫外區(qū)域。在紫外光照射下，光子能量高于半導(dǎo)體吸收閾值的光照射半導(dǎo)體，半導(dǎo)體的價(jià)帶電子發(fā)生帶間躍遷，即從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生光生電子(e_)和空穴(h+)。此時(shí)吸附在納米顆粒表面的溶解氧俘獲電子形成超氧負(fù)離子，而空穴將吸附在催化劑表面的氫氧根離子和水氧化成氫氧自由基。而超氧負(fù)離子和氫氧自由基是世界公認(rèn)的強(qiáng)氧化劑，能快速無選擇性地將絕大多數(shù)的有機(jī)物氧化至最終產(chǎn)物CO2和H2O2,甚至對(duì)一些無機(jī)物也能徹底分解，并可迅速殺滅水中的細(xì)菌和病毒，且不帶來二次污染。半導(dǎo)體光催化氧化操作簡(jiǎn)單，能耗低，經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益顯著，所以在水處理領(lǐng)域潛力巨大，應(yīng)用前景廣闊。工業(yè)中實(shí)際的水處理過程復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣。因而對(duì)半導(dǎo)體光催化劑的性能有很高的要求。在眾多的半導(dǎo)體光催化劑中，二氧化鈦因其優(yōu)良的光催化性質(zhì)、良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及抗腐蝕、無毒無害、沒有二次污染等一系列優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)水處理方面顯示出十分誘人的前景，備受重視和關(guān)注。二氧化鈦傳統(tǒng)的應(yīng)用形態(tài)主要為納米粉、薄膜和負(fù)載，但均存在難以克服的缺陷。 如納米粉雖然在水中可以與液體接觸充分，但反應(yīng)后與水分離回收難度大；薄膜和負(fù)載雖然解決了反應(yīng)后回收難的問題，但其比表面積和活性低、易脫落，因此極大限制了二氧化鈦的實(shí)際應(yīng)用。作為二氧化鈦的一種新型應(yīng)用形態(tài)，納米晶二氧化鈦纖維為解決上述實(shí)際應(yīng)用過程的難題提供了一種可行的方案。纖維具有彈性模量大，塑性形變小，強(qiáng)度高等特點(diǎn)。其長(zhǎng)徑比極大的纖維形態(tài)優(yōu)勢(shì)，可以方便地設(shè)計(jì)出以纖維為載體的填充式反應(yīng)器。在紫外燈的光照下，水直接流經(jīng)纖維發(fā)生光催化反應(yīng)，反應(yīng)后直接分離。纖維的本體即為二氧化鈦納米晶粒和納米氣孔共存的多晶體組織，因其納米尺度的特點(diǎn)，故比表面積大，光催化活性高。與此同時(shí)，纖維在水中呈分散交織的三維分布狀態(tài)，水在流動(dòng)的過程中與紫外光透過間隙反應(yīng)，接觸面積大，催化效率高，所以納米晶二氧化鈦纖維的應(yīng)用有望實(shí)現(xiàn)高效連續(xù)的動(dòng)態(tài)水處理工藝，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。發(fā)明專利 CN. 200410024265. I和CN. 201010144227. 5揭示了納米晶二氧化鈦纖維的制備方法，并已經(jīng)得到授權(quán)，有效解決了材料的來源問題。但要實(shí)現(xiàn)高效連續(xù)的動(dòng)態(tài)納米晶二氧化鈦纖維光催化處理，首先要進(jìn)行光催化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之對(duì)納米晶二氧化鈦纖維有很好的催化效果，然后以反應(yīng)器為主體，系統(tǒng)組合成一種高效穩(wěn)定的循環(huán)水處理工藝。進(jìn)行納米晶二氧化鈦光催化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)和高效的循環(huán)水處理工藝時(shí)，需重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)問題①如何最大限度地利用紫外光，降低光的損耗，實(shí)現(xiàn)光在反應(yīng)器均勻照射液面；②如何保證反應(yīng)器中不同時(shí)刻的水流在光催化下程度一致，使其處理均勻；③如何有效地降低水流在反應(yīng)器內(nèi)與纖維接觸時(shí)的速度，延緩光催化反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)避免纖維因水流過急而斷碎、流失；④如何設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本的反應(yīng)器，使之具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用性。目前這方面的技術(shù)尚未能夠全部且很好地解決這些關(guān)鍵的問題。如專利 CN. 200720030678、CN. 201010105477. 8等所公開的幾種類型的二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)裝置，沒有充分考慮到當(dāng)大水流沖擊纖維時(shí)，尤其是在出水口，水流速急劇加快，纖維極易被斷碎，流失現(xiàn)象嚴(yán)重；紫外光照射采用光纖傳輸，成本高，技術(shù)難度大，光損耗明顯。