一种光电催化净化水处理装置的制作方法

本实用新型涉及水处理技术领域，具体地说是一种光电催化净化水处理装置。

背景技术：

随着社会的发展、人口的增长，能源和水资源已成为制约当今社会发展的瓶颈问题。生活、生产所用的水量逐年增加，同时排出的废水量也相应增加，许多排水的环境程度已超过了自然生态净化的极限，使得水环境污染日益严重。水体的污染主要包括重金属离子和有机物的污染。目前主要采用化学絮凝、微生物分解、膜过滤等方法。化学絮凝法需要添加大量絮凝剂如硫酸铝、硫酸亚铁、氯化铁、氯化铝、氢氧化铝、丙烯酰胺等，絮凝聚剂只对部分有极性的分子起作用，且其使用会造成大量淤泥产生，形成二次污染，导致淤泥的处理成本较高。微生物法分解处理水中的有机物，通常采用厌氧、好氧等工艺进行处理，对于毒性小、有机物浓度适中的废水处理效果较好，运行成本较低，但处理时间较长（2-15天），处理设施占地面积较大，且对水的毒性、温度、酸碱度等敏感。微生物（细菌、病毒）死亡后的尸体也属于有机物，会使有机污泥量增加，造成二次污染和处理成本增加。另外，对于浓度较高、毒性较大的废水，微生物易被毒死，处理效果差。而膜过滤法是通过膜材料的孔隙大小来截流不同尺寸的微粒（固体颗粒、有机分子、离子等），如微滤、超滤、纳滤、反渗透膜等，一般用于纯水、去离子水等的制备；若用于污水处理则成本偏高，膜孔易被堵，膜易被污染，且寿命较短，不适合大规模使用。

近年来所发展的紫外光催化氧化法是一种较节能的水处理新方法，光催化法一般采用纳米结构二氧化钛作为催化剂，在紫外光照射下可氧化分解水中的有机物，是一种节能型的有机物去除技术，但对于高浓废水，因水的透光性差，此法效率很低，处理效果较差。另外，因自然光中紫外光的比例很低(<3%），光的利用率不高；而目前人造的紫外光源主要是汞灯，其寿命较短(500-2000小时)，工作能耗较大，且废弃后的汞易造成严重的环境污染。另外，紫外光易造成对人体的伤害。故紫外光催化氧化法很难在废水处理领域实用化。

对于高浓有机废水处理，可采用等离子体或电化学氧化处理。等离子体氧化处理高浓有机废水的技术目前并不成熟，还处于研究阶段，因能耗、成本等因素还不易实际应用。而电化学氧化技术已在一些成本不敏感的领域开始应用。电化学氧化的装置，通常采用电容式结构，阳极材料采用Ti为基体，表面涂覆Pt、IrO、PbO₂、金刚石等薄膜作为催化材料，阴极采用不锈钢等材料，在两极间施加一定的电场后，在阳极表面的催化材料与水中有机物起电化学反应而氧化分解水中的有机物。但由于Pt、IrO、金刚石等材料昂贵而限制了其在废水处理领域的应用；而PbO₂虽然成本较低，但因Pb元素可能在反应过程中析出而造成二次污染，也限制了此方法的应用。另外，直接采用此类电化学氧化工艺，所需的电流密度较大（10-500mA/cm²），总体能耗较大，不易大规模应用。故需要一类成本较低、无二次污染且高效的电化学催化材料，并能应用于各类废水的处理，是目前迫切需要解决的问题。同时还需要将此类材料制备成适合的装置系统，结合相应的处理工艺，才能实现产业化和实际应用。

技术实现要素：

本实用新型为克服现有技术的不足，提供一种光电催化净化水处理装置，利用可见光催化和电催化协同作用的技术原理，采用一类低成本的复合材料作为光电催化功能的阳极材料，制造电容式结构的光电催化装置，可对各类有机废水进行有效的处理。

