磁性纳米TiO2/SiO2/Fe3O4复合光催化剂净化废水方法及装置 【技术领域】
本发明涉及废水或者污水的处理方法，尤其是利用磁性纳米TiO2/SiO2/Fe3O4复合光催化剂净化废水或污水的方法及装置。
背景技术
随着人们生活水平的提高和环保意识的加强，对废水或污水处理的研究和实施也在不断深化和发展。现有废水或污水处理方法一般有物理过滤法、化学药剂法、生化法、化学-氧化法等。如CN1120833公开的名称为“含有有机化合物和无机化合物的污水处理方法”的中国发明专利申请，其所公开的污水处理方法就包括了化学反应和/或机械分离方法分离悬浮固体物的工序；热碱处理工艺；生物处理工序和臭氧处理工序。按照现有的技术手段，这些处理方法一次性处理废水或污水一般不够彻底，为了改善废水或污水处理的指标，需要重复进行热碱处理、生物处理和臭氧处理，将处理过的废水或污水进行二次处理，以达到我们使用的要求及环保要求，但是这种处理方式会使成本大量增加，而效果却不理想。而且，现有的污水处理方法很多添加剂是有毒副作用的，容易对环境造成二次污染，不满足现代社会所倡导的“绿色”环保理想。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，在现有污水处理方法地基础上，提供一种处理效率高、无二次污染、成本低的废水净化方法及其装置。
本发明的另一个目的在于提供一种使用磁性纳米TiO2/SiO2/Fe3O4复合光催化剂净化废水的方法以及净化装置，该方法和装置能够将废水或污水中的有害粒子氧化或还原，使废水或污水得到有效地净化，且不会留存有有害物质。
总之，本发明是按照如下方式实现的：
一种磁性纳米TiO2/SiO2/Fe3O4复合光催化剂净化废水方法，其特征在于，废水或污水先经过预处理，然后再对经预处理的污水利用磁性纳米TiO2/SiO2/Fe3O4复合光催化剂进行光催化氧化处理，光催化氧化处理是使污水在光照的条件下与纳米TiO2/SiO2/Fe3O4复合光催化剂的粉体充分混合，发生光催化氧化反应，从而使有害粒子被氧化或被还原。
光催化氧化的原理是：纳米光催化剂在光能的作用下，低能价带电子发生跃迁，变为激发态，跃迁至高能价带生成光生电子，该光生电子具有强还原性，而低能价带则因此出现光生空穴，具有强氧化能力，可杀菌、消毒，几乎可以氧化一切有机污染物。
所述的预处理是指对废水或污水先进行絮凝处理，选用常用的聚丙烯酰胺和硫酸铝两种药剂混和絮凝，必要时可进行二次混凝，可大大降低污水的化学需氧量(COD)、生物需氧量(BOD5)浓度；而且经预处理的污水中COD浓度小于200毫克/升，以便于磁性纳米TiO2/SiO2/Fe3O4复合光催化剂进行光催化氧化处理。
一种利用磁性纳米TiO2/SiO2/Fe3O4复合光催化剂进行净化的装置，其特征在于，所述光催化氧化装置包括进水口、处理池和出水口，且在所述处理池中设置有光源和表面布满小孔的曝气管，该曝气管在空气曝气时能使磁性纳米TiO2/SiO2/Fe3O4复合光催化剂的粉体能在污水中均匀悬浮，以与废水或污水充分混合。
所述磁性纳米TiO2/SiO2/Fe3O4复合光催化剂粉体是具有双层包覆结构的磁性纳米TiO2/SiO2/Fe3O4复合光催化剂，即其微观粒子内部核心是Fe3O4，Fe3O4的外部包覆有SiO2，SiO2的外部包覆有TiO2。
所述光源是采用紫外光源，设置在处理池的中央位置，其可设置多个，均匀分布于处理池的中央位置，以便于对磁性纳米TiO2/SiO2/Fe3O4复合光催化剂进行紫外线辐射激活；依照紫外线灯管的有效半径，采用两个紫外光源就可以达到较好的光催化效果。
所述的曝气管是一般采用塑料制成，塑料曝气管能耐废水或者污水的酸、碱、盐腐蚀，可长期使用，且其表面不易结垢。
上述的曝气管，其设置于所述光源的下方，且其基本为圆筒体结构，所述圆筒体表面均匀分布并开设有一定数目的小气孔。这些小气孔在通过空气曝气时用于将磁性纳米TiO2/SiO2/Fe3O4复合光催化剂与废水或污水进行充分混合的。
上述的塑料曝气管，其塑料圆筒体为直径相同的U型结构，且U型开口的间距与多个紫外光源之间的间距相同，一般为20-60cm。
利用磁性纳米TiO2/SiO2/Fe3O4复合光催化剂进行净化的装置，其外部可设置曝气装置，内部的U型圆筒体的底部与外界曝气装置连通，以及时补充气体，使上述的光催化剂能够与废水或污水充分混合，以能够最大限度地氧化、还原废水或污水中的有害污染物微粒，充分净化水质。
