一种光催化吸附处理含汞废水的装置及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种高效处理含汞废水的装置及方法，可将含汞废水处理达标回用或排放，且成本较低。本发明光催化吸附处理含汞废水的装置结合光催化剂(TiO2、改性TiO2或其他光催化剂)的光催化还原作用与载体的吸附作用，并且使用自行设计的LED灯作为光源，反应装置采用石英玻璃制作材料并外镀镜面，最大限度利用光线。内层石英套筒放置光源，内层石英套筒与外层石英套筒之间填充光催化吸附混合材料，下部为进水及曝气装置，三部分通过磨砂接口拼接。反应装置还附有光催化吸附混合材料的再生部件，回收富集的反应产物。
【专利说明】一种光催化吸附处理含汞废水的装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种处理废水的装置及其方法，更具体地说涉及一种光催化吸附处理含汞废水的装置及其方法，属于重金属污染废水处理领域。
【背景技术】
[0002]汞是一种危害性极大的重金属元素，火山喷发、化石燃料的燃烧、氯碱产业以及随意丢弃的电子生活垃圾都会向环境中排放大量的汞。汞能够与含巯基蛋白结合，影响器官与组织的生理活性甚至于致命，而且重金属元素在生物体内有富集效应，而且转化为有机态之后危害更大，所以现行的标准要求水体中汞含量低至yg/L级别。当前针对汞污染的处理方法有吸附、化学沉淀、絮凝、离子交换和固相萃取等等，但是由于汞元素的特性且自然状态下含量低，上述方法不能很好地对含汞废水进行处理并予以回收。
[0003]自20世纪70年代以来，光催化技术被寄予厚望并且得到大量研宄，已经广泛应用于污水处理、废气处理、光致亲水性材料、光解水制氢、抑菌和表面自清洁材料等领域。其中，作为高级氧化技术的一种，光催化技术在废水处理中展示了其相对于其他处理方式的优越性，如耗能低，处理效果彻底，绿色环保等。
[0004]作为典型的光催化剂，T12或掺杂T1 2在光催化领域应用最为广泛，当吸收一定能量的光子时，T12价带上的电子会跃迀至导带，并在价带上相应地形成空穴。光生电子与光生空穴分别具有极强的还原性和氧化性，光生电子可以迀移至半导体的表面与金属元素发生还原反应，对于汞元素而言，还原产物单质汞形成后会吸附于催化剂或吸附剂表面，从而通过还原与吸附作用将汞从水中分离并富集。再通过稀硝酸等再生液将富集的汞回收。
【发明内容】
[0005]本发明的目的解决现有技术存在的问题与不足，提供一种高效处理含汞废水的装置及方法，该装置与方法可将含汞废水处理达标回用或排放，且成本较低。
[0006]本发明光催化吸附处理含汞废水的装置，其包括有LED光源1、光催化吸附混合材料2、排气口 3、出水口 4、催化吸附反应器5、再生组件6、曝气室7、进气口 8、进水口 9和布水器10，所述的催化吸附反应器5石英玻璃制成，催化吸附反应器5的内层石英套筒放置LED光源1，催化吸附反应器5的内层石英套筒与外层石英套筒之间填充光催化吸附混合材料2，催化吸附反应器5下部依次设有布水器10和曝气室7，曝气室7下端设有进气口 8和进水口 9，催化吸附反应器5上部设有排气口 3与出水口 4，其中排气口高于出水口 ；再生组件6通过管路与催化吸附反应器5连接，在光催化吸附反应时与催化吸附反应器5经阀门隔开，当光催化吸附混合材料2表面的反应产物富集量较高时可将再生组件6连通催化吸附反应器5的阀门打开将其并入催化吸附反应器5，利用再生试剂将吸附的汞洗脱，将催化剂再生。