專利 CN. 201010503062. 6等把紫外光源置于反應(yīng)液中央，雖然實(shí)現(xiàn)了紫外光的充分利用，但外部需加一石英管以保護(hù)紫外燈管，一定時(shí)間后有機(jī)廢水中的雜質(zhì)吸附在石英管表面，明顯阻礙了紫外光的照射；反應(yīng)器多為封閉體系，纖維的填充與更換很不方便；現(xiàn)有的反應(yīng)器整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)要求高，推廣難度大，實(shí)際應(yīng)用前景不明朗。此外，添加過氧化氫氧化劑可以顯著地提高光催化的效果，上述專利均未考慮?，F(xiàn)有的技術(shù)尚未有利用納米晶二氧化鈦纖維光催化進(jìn)行循環(huán)水處理的成熟完整的標(biāo)準(zhǔn)工藝。因此，如何將位于液面上方的紫外光得以最充分的利用，以及開放系統(tǒng)的反應(yīng)器的設(shè)計(jì)等問題成為納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器創(chuàng)新的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種適用于大流量，能夠有效防止纖維流失，充分利用紫外光，可以開放式均勻填充纖維，實(shí)現(xiàn)多級(jí)并行循環(huán)的一種基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)機(jī)理的水處理裝置。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)機(jī)理的水處理裝置，包括η個(gè)納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器、水泵、儲(chǔ)水池、連接管、第一閥門、第二閥門、流量計(jì)、噴淋曝氣頭和出水管，η大于等于I ;其中，儲(chǔ)水池出水口與水泵進(jìn)水口相連，水泵出水口分為兩路，其中左路與第一閥門連接，右路與第二閥門相連，第一閥門與流量計(jì)進(jìn)水口相連，流量計(jì)出水口與納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口相連，納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器出水口通過連接管與下一級(jí)納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口相連，以此形成循環(huán)，由最后一級(jí)納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器出水口通過出水管與儲(chǔ)水池相連，第二閥門與噴淋曝氣頭相連，噴淋曝氣頭位于儲(chǔ)水池上方；納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器包括方體反應(yīng)槽、單邊多孔布流隔板、多孔步流板、氧化劑自動(dòng)補(bǔ)給輸送管、紫外燈、拋物線型鋁制燈罩、納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口和納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器出水口 ；其中拋物線型鋁制燈罩位于方體反應(yīng)槽內(nèi)部的上方，紫外燈水平放置于拋物線型鋁制燈罩的軸向焦點(diǎn)處；氧化劑自動(dòng)補(bǔ)給輸送管水平放置于拋物線型鋁制燈罩邊緣的下方；單邊多孔布流隔板等間距垂直地嵌入方體反應(yīng)槽中，相互平行，且相鄰隔板的多孔布流部分位置相反；多孔布流板位于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口側(cè)單邊多孔布流隔板與方體反應(yīng)槽槽壁之間，與單邊多孔布流隔板垂直; 相鄰單邊多孔布流隔板之間均勻填充納米晶二氧化鈦纖維；納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口與納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器出水口均布置在單邊多孔布流隔板沒有孔洞的一邊。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)
I、低液面，大面積的反應(yīng)器布局。理論上，在光源與催化劑之間的液層會(huì)吸收光、散射光，而使催化劑的光吸收減弱。因此，選用低液面，大面積的反應(yīng)器布局，浸在液體中的二氧化鈦纖維基本上靠近液體的近光面，顯著降低了光吸收障礙，提高了催化效果與效率。與傳統(tǒng)的密閉反應(yīng)器相比，開放式的立方體型反應(yīng)器，使得二氧化鈦纖維的填充更加均勻、更換更加方便。2、采用拋物線型的鋁制燈罩，利用拋物線特有的曲線性質(zhì)，反射光垂直入射液面。 既降低了紫外光的損耗，大幅度提高了光的利用率，克服了水平式燈管放置光浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重的問題，又使得紫外光均勻照射液面。同時(shí)，燈罩的設(shè)置有效減小了冷凝液回流到紫外燈管上，提高了紫外燈的使用壽命。