光催化处理水的装置及方法 技术领域
本发明属于水处理领域，特别涉及光催化处理水的装置及方法。
背景技术
随着工业的迅速发展，水资源受到日益严重的污染，清除水体中有毒有害化学物质已成为环保领域中的重要工作。传统的水污染治理方法存在着能耗大、二次污染及降解不完全等缺点，而光催化技术可为这些问题提供较好的解决手段。光催化技术在解决环境污染问题上，具有其它方法难以比拟的优越性。以半导体为催化剂的光催化降解技术在常温、常压下就可进行，能够彻底破坏有机污染物和无机污染物，并使之完全氧化为CO2、H2O等无害物质，还可以将水体中的重金属离子还原成单质。光催化技术能够净化环境，避免二次污染，操作简单，是一种理想的环境友好型治理技术。
所谓光催化技术，就是在一定波长光的照射下将半导体材料的价带电子激发到导带产生光生电子-空穴对，该光生电子-空穴对具有较强的氧化还原能力，可氧化水体中大部分有机污染物，能够氧化半导体材料表面吸附的OH-、H2O分子，生成具有极强氧化能力的自由基活性物质，可以将水中的微量有机物逐步氧化分解为CO2和H2O。在光的辐照下，基于这种氧化分解原理的技术称为光催化技术。该项技术具有传统水处理技术无法替代的先进性，无二次污染和广泛地适用性，因此被认为是一种最有前途的水处理高新技术。在光和氧或水的存在下可降解几乎所有的附着在半导体氧化物表面的各种有机物如氢化物、氮氧化物、硫化物、氯化物，所产生的电子可以还原重金属离子，半导体光催化剂还具有除臭、防腐和杀菌等多方面的功能。在空气和水的净化尤其是在饮用水和室内空气的深度处理与杀菌等方面显示出巨大的应用潜力。在光催化剂的应用上，一方面，为了提高激发态电子-空穴对的活性，从而提高催化活性，需要高的禁带宽度，也就是需要吸收带“兰移”。另一方面为了提高阳光(荧光)的利用率，又要求吸收带“红移”。这一对矛盾，一直制约了半导体氧化物光催化性的活性增强，也是多年来不能实用的根本矛盾所在。但随着纳米科技的发展，半导体氧化物在纳米尺度下禁带宽度得到满足，从根本解决了半导体氧化物催化剂活性增强的问题。纳米光催化剂具有高比表面积和表面能，活性点多，其光催化活性高。
早期光催化剂的应用，主要是将粉体催化剂投入到欲处理的水溶液中进行污染治理，虽然这方面的工作已取得了一定的成效，但因其粉末很细，回收困难，造成催化剂浪费，并增加了治理成本，致使其在实际应用上有一定的困难。近年来，人们已将研究重点转向制备高效率的半导体催化膜来取代其粉末，以解决固液分离问题。在催化剂的成膜(涂层)方面，要求其膜(涂层)具有一定的牢固性和保持较高的催化活性，这样，才能达到良好的使用效果。在解决了成膜(涂层)问题后，光催化技术的应用主要就决定于相应的装置和工艺。
发明内容
本发明的目的之一是提供光催化处理水的装置，该装置使用一种简单的光催化反应槽，槽内设有附载有光催化剂层的过流材料，同时设有光照射装置，在光的照射下，欲处理的水流经过槽内的过流材料便使水得到了处理；达到低成本处理污水的目的，尤其是在类似饮用水的深度净化与杀菌方面可达到不可替代的处理效果。
本发明的另一目的是提供利用本发明光催化处理水装置处理水的方法。
本发明是利用高催化活性的半导体催化剂，并在优选后的基材上制备了良好的催化剂涂层(其涂层具有一定的牢固性和保持较高的催化活性)基础上，进行应用研究得到的光催化实用技术。
本发明的光催化处理水的装置，包括光催化反应槽1、光照射装置2、附载有光催化剂的过流材料3，其特征是：在所述的光催化反应槽1中设有附载有光催化剂层的过流材料3，在光催化反应槽1的上方设有光照射装置2，在光催化反应槽1的两边分别设有进水口4和出水口5。