[0007]本发明的光催化吸附处理含汞废水的装置，其进一步的技术方案是所述的LED光源I由LED灯珠贴片制成，横截面为多面体，四周贴合适应催化吸附反应器5的内层石英套筒内壁，同时光源的长度根据需要可进行调节。本发明可根据光波需求选择特定的灯珠，而LED灯珠的最主要特点就是寿命长，产热少。光源的长度根据需要可进行调节，便于催化吸附反应器的设计。
[0008]本发明的光催化吸附处理含汞废水的装置，其进一步的技术方案还可以是所述的催化吸附反应器5最外层石英玻璃外镀镜面，通过镜面反射减少装置内部LED灯光线的损失。
[0009]本发明的光催化吸附处理含汞废水的装置，其进一步的技术方案还可以是所述的光催化吸附混合材料2由载体及负载在载体上的光催化剂组成，光催化剂使用溶胶凝胶法负载于载体表面。更进一步的技术方案是所述的载体为活性氧化铝、沸石、玻璃纤维布、玻璃珠或活性炭；所述的光催化剂为Ti02、改性Ti02或其他光催化剂。
[0010]本发明的光催化吸附处理含汞废水的装置，其进一步的技术方案还可以是所述的排气口 3排出的气体可根据实际需求循环通入串联的反应装置，出水口 4排出的处理后废水根据实际效果循环处理或者排出。
[0011]本发明的光催化吸附处理含汞废水的装置，其进一步的技术方案还可以是所述的再生试剂为稀硝酸、高锰酸钾溶液或硫脲。
[0012]使用本发明上述的装置处理含汞废水的方法，其包括以下步骤:将含有无机汞及有机汞的废水通过反应装置，气体与液体在曝气室7充分混合后，经布水器10均匀上升进入催化吸附反应器5的反应室，经过光催化还原反应之后被光催化吸附混合材料吸附；反应温度为20-30°C、反应时pH范围7-10，曝气为空气，反应时添加的辅助试剂为甲醇、乙醇、甲酸或EDTA。
[0013]本发明的处理含汞废水的方法，其进一步的技术方案是当光催化吸附混合材料的光催化处理能力与吸附容量近饱和状态时，通过再生支路将再生试剂通入反应装置，将反应后光催化吸附混合材料表面的反应产物富集，光催化吸附混合材料得到再生。更进一步的技术方案是所述的再生试剂为稀硝酸、高锰酸钾溶液或硫脲。
[0014]本发明中内层石英套筒放置光源，内层石英套筒与外层石英套筒之间填充光催化吸附混合材料，下部为进水及曝气装置，三部分通过磨砂接口拼接。
[0015]与现有技术相比本发明具有以下有益效果:
[0016](I)本发明中设计的光源使用LED灯珠贴片制作，横截面为多面体，四周贴合适应套筒内壁，光线强度高，发光均匀，寿命长，发热少。光催化反应装置由石英玻璃制成，减少对紫外光的吸收，而且最外层石英玻璃外镀镜面，通过镜面反射减少装置内部LED灯紫外光的损失，最大限度利用LED灯紫外光。
[0017](2)光催化吸附混合材料其载体化学性质稳定，与催化剂结合良好，具有较高的比表面积且光透过性良好。不但可以实现汞的光催化还原，而且对光催化还原产物具有很好的吸附效果。
[0018](3)所设计反应器为连续反应器，并且可将多组反应器串联使用，处理量大。
[0019](4)无机汞及有机汞的废水，经曝气混合，经过1102光催化还原反应之后被光催化吸附混合材料吸附；通过控制反应温度、反应pH、曝气量及曝气种类、辅助试剂的添加、反应时间等条件优化处理效果。
[0020](5)当光催化吸附混合材料的光催化处理能力与吸附容量近饱和状态时，通过再生支路将再生试剂通入反应装置，将反应后吸附于光催化吸附混合材料表面的反应产物富集，光催化吸附混合材料得到再生。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明装置的结构示意图。
[0022]图2为LED光源I结构示意图。