3、一系列特制的平行隔板，給前進(jìn)的水流設(shè)置了特定的路徑。迂回式的行程，既顯著降低了水流速度，又限定了纖維的位置，在狹窄的范圍內(nèi)纖維的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以忽略，水流得以充分穿過纖維間隙發(fā)生光催化反應(yīng)。同時(shí)，有效避免了纖維因水流過大而斷碎、流失。每一隔板的邊緣都加工成的多孔布流板，逐次降速。這樣，整個(gè)光催化反應(yīng)器內(nèi)水流速度的控制問題得以有效地解決。隔板也保證了不同時(shí)刻水流在反應(yīng)器內(nèi)光催化反應(yīng)的行程一致，處理程度相當(dāng)，水處理均勻性大大提高。4、充分考慮到過氧化氫對(duì)反應(yīng)效率的貢獻(xiàn)，水處理過程中同時(shí)向反應(yīng)液自動(dòng)補(bǔ)給過氧化氫。將自制管道置于液面上方，盛放一定量的過氧化氫。根據(jù)需要確定管道上小孔的大小，過氧化氫在重力的作用下，自動(dòng)緩慢地滴入下方的反應(yīng)液中，催化反應(yīng)。5、本發(fā)明的基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)機(jī)理的反應(yīng)器，選用立方體式的反應(yīng)容器，與傳統(tǒng)的圓柱形反應(yīng)容器相比，制作成本明顯減少，加工難度顯著降低。同時(shí)，裝配更加簡(jiǎn)單，物理空間的利用率大幅度提高。6、本發(fā)明的基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)機(jī)理的等程性疊式并行循環(huán)水處理裝置及工藝，具有高度的靈活性與效率?？筛鶕?jù)實(shí)際水處理中對(duì)指標(biāo)的要求，便捷地增減反應(yīng)器的個(gè)數(shù)，重新組合成一套完整的水處理裝置。與傳統(tǒng)的單級(jí)循環(huán)相比，并行循環(huán)的水處理機(jī)制，顯著提高了水處理的效率與處理效果。可進(jìn)行大流量的動(dòng)態(tài)連續(xù)水處理作業(yè)， 系統(tǒng)穩(wěn)定且處理效果很好，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。


圖I是本發(fā)明基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)機(jī)理的水處理裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)機(jī)理的水處理裝置的納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器中拋物線型燈罩紫外光線反射原理示意圖3是本發(fā)明基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)機(jī)理的水處理裝置的納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器中單邊多孔布流隔板高效減流、穩(wěn)固纖維的原理示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。一種基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)機(jī)理的水處理裝置，包括η個(gè)納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器、水泵I、儲(chǔ)水池2、連接管3、第一閥門4、第二閥門5、流量計(jì)6、噴淋曝氣頭7和出水管8，η大于等于I ;其中，儲(chǔ)水池2出水口與水泵I進(jìn)水口相連，水泵I 出水口分為兩路，其中左路與第一閥門4連接，右路與第二閥門5相連，第一閥門4與流量計(jì)6進(jìn)水口相連，流量計(jì)5出水口與納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口 15相連，納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器出水口 16通過連接管3與下一級(jí)納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口 15相連，以此形成循環(huán)，由最后一級(jí)納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器出水口 16通過出水管8與儲(chǔ)水池2相連，第二閥門5與噴淋曝氣頭7相連，噴淋曝氣頭7 位于儲(chǔ)水池2上方；納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器包括方體反應(yīng)槽9、單邊多孔布流隔板10、多孔步流板11、氧化劑自動(dòng)補(bǔ)給輸送管12、紫外燈13、拋物線型鋁制燈罩14 ;其中拋物線型鋁制燈罩14位于方體反應(yīng)槽9內(nèi)部的上方，紫外燈13水平放置于拋物線型鋁制燈罩14的軸向焦點(diǎn)處；氧化劑自動(dòng)補(bǔ)給輸送管12水平放置于拋物線型鋁制燈罩14邊緣的下方；單邊多孔布流隔板10等間距垂直地嵌入方體反應(yīng)槽9中，相互平行，且相鄰隔板的多孔布流部分位置相反；多孔布流板11位于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口 15側(cè)單邊多孔布流隔板10與方體反應(yīng)槽9槽壁之間，與單邊多孔布流隔板10垂直；相鄰單邊多孔布流隔板10之間均勻填充納米晶二氧化鈦纖維；納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口 15與納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器出水口 16均布置在單邊多孔布流隔板10沒有孔洞的一邊。