本发明是利用磁性纳米TiO2/SiO2/Fe3O4复合光催化剂净化废水方法及装置，通过使用悬浮状磁性纳米TiO2/SiO2/Fe3O4复合光催化剂对废水或污水进行光催化氧化处理，可以获得比现有的污水处理手段更好的净水效果，其净水效率高，成本低。
并且，实施光催化氧化处理方法，只需借助光能和纳米光催化剂，不需另外添加其他化学药剂，降解水中有机污染物时，最终产物为二氧化碳、水和无机小分子，对环境不会产生二次污染，符合“绿色”环保的要求。
【附图说明】
图1是本发明磁性纳米TiO2/SiO2/Fe3O4复合光催化剂净化废水装置的一个实施例的结构示意图，
图2是图1所示A向的结构示意图。
【具体实施方式】
图1所示，在本发明的一个实施例中，磁性纳米TiO2/SiO2/Fe3O4复合光催化剂净化废水装置是指经混凝预处理后的再进行光催化氧化的装置。
如图1所示，光催化氧化装置包括进水口1、处理池3、出水口2、曝气装置4和伸入所述处理池3中的曝气管401。在所述处理池3中设置有光源301和302。所述光源301和302是采用紫外线灯光源，均匀设置在处理池3的中央位置。所述曝气管是采用塑料制成，为置于所述光源下方的呈U型的直径均匀的圆筒体，表面均匀布满一定数目的小孔5，通气后可起到搅拌作用和补充光催化氧化所需反应物氧气的作用，曝气可使光催化剂粒子在污水中均匀悬浮，所述圆筒体为直径相同的U型结构，且U型开口的间距与两根紫外灯管的间距相同，为30cm。所述曝气管的支撑结构303的高度约为2cm。
在本实施例中，纳米光催化剂是采用磁性纳米TiO2/SiO2/Fe3O4复合光催化剂6。由于纳米Fe3O4微粒具有很好的磁性，包覆制备后的TiO2/SiO2/Fe3O4复合粒子具有优异的软磁性能，Bs＝0.62T，Br＝0.01T，Hc＝0.16A/m，具有很好的可回收重用性，且不易产生磁聚。而SiO2与Fe3O4粒子有较好的亲和性，易于在Fe3O4颗粒表面包覆一层薄的非晶SiO2隔离过渡层，然后再在其上包覆TiO2外包覆层，SiO2隔离过渡层不仅可以有效减少热处理过程中磁性核心与二氧化钛包覆层之间的交互作用，并大大降低Fe3O4内核局部氧化的程度，还起到加强粘结的作用。
其中，磁性纳米TiO2/SiO2/Fe3O4复合光催化剂6的制备方法如下：
将制备好的纳米Fe3O4粉末称重后与一定量的无水乙醇混合制成溶胶状混合液，制备时按比例提取含有0.2g Fe3O4粉末的混合液倒入锥形瓶，然后往锥形瓶中加入一定量的水和氨水，再加入无水乙醇使混合液总体积为450mL。将此混合液在室温下(约20℃)强力搅拌，同时往混合液中缓慢滴加0.004mol正硅酸乙酯，陈化5h，即可在Fe3O4磁性核心表面包覆一层SiO2，经离心过滤后再用无水乙醇清洗三次，放入60℃干燥箱中干燥15h，轻轻研磨即可制得SiO2/Fe3O4粉末。
再称取0.2g SiO2/Fe3O4粉末，与50mL无水乙醇混合后放入超声波清洗器超声分散0.5h，使SiO2/Fe3O4复合微粒在无水乙醇中充分分散。然后往上述混合液中加入一定量的水和无水乙醇，控制SiO2/Fe3O4复合粒子的浓度在0.45g/L左右。将装有混合液的锥形瓶放入45℃水浴中，在剧烈搅拌条件下逐滴加入适量钛酸四正丁酯(Ti(Obu)4)的乙醇溶液，陈化5h，经离心过滤后分别用无水乙醇和去离子水清洗3次，放入60℃干燥箱中干燥48h，轻轻研磨压碎。再将干燥后粉末置于马弗炉中，以6℃/min的加热速率升温至450℃，保温3h，冷却至室温，即制得可用于光催化反应的磁性纳米TiO2/SiO2/Fe3O4复合光催化剂6。
在光催化氧化装置中对污水进行光催化氧化处理。在紫外光的催化作用下，磁性纳米TiO2/SiO2/Fe3O4复合光催化剂吸收光子，诱发半导体产生光生电子和光生空穴，使那些难以生物降解或难以通过化学方法氧化的有机物被氧化降解，还可以使有毒有害的无机离子(如Pb2+，Cu2+，Hg2+，Cr6+等)被还原。
在处理过程中，光源根据实际需要可以选用不同功率的紫外光源及光照时间。COD、BOD5浓度低则光源可选用较低功率或缩短光辐射时间，反之，则选用较大功率的光源，延长光辐射时间或适当补加双氧水。
实验证明，COD浓度约为200mg.L-1的活性红染料废水经光催化氧化处理8小时左右，污水中COD浓度可降至10毫克/升以下。