本發(fā)明屬于污水處理領(lǐng)域，具體涉及一種基于可見光光觸媒材料的污水處理系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前國內(nèi)乃至世界范圍內(nèi)的水污染問題日益嚴(yán)重，有機(jī)污染尤為突出。傳統(tǒng)的水處理技術(shù)能耗較大且效率較低，面對日益嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)已難以滿足污水處理要求。

自1976年j.h.cary等人報(bào)道了在紫外光照射下納米tio2可以使難降解的多氯聯(lián)苯脫氯以來，迄今已發(fā)現(xiàn)有數(shù)百種有機(jī)污染物可通過光催化處理。光催化反應(yīng)原理是，在光源(紫外光或可見光)照射下，納米光觸媒表面會產(chǎn)生氧化能力極強(qiáng)的羥基自由基(·oh)，使水中的有機(jī)污染物氧化降解為無害的co2和h2o。納米光催化氧化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：降解速度快，一般只需幾十分鐘到幾小時(shí)即可取得良好的廢水處理效果；降解無選擇性，幾乎能降解任何有機(jī)物，尤其適合于氯代有機(jī)物、多環(huán)芳烴等；氧化反應(yīng)條件溫和，投資少，能耗低；無二次污染，有機(jī)物徹底被氧化降解為co2和h2o；應(yīng)用范圍廣，幾乎所有的污水都可以采用。

光觸媒技術(shù)擁有高效、環(huán)保、低成本等優(yōu)勢受到世界范圍的廣泛關(guān)注。但傳統(tǒng)的光觸媒材料如tio2需要利用紫外線進(jìn)行激發(fā)，使用成本較高，能源利用率低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提供一種基于可見光光觸媒材料的污水處理系統(tǒng)。

本發(fā)明的另一目的是提供一種可通過可見光發(fā)光二極管光源激發(fā)的可見光光觸媒材料。

本發(fā)明的目的可以通過以下措施達(dá)到：

一種基于可見光光觸媒污水凈化系統(tǒng)，它包括光催化反應(yīng)池、可見光發(fā)光二極管潛水光源和出水管道，用以提供污水凈化空間和污水凈化時(shí)裝有可見光光觸媒材料的光催化反應(yīng)池內(nèi)裝有一個或多個所述可見光發(fā)光二極管潛水光源；所述光催化反應(yīng)池設(shè)有污水入水口和所述出水管道，在所述出水管道的管內(nèi)或管口處設(shè)有過濾可見光光觸媒材料的微孔濾 板；在所述出水管道上連接有用以為所述光催化反應(yīng)池提供曝氣的供氣管路或氣泵，或者在所述出水管道之外設(shè)有用以為所述光催化反應(yīng)池提供曝氣的氣體管路，在該氣體管路的末端連接有供氣管路或氣泵。

本系統(tǒng)主要由可見光光觸媒材料和光催化反應(yīng)裝置兩個部分組成。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需先向光催化反應(yīng)池中裝入可見光光觸媒材料，該光觸媒材料由溶液法直接合成，顆粒尺寸為500-700nm，經(jīng)過濾干燥后避光保存，其用量需根據(jù)污水水質(zhì)進(jìn)行配比。污染越嚴(yán)重的污水需要加入的量越多，以8000cod含量的污水為例每噸水需配比1～5kg光觸媒材料，4000cod含量的需要配比0.5～2kg光觸媒材料。

本系統(tǒng)中的微孔濾板采用能夠過濾可見光光觸媒材料的微孔聚乙烯濾板，孔徑為0.2-0.4um，處理后的污水經(jīng)由微孔濾板過濾實(shí)現(xiàn)與光觸媒的分離并從出水口排放。濾板中堵塞的微孔可在曝氣過程中利用氣流反沖得以恢復(fù)。本發(fā)明對微孔濾板的尺寸并沒有嚴(yán)格要求，一般情況下，濾板直徑以30～50cm為佳。本發(fā)明中的微孔濾板可以設(shè)置在出水管道的入口處，也可以設(shè)在出水管道內(nèi)部，例如設(shè)在出水管道污水液面之下。在一種優(yōu)選方案中，采用大于出水管道管徑的微孔濾板以提高排水和過濾效率，該微孔濾板通過一個變徑接口連接在出水管道入水口處。