所述的光催化剂是氧化钛及其复合物或氧化锌及其复合物等。
所述的光催化反应槽1是由薄钢板焊接而成。
所述的过流材料3包括多孔陶瓷、金属网(如钢丝网)、玻璃纤维束或纤维布等。
使用的过流材料3可以是规则形状或非规则形状，如长方体或园柱体等。形状和摆放原则是使水流以稳定且尽可能大的量流经过流材料。过流材料3沉浸在反应槽内的水体中，过流材料3的上表面的水流高度为0.2～1.0cm。
本发明的水处理装置，其过流材料3所附载的光催化剂为半导体催化剂，半导体催化剂包括氧化钛、掺杂有贵重金属离子的氧化钛、掺杂有阴离子的氧化钛、氧化钛的复合物、氧化锌、氧化锌复合物或硫化物等。
所述的金属离子如铁离子，所述的阴离子如氮元素，所述的硫化物如硫化锌或硫化镉等。
所使用的附载技术可以达到光催化剂涂层与基材结合牢固，并且该涂层能够保持或提高其光催化活性。
本发明所述装置处理水的方法是在光的照射下，欲处理的水流经过槽内的过流材料便使水得到了处理。
水处理装置中的光照射装置，所使用的光源为可见光的短波段和/或紫外光，较好的波长为紫外光，日光也有一定的作用。较好的光源波长范围为320～400nm，其光照强度为30～180μW/cm2。该光照射装置包括灯架，灯管和其控制器件。光照射装置的光源与反应槽内水面距离为3.0～8.0cm。灯架与反应槽设有卡口，容易接合，并能够避免光线射出装置外。
本发明的光催化反应槽1，作为一个单元，根据处理的水体的流量和处理深度，可进行并联和串联使用。当并联使用时，需要配置配水槽和集水槽。水体可借助于自身重力或水泵动力流入进水管。出水靠重力自流。
本发明的装置简单，具有氧化分解有机污染物，还原重金属离子，除臭，防腐，杀菌等多方面功能，尤其是在类似饮用水的深度净化与杀菌方面可达到不可替代的处理效果。
附图说明
图1本发明的使用多孔陶瓷为过流材料处理水的装置侧视示意图。
图2本发明的使用不锈钢网为过流材料处理水的装置侧视示意图。
图3本发明的使用玻璃纤维束为过流材料处理水的装置侧视示意图。
图4本发明的使用多孔陶瓷为过流材料处理水的装置以并联或串联方式运行的反应槽侧视示意图。
图5本发明的3个过流材料组件以并联方式运行的反应槽俯视示意图。
图6本发明的3个过流材料组件以串联方式运行的反应槽俯视示意图。
附图标记：
1.反应槽 2.光照射装置 3.过流材料 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.潜水泵 12.配水板
13.隔流板 14.集水板 15.过流口
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的描述，所列举的实施例并非是限定性实施例。
实施例1
先将洁净的多孔陶瓷板制作成所需要的形状，如长方体。成膜(如溶胶-凝胶浸涂成膜)后，称为过流材料3，将数个过流材料3以等间距(陶瓷板的厚度等于空隙的厚度)竖向并垂至于水体的流等方向放置于38cm×9cm×2cm的反应槽1内(参见附图1)。在反应槽的上方，设有光照射装置2，该装置所使用的光源主波长为253.7nm的紫外灯，功率为25W，光强度为70μW/cm2。灯管下边距离反应槽1内的过流材料3的距离为7.0cm。将含有亚甲基蓝浓度为5×10-3mmol/L的水溶液50L用潜水泵以8～10L/min的流量经入水口4送入反应槽1中，调节出水流量控制水位高度，使整齐摆放的过流材料3的上表面之上均匀流过厚约0.5～1.0cm的水膜。欲处理的水体流经过流材料3之后，于出水口5以自流的方式流回放有潜水泵的水箱。这样，在紫外光的照射下，循环流经反应槽60小时后，水体中的亚甲基蓝的浓度降至为0.025×10-3mmol/L，有机物的去除率为99.5％。该装置运行一个月，水箱内无藻类生长，无任何异味。