[0023]图3为布水器10结构示意图
【具体实施方式】
[0024]本发明实施例中的装置，其包括有LED光源1、光催化吸附混合材料2、排气口 3、出水口 4、催化吸附反应器5、再生组件6、曝气室7、进气口 8、进水口 9和布水器10，所述的催化吸附反应器5石英玻璃制成，催化吸附反应器5的内层石英套筒放置LED光源1，催化吸附反应器5的内层石英套筒与外层石英套筒之间填充光催化吸附混合材料2，催化吸附反应器5下部依次设有布水器10和曝气室7，曝气室7下端设有进气口 8和进水口 9，催化吸附反应器5上部设有排气口 3与出水口 4，其中排气口高于出水口 ；再生组件6通过管路与催化吸附反应器5连接，在光催化吸附反应时与催化吸附反应器5经阀门隔开，当光催化吸附混合材料2表面的反应产物富集量较高时可将再生组件6连通催化吸附反应器5的阀门打开将其并入催化吸附反应器5，利用再生试剂将吸附的汞洗脱，将催化剂再生。所述的LED光源I由LED灯珠贴片制成，横截面为多面体，四周贴合适应催化吸附反应器5的内层石英套筒内壁，同时光源的长度根据需要可进行调节。光源套筒外径为5.5cm，长为55cm，内外套筒夹层间距为0.8cm，外层套筒外镀镜面。光源为正六面体截面贴片LED灯，光谱范围为紫外光，使用寿命达50000小时以上。
[0025]光催化吸附混合材料载体为活性氧化铝，通过溶胶凝胶法负载T12,具体方法为:
[0026](I)活性氧化铝粒径为3mm左右，分别用甲醇与去离子水清洗，然后于100°C干燥；
[0027](2)非离子型表面活性剂作为致孔剂溶解于异丙醇，再加入适量乙酸调节pH约为6.4，然后将乙二胺逐滴加入溶胶中作为掺杂氮源。随后在剧烈搅拌状态下逐滴加入钛酸异丙酯，再加入剩余的乙酸。室温下搅拌过夜得到透明、均匀、稳定的溶胶。溶胶中添加商品用T12，添加量为6g/L，超声振荡使其均匀分散。
[0028](3)将洗净干燥后的活性氧化铝浸入溶胶中，超声振荡1min后取出自然放置lOmin，然后在100°C烘干20min，重复3次，最后在程序升温马弗炉中以2°C /min的升温速度升至500°C，保温120min后自然冷却。
[0029]实施例1:将Hg2+浓度为10.0mg/L废水，调节pH值为8，维持温度25°C，加入甲醇至其浓度约为1%。打开光源，打开上方排气口与出水口。将废水以50mL/min的流速自装置下方进入，同时控制曝气流速为50mL/min。使用原子荧光光谱检测反应后水样中Hg2+浓度。实验结果表明，经处理后，出水中Hg2+去除量达到99.9%。
[0030]光催化反应之后，将再生组件并入反应器，使用0.02% KMnO4溶液(含3% H 2S04)作为再生液，将光催化吸附混合材料进行再生，同时将反应后的汞回收。经含量检测和计算，汞回收率可达99%以上。
[0031]实施例2:甲基汞浓度为1.0mg/L的废水，调节pH值为10，维持温度25°C，加入甲醇至其浓度约为1%。打开光源，打开上方排气口与出水口。将废水以50mL/min的流速自装置下方进入，同时控制曝气流速为50mL/min。使用原子荧光光谱检测反应后水样中甲基汞及汞浓度。实验结果表明，废水中甲基汞去除量达到99.9%以上。
[0032]光催化反应之后，将再生组件并入反应器，使用0.02% KMnO4溶液(含3% H 2S04)作为再生液，将光催化吸附混合材料进行再生，同时将反应后的汞回收。经含量检测和计算，汞回收率可达99%以上。