本系統(tǒng)中的光源與現(xiàn)有技術(shù)中的紫外光源不同，而是采用可見光發(fā)光二極管潛水光源，其中多個光源呈柱狀、條狀、環(huán)狀或線狀地規(guī)則或無規(guī)則地分布在光催化反應(yīng)池的內(nèi)部，它們可以直接安裝在光催化反應(yīng)池內(nèi)壁上，也可以安裝在光催化反應(yīng)池內(nèi)的其他附屬部件上。一種具體方案是，多個可見光發(fā)光二極管潛水光源分布在一端連接所述光催化反應(yīng)池底部或側(cè)壁的光源柱上，多根分別裝有可見光發(fā)光二極管潛水光源的光源柱分布在所述光催化反應(yīng)池內(nèi)，例如多根光源柱分兩列或三列豎直地分布在光催化反應(yīng)池內(nèi)?？梢姽鉂撍庠吹墓β矢鶕?jù)一次性處理的污水進(jìn)行配比，例如每噸污水配比300-500w功率的光源。

在光催化反應(yīng)池內(nèi)還可進(jìn)一步裝有攪動污水的潛水?dāng)嚢铏C(jī)。

進(jìn)一步的，在所述出水管道的出水口處設(shè)有用以排出所述光催化反應(yīng)池內(nèi)的水的抽水水泵，在所述抽水水泵之前的出水管道上設(shè)有控制光催化反應(yīng)池出水的出水管道閥門。

本系統(tǒng)中的曝氣裝置可集成在出水管道上，例如本系統(tǒng)中在供氣管路或氣泵之前的管路上設(shè)有控制曝氣的曝氣管道閥門，在所述曝氣管道閥門之前的出水管道上設(shè)有防止水回流進(jìn)入供氣管路或氣泵的止回閥。這種集成的方式可以同時(shí)起到曝氣和氣體清洗微孔濾板以防止堵塞的作用。除了這種集成的方式外，本系統(tǒng)還可以采用獨(dú)立的曝氣裝置，例如在 出水管道之外設(shè)有用以為所述光催化反應(yīng)池提供曝氣的氣體管路，在該氣體管路的末端連接有供氣管路或氣泵。

本系統(tǒng)中使用的光觸媒材料可由溶液法直接合成，一種具體的可應(yīng)用于本發(fā)明基于可見光光觸媒污水凈化系統(tǒng)的可通過可見光發(fā)光二極管光源激發(fā)的可見光光觸媒材料，其制備方法為：銅鹽與表面活性劑溶于水中，再加入氫氧化鈉和還原劑充分混合后靜置，最后經(jīng)過過濾洗滌干燥制得。

在制備方法中，銅鹽可選自硫酸銅、氯化銅或醋酸銅等中的一種或幾種，表面活性劑可選自聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸鈉等中的一種或幾種，銅鹽與表面活性劑的摩爾比為1:20～30；還原劑可選自葡萄糖、維生素c、鹽酸羥胺等中的一種或幾種，氫氧化鈉與銅鹽的摩爾比為2～7：1，優(yōu)選3～5：1，還原劑與銅鹽的摩爾比為2～5：1，優(yōu)選2～4：1；靜置時(shí)間為1～5h，優(yōu)選2h。

該可見光光觸媒材料的顆粒尺寸為500～700nm。具有多面體結(jié)構(gòu)。光譜吸收峰值在430nm至470nm之間，具有較強(qiáng)的散射能力，在發(fā)光二級光光源激勵下表現(xiàn)出極強(qiáng)光催化活性。3mg光觸媒對300ml濃度20mg/l甲基橙水樣2h有機(jī)物去除率98％，對芳香族有機(jī)物有較強(qiáng)的降解作用，3mg光觸媒對100ml濃度507mg/l芳香族有機(jī)物水樣16h去除率88％。