实施例2
将附载有光催化剂的钢丝网(200目)裁剪成9cm×2cm网块，竖向并垂直于水体流动方向紧密叠放在38cm×9cm×2cm的反应槽1中(见附图2)。其它同实施例1。过流材料3在光照射装置2的照射下，该装置运行60小时后，水体中的亚甲基蓝的浓度降至为0.107×10-3mmol/L，有机物的去除率为97.9％。该装置运行一个月，水箱内无藻类生长，无任何异味。
实施例3
将附载有光催化剂的玻璃纤维依轴向顺着水体的流动方向堆放在38cm×9cm×2cm的反应槽1中(见附图3)。其它同实施例1。过流材料3在光照射装置2的照射下，该装置运行60小时后，水体中的亚甲基蓝的浓度降至为0.084×10-3mmol/L，有机物的去除率为98.3％。该装置运行一个月，水箱内无藻类生长，无任何异味。
实施例4
先将洁净的多孔陶瓷板制作成所需要的形状，如长方体。成膜(如溶胶-凝胶浸涂成膜)后，称其为过流材料3。将过流材料3放置于38cm×9cm×2cm的反应槽1内。在反应槽的上方，设有光照射装置2，该装置所使用的光源主波长为253.7nm的紫外灯，功率为25W，光强度为98μW/cm2。灯管下边距离反应槽1内的过流材料3的距离为7.0cm。为了提高处理能力，使用三个组件并联安装运行(见附图4，附图5)。将含有亚甲基蓝浓度为5×10-3mmol/L的水溶液50L用潜水泵11以25～30L/min的流量送入配水槽6中，配水槽6中的水体在配水板12的分配下流经配水口7进入反应槽1，过流材料3在光照射装置2的照射下，欲处理的水体流经过流材料3时进行催化反应，使水得到处理。调节水流量控制水位高度，使过流材料3的上表面之上均匀流过厚约0.5～1.0cm的水膜。反应后的水体在集水板14的导引下流经集水口8进入集水槽9，再经出水口5以自流的方式流回放有潜水泵11的水箱10中。这样，在紫外光的照射下，循环流经反应槽18小时后，水体中的亚甲基蓝的浓度降至为0.022×10-3mmol/L，有机物的去除率为99.6％。该装置运行期间，水箱内无藻类生长，无任何异味。
实施例5
先将洁净的多孔陶瓷板制作成所需要的形状，如长方体。成膜(如溶胶-凝胶浸涂成膜)后，称其为过流材料3。将过流材料3放置于38cm×9cm×2cm的反应槽1内。在反应槽1的上方，设有光照射装置2，该装置所使用的光源主波长为253.7nm的紫外灯，功率为25W，光强度为120μW/cm2。灯管下边距离反应槽1内的过流材料3的距离为7.0cm。为了提高水的处理深度，使用三个组件串联安装运行(见附图4，附图6)。将含有亚甲基蓝浓度为5×10-3mmol/L的水溶液50L用潜水泵11以8～10L/min的流量将水体送入配水槽6中，配水槽6中的水体在配水板12的分配下流经配水口7进入反应槽1，反应槽内设有隔流板13和过流口15来引导水流方向。在光照射装置2的照射下，欲处理的水体流经过流材料3时进行催化反应，使水得到处理。调节水流量控制水位高度，使过流材料3的上表面之上均匀流过厚约0.5-1.0cm的水膜。反应后的水体在集水板14的导引下流经集水口8进入集水槽9，再经出水口5以自流的方式流回放有潜水泵11的水箱1。这样，在紫外光的照射下，循环流经反应槽18小时后，水体中的亚甲基蓝的浓度降至为0.019×10-3mmol/L，有机物的去除率为99.6％。该装置运行期间，水箱内无藻类生长，无任何异味。