为实现上述目的，设计一种光电催化净化水处理装置，包括催化反应室，其特征在于：催化反应室的下端连接储泥料斗，储泥料斗的下端连接出泥口；位于催化反应室上方的一端设有进水口，催化反应室上方的另一端设有出水口；位于催化反应室的后方设有出泥槽，出泥槽的下端连接另一出泥口；位于出水口前方的催化反应室上设有刮泥板。

所述的催化反应室为光电催化反应室，催化反应室是由阳极基板和阴极基板的电容式电极阵列模块组成；阳极基板由具有可见光催化功能和电催化功能的纳米复合薄膜材料构成；阴极基板由导电的碳或金属构成。

位于催化反应室的一侧设有导流槽。

催化反应室外侧设有光源模块；催化反应室采用电源模块连接电器控制模块的一端，电器控制模块的另一端分别采用传感器连接进水口、出水口及光源模块。

所述的阳极基板是由石墨或钛或玻璃薄片或网纤维组成，在阳极基板的表面涂覆有催化材料；所述的阴极基板是由不锈钢或钛或铝或石墨的薄片或网组成。

所述的催化材料包括碳和金属氧化物可见光催化材料。

本实用新型同现有技术相比，利用可见光催化和电催化协同作用的技术原理，采用一类低成本的复合材料作为光电催化（photoelectro catalytic-PEC）功能的阳极材料，制造电容式结构的光电催化装置，可对各类有机废水进行有效的处理。

采用此装置对水中有机物的去除具有效率高、淤泥量小、时间短、占空间小，能耗低、整体运行处理费用低等特点，可实现规模化实际应用。

附图说明

图1为本实用新型结构主视图。

图2为本实用新型结构俯视图。

图3为本实用新型结构侧视图。

图4为本实用新型结构示意框图。

图5为本实用新型催化反应室的基本原理示意图。

具体实施方式

下面根据附图对本实用新型做进一步的说明。

如图1至图5所示，催化反应室12的下端连接储泥料斗14，储泥料斗14的下端连接出泥口15；位于催化反应室12上方的一端设有进水口10，催化反应室12上方的另一端设有出水口13；位于催化反应室12的后方设有出泥槽21，出泥槽21的下端连接另一出泥口22；位于出水口13前方的催化反应室12上设有刮泥板16。

位于催化反应室12的一侧设有导流槽11。

催化反应室12外侧设有光源模块4；催化反应室12采用电源模块3连接电器控制模块2的一端，电器控制模块2的另一端分别采用传感器连接进水口10、出水口13及光源模块4。

催化反应室12为光电催化反应室，催化反应室12是由阳极基板61和阴极基板62的电容式电极阵列模块组成；阳极基板61由具有可见光催化功能和电催化功能的纳米复合薄膜材料构成；阴极基板62由导电的碳或金属构成。

阴极基板62材料可由不锈钢、钛、铝、石墨的薄片或网组成。阳极基板61材料由石墨或钛或玻璃薄片或网（纤维）组成基体，在薄片或网表面涂覆具有光电催化功能的薄膜材料。催化材料包括碳石墨、碳纤维、纳米管、石墨烯、金刚石和金属氧化物可见光催化材料WO₃、F:SnO₂、N:SnO₂、Sb:SnO₂、F:TiO₂、N:TiO₂、Sb:TiO₂、Al:ZnO、B:ZnO、Fe₂O₃、V₂O₅、Bi₂O₃、MnO₂、Mn₂O₃、Mn₃O₄、Bi₂MoO₆、Bi₂WO₆、BiVO₄等，以及上述材料中的两种或三种复合材料。催化材料是由颗粒尺寸在10~100nm范围的纳米结构的晶体材料组成。催化材料可采用喷涂、辊涂、印刷、浸涂、化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）等工艺将上述材料涂在基体表面制备成薄膜，薄膜的厚度在10nm~1mm范围。复合催化材料也可制备成颗粒状，尺寸在1~10mm，通过绝缘材料的网，网孔不大于颗粒尺寸，将催化材料颗粒包裹在基体表面两侧，催化材料颗粒厚度在1~30mm范围，此结构也可称为三维催化电极结构。