本系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，污水從污水入水口導(dǎo)入光催化反應(yīng)池，在光催化反應(yīng)池中與可見光光觸媒材料混合并在可見光發(fā)光二極管潛水光源的激勵下發(fā)生光催化反應(yīng)，處理過程中進(jìn)行曝氣。光源功率和可見光光觸媒材料的投加量需根據(jù)污水水質(zhì)進(jìn)行配比。污水水質(zhì)達(dá)到檢測標(biāo)準(zhǔn)或處理時(shí)間結(jié)束后，通過出水管道排出處理后的污水，經(jīng)過微孔濾板的過濾使可見光光觸媒材料留在光催化反應(yīng)池中，微孔濾板中堵塞的微孔可通過曝氣恢復(fù)。

本發(fā)明的系統(tǒng)可直接在可見光發(fā)光二極管的激發(fā)下進(jìn)行可見光催化處理污水，其處理成本和處理效率都有了極大的提高。本發(fā)明中的新型可見光光觸媒材料可直接被可見光發(fā)光二極管激發(fā)，極大地降低了設(shè)備成本和能耗。同時(shí)該材料能夠有效實(shí)現(xiàn)對有機(jī)污染物及細(xì)菌的降解，有效降低污水的cod指標(biāo)，無其他有害副產(chǎn)物?？梢姽夤庥|媒生產(chǎn)成本低廉，且由于其顆粒尺寸在500nm至700nm之間可利用微孔聚乙烯濾板實(shí)現(xiàn)污水處理后的有效分離，實(shí)現(xiàn)光觸媒的循環(huán)使用。該系統(tǒng)可替代目前傳統(tǒng)的生物膜處理環(huán)節(jié)，同時(shí)可根據(jù)不同的應(yīng)用要求改造為不同規(guī)模的處理設(shè)備，用于生活污水、工業(yè)污水等應(yīng)用領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種基于可見光光觸媒污水處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的一種可見光發(fā)光二極管潛水光源排布俯視圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例1所得可見光光觸媒材料的掃描電子顯微鏡圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例1所得可見光光觸媒材料的光譜吸收圖。

圖中，1-污水入水口，2-光催化反應(yīng)池，3-潛水?dāng)嚢铏C(jī)，4-可見光發(fā)光二極管潛水光源，5-可見光光觸媒材料，6-微孔濾板，7-出水管道，8-止回閥，9-曝氣管道閥門，10-氣泵，11-出水管道閥門，12-抽水水泵，13-出水口。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的一些方面和實(shí)施方案可以通過以下的具體實(shí)施例加以進(jìn)一步說明。此處公開的這些方案是描述性的，并不表示限制本領(lǐng)域的技術(shù)人員使用其它可能的方式和方案。

下面有代表性的例子旨在幫助闡述本發(fā)明，而不是有意也不應(yīng)該被解釋為限制本發(fā)明的范圍。事實(shí)上，除了那些出現(xiàn)和描述于此的以外，本發(fā)明中文件的全部內(nèi)容，包括依據(jù)此處引用的科技文獻(xiàn)和專利的例子，以及由此產(chǎn)生的各種修飾和許多進(jìn)一步變化對本專業(yè)內(nèi)一般技術(shù)人員都是清晰明白的。還應(yīng)當(dāng)明白，這些參考文獻(xiàn)的引用有助于陳述本文內(nèi)容。下面的例子包含了重要的補(bǔ)充信息、范例和指導(dǎo)，可適應(yīng)于本發(fā)明中各種變化及類似情況。

實(shí)施例1

將5ml0.1mol/l硫酸銅溶液加入50ml去離子水中并加入0.015mol聚乙烯吡咯烷酮充分混合。加入10ml0.2mol/l氫氧化鈉溶液以及15ml0.1mol/l鹽酸羥胺溶液，充分混合并靜置2h后過濾洗滌烘干，避光保存。