納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口 15與納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器出水口 16均鋪設(shè)了一層有機(jī)纖維棉過濾層17 ;單邊多孔布流隔板10之間的布設(shè)間隔為 8-10cm ;多孔步流板11之間的布設(shè)間隔為6-8cm ;氧化劑自動(dòng)補(bǔ)給輸送管12布置在拋物線型鋁制燈罩14的兩側(cè)邊緣；單邊多孔布流隔板10為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)度與方體反應(yīng)槽9的寬度相適應(yīng)，高度8-lOcm，在單邊多孔布流隔板10的一側(cè)邊緣1/5處設(shè)置孔洞；多孔步流板11高度與單邊多孔布流隔板10 —致，均勻布設(shè)一系列孔洞。拋物線型鋁制燈罩14固定于方體反應(yīng)槽9的上方，將紫外燈13置于其軸向焦點(diǎn)處，即其拋物面與豎直橫截面拋物線型交線的所有焦點(diǎn)所構(gòu)成的水平線上。充分利用拋物線通過焦點(diǎn)的光線垂直反射至液面的上方這一幾何性質(zhì)，使光線均勻照射納米晶二氧化鈦纖維，發(fā)生光催化反應(yīng)。一系列堆疊的方體反應(yīng)槽9均為長(zhǎng)方體，堆疊方便、穩(wěn)定，制作簡(jiǎn)單。氧化劑自動(dòng)補(bǔ)給輸送管12水平放置于液面上方，與紫外燈13平行，實(shí)現(xiàn)高效催化劑H2O2的自動(dòng)補(bǔ)給輸送功能，根據(jù)納米晶二氧化鈦纖維光催化的反應(yīng)機(jī)理，顯著提高了光催化反應(yīng)的效率。
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單邊多孔布流隔板10的一端含有多孔布流部分，形成迂回式的水流前進(jìn)行程，實(shí)現(xiàn)逐次減速。最右端徑向?qū)ΨQ分布的多孔布流板11顯著降低了來自納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口 15水流，達(dá)到均勻步流的目的；在等間距的單邊多孔布流隔板10之間填充納米晶二氧化鈦纖維，有效地限定了纖維的位置，水流穿過納米晶二氧化鈦纖維三維的分散間隙充分發(fā)生光催化反應(yīng)，同時(shí)開放式的布局使得納米晶二氧化鈦纖維的填充和纖維的更換更加方便。每一處納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口 15與納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器出水口 16均鋪設(shè)了一層有機(jī)纖維棉過濾層17，經(jīng)過N級(jí)納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器的循環(huán)水處理，達(dá)到了層層過濾的目的。結(jié)合圖1，本發(fā)明基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器的循環(huán)水處理裝置，由納米晶二氧化鈦光催化反應(yīng)組合器、水泵I、儲(chǔ)水池2、連接管3、第一閥門4、第二閥門5、流量計(jì)6、噴淋曝氣頭7、出水管8構(gòu)成水循環(huán)回路；其中，儲(chǔ)水池2出水口與水泵I進(jìn)水口相連接，水泵I出水口分為兩路，其中一路與第一閥門4連接，另一路與第二閥門5相連接，第一閥門4與流量計(jì)6進(jìn)水口相連，流量計(jì)6出水口與納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口 15相連，最后一級(jí)的納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器出水口 16通過管道出水口 8通向儲(chǔ)水池2上方，第二閥門5與噴淋曝氣頭7相連，噴淋曝氣頭7位于儲(chǔ)水池2上方。