将上述电极材料的阴极基板62和阳极基板61至少一对组成光电催化的电容式反应室。如图5所示，具体将涂敷有光电催化材料的阳极基板61和阴极基板62平行排列，间距保持在5~50mm，组成平行板电容结构的催化反应室12；在阴、阳基板间接直流电源模块3，其中阴极基板62接电源负极，阳极基板61接电源正极，电压为0.1~4V范围，电极间的电流密度在0.01~20mA/cm²范围，可采用太阳能电池供电。根据阳极基板61催化材料的不同，可具体分为催化聚合和催化氧化分解两种功能，阴极基板62主要以催化还原功能为主。采用可见光光源模块4进行辐照。可采用自然光如阳光或人工光源如发光二极管LED。LED光源以可见光为主，波长范围为400~700nm，可为白光LED、紫光LED（如400-430nm）、蓝光LED（如450-480nm）、绿光LED（如520-550nm）等，具有节能环保、使用寿命长（5-10万小时）、体积小等特点。在白天可尽量采用自然光辐照进行水处理，可节省能源。晚上没有光时，可利用高效节能的LED光源辐照，保证水处理工艺的连续性。在实际应用时，可将阳极基板61和阴极基板62的基板多片进行排列组成光电催化阵列模组，进行规模化的水处理工程应用。

催化反应室12下部有固液分离结构，催化反应室12下部为储泥料斗14，易于固体微粒沉淀；催化反应室12上部有液体溢流槽和自动刮泥机构，并连接出泥槽21。催化反应室12上方有刮泥板16，可在电机驱动下定时自动对水面上的淤泥刮除至出泥槽21。当出泥槽21和储泥料斗14的泥量积累之一定高度时，由排泥泵定期将从出泥口15和另一出泥口22分别排出。反应后的水经侧面的出水口13排除。

具体步骤如下：

（1）将废水由泵抽入或者溢流至催化反应室的进水口，经导流槽将废水充满安装有催化反应室；

（2）在阳极基板和阴极基板施加直流电压，电压值为0.1~24V，根据进水的电导率不同，阳极基板和阴极基板之间的电流密度为0.01~20mA/cm²，处理时间为10~120分钟；

（3）在电场作用下，废水中的阳离子，如氢、钙、镁、铬、镍等会运动至阴极基板表面，当金属阳离子在阴极基板获得电子后会沉积在阴极基板表面，而氢离子获得电子后会产生氢气，形成微气泡；

（4）在电场作用下，阴离子往阳极基板表面运动，与阳极基板表面的催化材料反应后，会产生羟基自由基、氧、臭氧等基团，与水中的有机分子作用后会生出CO2，在阳极基板表面也会形成微气泡；

（5）在光源模块的辐照下，会加速阳极基板表面的催化反应；

（6）在电场与催化材料的作用下，当较大分子量的有机物或含有钙、镁等离子的团聚体较大、较重时，会从水中直接沉积至催化反应室的底部，到一定量时可通过底部的出泥口排出；

（7）对于高浓有机废水，因其透光性较差，主要采用电催化为主的工艺进行预处理，阴、阳极基板之间的电压范围在2~24V，时间为20~120min；当水中的有机物浓度较低时，水的透光性较好，可采用光电协同的催化工艺进行处理，阴、阳极基板之间的电压范围在0.1~12V，时间为10~60min，总体能耗较低。

废水包括工业冷却循环水、印染废水、养殖废水、皮革清洗废水、垃圾渗滤液、焦化废水、医药生产废水、机械零部件清洗废水、游泳池水、河道湖泊污染水。