所得光觸媒材料掃描電子顯微鏡圖如圖1所示，顆粒尺寸在500nm至700nm之間。

光觸媒材料的光譜圖如圖2所示，光譜吸收峰值在445nm至465nm之間，具有較強(qiáng)的光散射效應(yīng)。

實(shí)施例2

本發(fā)明的一種基于可見光光觸媒污水凈化系統(tǒng)，它包括污水入水口1、光催化反應(yīng)池2、潛水?dāng)嚢铏C(jī)3、可見光發(fā)光二極管潛水光源4、微孔濾板6、出水管道7、止回閥8、曝氣管道閥門9、氣泵10、出水管道閥門11和抽水水泵12。

其中污水入水口1可設(shè)在光催化反應(yīng)池2的上部或頂部，潛水?dāng)嚢铏C(jī)3設(shè)在光催化反應(yīng)池2內(nèi)的下部或底部，多個可見光發(fā)光二極管潛水光源4分布在光源柱上，光源柱的底端安裝在光催化反應(yīng)池2的底部，多個光源柱呈兩列分布在光催化反應(yīng)池2內(nèi)(如圖2)，在處理時(shí)，污水淹沒過光源柱的頂部。根據(jù)提前測得的待處理污水水質(zhì)，向光催化反應(yīng)池2內(nèi)裝入采用實(shí)施例1的方法大規(guī)模制得的可見光光觸媒材料5。出水管道7的入口位于光催化反應(yīng)池2內(nèi)的下部或中下部，在出水管道7的入口處設(shè)有用以過濾可見光光觸媒材 料5的微孔濾板6。在出水管道7位于光催化反應(yīng)池2的部分通過一個三通分成兩個管路，其中一個管路依次設(shè)有止回閥8、曝氣管道閥門9和氣泵10，該管路用以處理過程中向光催化反應(yīng)池2提供曝氣以及沖洗微孔濾板6，止回閥8以防止污水進(jìn)入氣泵10；出水管道7的另一個管路上依次設(shè)有出水管道閥門11、抽水水泵12和出水口13，通過該抽水水泵12抽出光催化反應(yīng)池2內(nèi)處理完成后的污水。

本系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，先將可見光光觸媒材料5加入光催化反應(yīng)池2。污水由污水入水口1進(jìn)入光催化反應(yīng)池2并開啟潛水?dāng)嚢铏C(jī)3使污水與光觸媒充分混合。打開曝氣管道閥門9并關(guān)閉出水管道閥門11。打開氣泵10對污水進(jìn)行曝氣。開啟可見光發(fā)光二極管潛水光源4激發(fā)光催化反應(yīng)。處理結(jié)束后關(guān)閉氣泵10以及曝氣管道閥門9，止回閥8可防止回流造成水流進(jìn)入氣泵。關(guān)閉潛水?dāng)嚢铏C(jī)3以及可見光發(fā)光二極管潛水光源4使光觸媒靜置沉淀。打開出水管道閥門11并打開抽水水泵12使處理后的污水經(jīng)出水口13排放。排放完成后關(guān)閉抽水水泵12和出水管道閥門11。污水由污水入水口1進(jìn)入光催化反應(yīng)池2進(jìn)行下一輪處理。

實(shí)驗(yàn)測試中將100ml含有如表1所示有機(jī)污染物的污水樣本以及3mg光觸媒材料加入反應(yīng)池，污水樣本處理前總有機(jī)物含量為506.6mg/l，ph值為6.5。開啟潛水?dāng)嚢璞煤推貧庠O(shè)備使污水與光觸媒充分混合。開啟8.8w可見光發(fā)光二極管潛水光源進(jìn)行16h光催化反應(yīng)。處理后污水經(jīng)微孔濾板與光觸媒分離，處理后的污水總有機(jī)物含量為60.1mg/l，有機(jī)物去除率達(dá)到88.14％。經(jīng)光觸媒處理后劇毒的芳香族有機(jī)物完全降解為低毒性直鏈有機(jī)物。