納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器由方體反應(yīng)槽9、單邊多孔布流隔板10、多孔布流板11、氧化劑自動(dòng)補(bǔ)給輸送管12、紫外燈13、拋物線型燈罩14、納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口 15、納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器出水口 16、有機(jī)纖維棉過濾層 17、連接管3構(gòu)成，其具體構(gòu)造為單邊多孔布流隔板10平行布置于方體反應(yīng)槽9底部、多孔布流板11布置在偏向納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口 15 —側(cè)，單邊多孔布流隔板10與多孔布流板11均豎直放置，且互相垂直，并且多孔布流板11的高度低于單邊多孔布流隔板10的高度；氧化劑自動(dòng)補(bǔ)給輸送管12、紫外燈13、拋物線型燈罩14固定于方體反應(yīng)槽9上方，紫外燈13位于拋物線型鋁制燈罩14的焦點(diǎn)處，氧化劑自動(dòng)補(bǔ)給輸送管 12高度略低于拋物線型鋁制燈罩14下方且附著在方體反應(yīng)槽9內(nèi)表面；納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口 15與納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器出水口 16均布置在單邊多孔布流隔板10沒有孔洞的一邊，單邊多孔布流隔板10 —側(cè)以及多孔布流板11上均勻布有1-3_小孔，達(dá)到均勻分布水流以及防止納米晶二氧化鈦纖維流失的作用；納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口 15、納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器出水口 16均放置有有機(jī)纖維棉過濾層17，起到過濾進(jìn)出水的作用；每一級(jí)的納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器出水口 16均通過連接管3同下一級(jí)的納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口 15相連接；相鄰兩級(jí)的納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器鏡像對(duì)稱；納米晶二氧化鈦纖維均勻鋪在方體反應(yīng)槽9底部。本發(fā)明基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)機(jī)理的等程性疊式并行循環(huán)水處理的工藝，其具體工藝流程如下將含有有機(jī)污染物的廢水(預(yù)先經(jīng)過過濾處理，不含固體懸浮物)注入儲(chǔ)水池2內(nèi)，開啟水泵I和紫外燈13，廢水則從儲(chǔ)水池2左端經(jīng)水泵I泵出，泵出的水分為左右兩路，其中左路水經(jīng)第一閥門4調(diào)節(jié)流量后流經(jīng)流量計(jì)6，通過有鋪設(shè)有機(jī)纖維棉過濾層17的納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口 15初次過濾后，水流在重力的作用下，垂直流入方體反應(yīng)槽9。依次經(jīng)過幾個(gè)徑向?qū)ΨQ分布的多孔布流板11，達(dá)到了均勻布流與降低水流的目的。水流沿著單邊多孔布流隔板10設(shè)定的行程迂回式前行，在紫外燈13及拋物線型鋁制燈罩14反射光的作用下，穿過填充的納米晶二氧化鈦纖維三維分散的間隙處發(fā)生光催化反應(yīng)。與此同時(shí)，水平放置的氧化劑自動(dòng)補(bǔ)給輸送管12開始滴入氧化劑，參與反應(yīng)。單邊多孔布流隔板10的應(yīng)用，顯著降低了水流速，同時(shí)限定了納米晶二氧化鈦纖維的運(yùn)動(dòng)范圍，保證了在大流量的水流作用下，纖維不易被斷碎、流失，因與水流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來的影響明顯降低，兩者充分接觸。水流通過有鋪設(shè)有機(jī)纖維棉過濾層17的納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器出水口 16再次過濾后，通過連接管3流入下一級(jí)納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口 15，形成循環(huán)水處理。以此形成循環(huán)，水流通過最后一級(jí)納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器，通過管道出水口 8回流到儲(chǔ)水池2的左端；水泵I泵出的右路水經(jīng)第二閥門5控制流量后，直接到達(dá)儲(chǔ)水池2右上方的噴淋曝氣頭7，從噴淋曝氣頭7 的多個(gè)小孔射流噴出，進(jìn)行曝氣充氧，富含溶解氧的廢水噴入儲(chǔ)水池2右端，再流向左端經(jīng)水泵I泵出，形成另一套循環(huán)。循環(huán)一定時(shí)間后，廢水中所含有的有機(jī)物可全部講解，直至徹底礦化為CO2和H2O。本發(fā)明原理如下