[0033]实施例3:将Hg2+浓度为10.0mg/L废水，调节pH值为7，维持温度30°C，加入甲醇至其浓度约为1%。打开光源，打开上方排气口与出水口。将废水以50mL/min的流速自装置下方进入，同时控制曝气流速为50mL/min。使用原子荧光光谱检测反应后水样中Hg2+浓度。实验结果表明，经处理后，出水中Hg2+去除量达到99.9%。
【权利要求】
1.一种光催化吸附处理含汞废水及回收汞的装置，其特征在于包括有LED光源(I)、光催化吸附混合材料(2)、排气口(3)、出水口(4)、光催化吸附反应器(5)、再生组件(6、曝气室(7)、进气口(8)、进水口(9)和布水器(10)，所述的光催化吸附反应器(5)由石英玻璃制成，催化吸附反应器(5)的内层石英套筒放置LED光源(I)，催化吸附反应器(5)的内层石英套筒与外层石英套筒之间填充光催化吸附混合材料(2)，催化吸附反应器(5)下部依次设有布水器(10)和曝气室(7)，曝气室(7)下端设有进气口(8)和进水口(9)，催化吸附反应器(5)上部设有排气口(3)与出水口(4)，其中排气口高于出水口 ；再生组件(6)通过管路与催化吸附反应器(5)连接，在光催化吸附反应时与催化吸附反应器(5)经阀门隔开，当光催化吸附混合材料(2)表面的反应产物富集量较高时可将再生组件(6)连通催化吸附反应器(5)的阀门打开将其并入催化吸附反应器(5)，利用再生试剂将吸附的汞回收，将催化剂再生。
2.根据权利要求1所述的光催化吸附处理含汞废水及回收汞的装置，其特征在于所述的LED光源(I)由LED灯珠贴片制成，横截面为多面体，四周贴合适应催化吸附反应器(5)的内层石英套筒内壁，同时光源的长度根据需要可进行调节。
3.根据权利要求1所述的光催化吸附处理含汞废水及回收汞的装置，其特征在于所述的催化吸附反应器(5)最外层石英玻璃外镀镜面，通过镜面反射减少装置内部LED灯光线的损失。
4.根据权利要求1所述的光催化吸附处理含汞废水及回收汞的装置，其特征在于所述的光催化吸附混合材料(2)由载体及负载在载体上的光催化剂组成，光催化剂使用溶胶凝胶法负载于载体表面。
5.根据权利要求4所述的光催化吸附处理含汞废水及回收汞的装置，其特征在于所述的载体为活性氧化铝、沸石、玻璃纤维布、玻璃珠或活性炭；所述的光催化剂为T12、改性Ti O2或其他光催化剂。
6.根据权利要求1所述的光催化吸附处理含汞废水及回收汞的装置，其特征在于所述的排气口(3)排出的气体可根据实际需求循环通入串联的反应装置，出水口(4)排出的处理后废水根据实际效果循环处理或者排出。
7.一种使用如权利要求1-6任一所述的装置处理含汞废水的方法，其特征在于包括以下步骤:将含有无机汞及有机汞的废水通过反应装置，气体与液体在曝气室(7)充分混合后，经布水器(10)均匀上升进入催化吸附反应器(5)的反应室，经过光催化还原反应之后被光催化吸附混合材料吸附；反应温度为20-30°C、反应时pH范围7-10，曝气为空气，反应时添加的辅助试剂为甲醇、乙醇、甲酸或EDTA。
8.根据权利要求7所述的处理含汞废水的方法，其特征在于当光催化吸附混合材料的光催化处理能力与吸附容量近饱和状态时，通过再生支路将再生试剂通入反应装置，将反应后光催化吸附混合材料表面的反应产物回收，光催化吸附混合材料得到再生。
9.根据权利要求8所述的处理含汞废水的方法，其特征在于所述的再生试剂为稀硝酸、高锰酸钾溶液或硫脲。
【文档编号】C02F1/32GK104445498SQ201410643388
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月13日 优先权日:2014年11月13日
【发明者】罗正维, 江晖, 耿文华 申请人:南京工业大学