本發(fā)明的工藝流程中，廢水經(jīng)過水泵抽出，通過塞有有機(jī)纖維棉過濾層的入水口流入第一級(jí)光催化反應(yīng)器中，再經(jīng)過一系列特制的平行隔板及多孔布流板達(dá)到均勻步流、降低水流速度的目的，有效減小了對(duì)納米晶二氧化鈦纖維的沖擊，保證了纖維在反應(yīng)器內(nèi)的動(dòng)態(tài)固定，水流經(jīng)過間隙得以充分反應(yīng)。第一級(jí)反應(yīng)器的水流經(jīng)過塞有有機(jī)纖維棉過濾層的出水口流入下一級(jí)反應(yīng)器，形成并行循環(huán)。在不同的反應(yīng)器之間，逐級(jí)過濾。若沒有隔板的設(shè)置，則纖維會(huì)在水流的作用下沖擊到反應(yīng)器的一角，沒有很好的三維分散間隙讓水流傳過，光損耗嚴(yán)重，幾乎無光催化效果。對(duì)于大水流的廢水處理，難以投入實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用。本發(fā)明根據(jù)在光源與催化劑之間的液層會(huì)吸收光、散射光，而使催化劑的光吸收減弱的理論基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出低液面、大面積的布局，不存在傳統(tǒng)圓柱形反應(yīng)器光照“盲區(qū)”的問題，顯著提高了光催化的效果。而拋物線型燈罩的應(yīng)用，則克服了傳統(tǒng)水平式燈管布置光浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重的弊端，顯著降低了光損耗。同時(shí)，拋物線型特有的曲線性質(zhì)，使反射光垂直照射液面，光照均勻。本發(fā)明充分考慮了過氧化氫在基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)機(jī)理的重要性，增添了向反應(yīng)液中自動(dòng)補(bǔ)給過氧化氫的裝置，這也是本發(fā)明突出的創(chuàng)新點(diǎn)之一。同時(shí)吸取了專利CN. 201010503062. 6中在光催化反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)，對(duì)處理廢水進(jìn)行噴淋曝氧的措施。光催化反應(yīng)中過程中，O2與H2O2的參與顯得極其重要。吸附于催化劑表面的氧可以俘獲光生電子e_，是e_的有效接受體，氧與e_的還原反應(yīng)不僅生成表面光催化氧化反應(yīng)所需的羥基自由基(·0Η)，而且為空穴提供所需的0『和H2O,進(jìn)一步生產(chǎn)·0Η，形成一個(gè)良好的表面光催化過程，減少半導(dǎo)體光催化劑表面電子-空穴對(duì)的復(fù)合率，大大提高反應(yīng)速率。過氧化氫，也可以俘獲吸附于催化劑表面的氧是光生電子e_，生成羥基自由基(·0Η)，與氧氣的作用過程相似。由于水中氧氣的溶解量很小，即使噴淋曝氧過后，也無顯著提高。而過氧化氫以液體形式加入反應(yīng)液，與納米晶二氧化鈦纖維的表面及反應(yīng)液接觸充分。相比于噴淋曝氧的舉措，自動(dòng)補(bǔ)給過氧化氫的催化作用更為明顯，實(shí)際反應(yīng)中催化效果有顯著的提高。 納米晶二氧化鈦纖維光催化的反應(yīng)機(jī)理如下
02+Ti02(e ) — TiO2+ ·02 02、2H20+Ti02(eO — Ti02+H20+20H_
H202+Ti02 (el — Τ 02+·0Η+0Γ TiO2 (h+) +H2O — Ti02+H++.0H TiO2 (h+) +OF — Ti02+*0H 下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。單級(jí)反應(yīng)器長(zhǎng)方體長(zhǎng)度400mm，寬度250mm，高度150mm。在液面上方放置一拋物線型鋁制燈罩，其焦點(diǎn)距離反應(yīng)器頂部50mm。50W的中壓汞燈水平置于其焦點(diǎn)所確定的軸線上，均勻填充IOOg納米晶二氧化鈦纖維。采用25W水泵，調(diào)節(jié)反應(yīng)器過水流量為9L/min，穩(wěn)定時(shí)液面高度為50mm。實(shí)驗(yàn)中采用5級(jí)反應(yīng)器堆疊,水流上升速度約為2cm/min, —天可循環(huán)處理1000L濃度為20mg/L的X-3B活性艷紅染料廢水，耗電量?jī)H為6. 6度/天。
權(quán)利要求
1.一種基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)機(jī)理的水處理裝置，包括η個(gè)納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器、水泵[I]、儲(chǔ)水池[2]、連接管[3]、第一閥門[4]、第二閥門[5]、流量計(jì)[6]、噴淋曝氣頭[7]和出水管[8]，η大于等于I ;其中，儲(chǔ)水池[2]出水口與水泵[I] 進(jìn)水口相連，水泵[I]出水口分為兩路，其中左路與第一閥門[4]連接，右路與第二閥門[5] 相連，第一閥門[4]與流量計(jì)[6]進(jìn)水口相連，流量計(jì)[5]出水口與納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口 [15]相連，納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器出水口 [16]通過連接管[3]與下一級(jí)納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口 [15]相連，以此形成循環(huán)，由最后一級(jí)納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器出水口 [16]通過出水管[8]與儲(chǔ)水池[2]相連，第二閥門[5]與噴淋曝氣頭[7]相連，噴淋曝氣頭[7]位于儲(chǔ)水池[2]上方；其特征在于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器包括方體反應(yīng)槽[9]、單邊多孔布流隔板[10]、多孔步流板[11]、氧化劑自動(dòng)補(bǔ)給輸送管[12]、紫外燈[13]、拋物線型鋁制燈罩[14]、納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口 [15]和納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器出水口 [16];其中拋物線型鋁制燈罩[14]位于方體反應(yīng)槽[9]內(nèi)部的上方，紫外燈[13]水平放置于拋物線型鋁制燈罩[14]的軸向焦點(diǎn)處；氧化劑自動(dòng)補(bǔ)給輸送管[12]水平放置于拋物線型鋁制燈罩[14]邊緣的下方；單邊多孔布流隔板[10]等間距垂直地嵌入方體反應(yīng)槽[9]中，相互平行，且相鄰隔板的多孔布流部分位置相反；多孔布流板[11]位于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口 [15]側(cè)單邊多孔布流隔板[10]與方體反應(yīng)槽[9]槽壁之間，與單邊多孔布流隔板[10]垂直；相鄰單邊多孔布流隔板[10]之間均勻填充納米晶二氧化鈦纖維；納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口 [15]與納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器出水口 [16]均布置在單邊多孔布流隔板[10]沒有孔洞的一邊。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)機(jī)理的水處理裝置，其特征在于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器進(jìn)水口 [15]與納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器出水口 [16]均鋪設(shè)了一層有機(jī)纖維棉過濾層[17]。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)機(jī)理的水處理裝置，其特征在于單邊多孔布流隔板[10]之間的布設(shè)間隔為8-lOcm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)機(jī)理的水處理裝置，其特征在于多孔步流板[11]之間的布設(shè)間隔為6-8cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)機(jī)理的水處理裝置，其特征在于氧化劑自動(dòng)補(bǔ)給輸送管[12]布置在拋物線型鋁制燈罩[14]的兩側(cè)邊緣。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)機(jī)理的水處理裝置，其特征在于單邊多孔布流隔板[10]為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)度與方體反應(yīng)槽[9]的寬度相適應(yīng)， 高度8-lOcm，在單邊多孔布流隔板[10]的一側(cè)邊緣1/5處設(shè)置孔洞。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)機(jī)理的水處理裝置，其特征在于多孔步流板[11]高度與單邊多孔布流隔板[10] —致，均勻布設(shè)一系列孔洞。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)機(jī)理的水處理裝置，其特征在于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器的方體反應(yīng)槽[9]為長(zhǎng)方體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)機(jī)理的水處理裝置；包括納米晶二氧化鈦纖維光催化反應(yīng)器、儲(chǔ)水池、水泵、第一閥門、第二閥門、流量計(jì)、噴淋曝氣頭、出水管和連接管；本發(fā)明多級(jí)方體式反應(yīng)器堆疊在一起，實(shí)現(xiàn)等程性并行循環(huán)水處理，可便捷地增減反應(yīng)器的個(gè)數(shù)，并行機(jī)制使得光催化循環(huán)水處理工藝效率高，連續(xù)性強(qiáng)；紫外燈水平放置于反應(yīng)器的上方，拋物線型燈罩，使光最大限度的垂直入射液面；平行隔板既使水流在反應(yīng)器中流速明顯減小，又有效避免了纖維因水流過大沖擊而斷碎流失，還實(shí)現(xiàn)了不同時(shí)間段水流行程一致；可應(yīng)用于大流量的動(dòng)態(tài)連續(xù)水處理，使工業(yè)有機(jī)污染物廢水規(guī)?；幚沓蔀榭赡?，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，前景廣闊。
文檔編號(hào)C02F1/72GK102583638SQ20121001415
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月18日
發(fā)明者劉和義, 劉金強(qiáng), 周向俊, 李濤, 楊晨, 陳炎 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)