一种棱镜分光谱光催化污水降解反应装置的制作方法

本实用新型属于光催化技术领域，具体涉及一种棱镜分光谱光催化污水降解反应装置。

背景技术：

随着社会经济的发展，废弃药物、杀虫剂、化工原料和有机物燃烧副产品对环境造成了巨大的影响，含有氯有机物、芳香族有机物、醇、醛、酮、链烃、及含硫、含氮等有机物溶解在水中，对我国的环境造成了破坏。常规污水处理的方法为物理、化学和生物等方法，能够有污水中部分有害物质进行降解和分解，但是污水中有机物却不能有效降解。自1976年jhcarry发现光照tio2条件下可以使多氯联苯脱氯的现象，光催化技术引起了许多学者的关注。使用太阳光和光催化剂相结合对含有难降解有机物的污水进行降解处理，是一种新型、价格低廉、操作简便、无二次污染的方法。

光催化剂在紫外光的激发下电子跃迁到导带，形成导带电子(e-)，同时在价带留下空穴(h+)。电场的作用下或者扩散作用与催化剂表面物质发生氧化还原反应，能够将多种有机物和少量的无机物氧化为水和二氧化碳等无害物质。实现光催化技术的工业应用，高效的光催化反应器必不可缺少。

太阳能具有清洁性、广泛性和低密度等特点，抛物面的定日镜可以实现太阳能的聚集。光催化的反应速率和入射光的波长以及污水的温度相关，研究表明：光和热协同作用下可以显著提高光催化剂的反应速率。

光催化剂反应器通常分为悬浮式和固定式。悬浮式光催化反应器是将催化剂与污水直接混合，形成悬浊液分布在光反应器中，催化剂接触面积大。但是催化剂容易团聚沉积，附着在反应器的底部难以清洗，同时催化剂回收处理困难，反应器长期运行成本较高，工业中推广应用较为困难。固定式光催化反应器是将催化剂固定在玻璃珠、石英砂等颗粒状载体上的反应器，外层载体会影响内层催化剂对于太阳辐射的接收，整个光催化反应速率较低。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种棱镜分光谱光催化污水降解反应装置，以克服现有技术存在的缺陷，本实用新型可以快速降低催化剂附近区域反应产物的浓度，提高化学反应速率。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种棱镜分光谱光催化污水降解反应装置，包括棱镜分光谱光催化反应器，棱镜分光谱光催化反应器上部设置有聚光器，棱镜分光谱光催化反应器的入口端通过管线连接至污水加热装置，棱镜分光谱光催化反应器的出口端通过管线连接至水箱，水箱底部的出口端通过水泵连接至污水加热装置的入口端，水箱底部的出口端还连接有污水出水管道，水箱的顶部连接有污水进水管路。

进一步地，所述棱镜分光谱光催化反应器包括催化反应器底盖和上密封顶盖，催化反应器底盖和上密封顶盖之间形成空腔，空腔中设置有若干并排分布的三棱镜，相邻的三棱镜之间形成三棱镜流道，三棱镜流道中设置有若干光催化反应装置，催化反应器底盖的两端分别设置有污水进口和污水出口。

进一步地，污水进口处安装有液体均布器。

进一步地，液体均布器由孔隙率为0.8-0.9的多孔介质组成。

进一步地，所述三棱镜呈倒三角方式设置，相邻的三棱镜之间形成三棱镜流道。

进一步地，光催化反应装置包括设置在三棱镜流道中且与三棱镜流道垂直的玻璃旋转转子，三棱镜流道的两侧设置有与玻璃旋转转子配合的安装槽，玻璃旋转转子的周向上均匀布置有若干玻璃翅片，玻璃翅片的两面均匀的布置有若干玻璃半球体，玻璃翅片和玻璃半球体上黏贴有催化剂。

进一步地，玻璃半球体的直径为0.4-0.5cm。

进一步地，污水加热装置包括若干真空管，真空管的上侧设置有抛物面反射镜。

进一步地，水泵与污水加热装置之间的管线上设置有进水电磁阀，污水加热装置的出口端和进水电磁阀之间设置有污水温控系统。

进一步地，污水出水管道上设置有排水电磁阀，水箱与排水电磁阀之间设置有污水有害物浓度检测装置。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型通过主要利用棱镜原理将太阳光分解不同波段区域的光谱，阳光紫外光波段和部分可见光可以准确的激发催化剂，同时污水加热装置可以高化学反应的速率，光-热协同作用共同促进催化反应的速率，更加高效的利用紫外波段光和部分波段可见光，另外设置污水加热装置，能够通过光催化剂和光-热协同作用，提高光催化降解过程的效率。

进一步地，污水在棱镜流道内流动时会带动玻璃旋转转子和玻璃翅片转动，进一步加速了污水流动的扰动，可以快速降低催化剂附近区域反应产物的浓度，提高化学反应速率。最后利用太阳能和真空管预先加热待处理污水然后进入棱镜分光谱光催化反应器可以协同加速催化反应过程。

进一步的，在催化反应器进口处布置了多孔介质，可以实现污水均匀流进棱镜流道中，催化剂黏贴在玻璃翅片表面，不随流体流动，能够实现催化剂的回收利用，同时玻璃翅片表面有0.4cm的玻璃半球体可以增加催化反应过程的接触面，实现光催化反应的效率最大化。

进一步的，本实用新型中污水加热装置出口与棱镜分光谱光催化反应器的进口相连接，通过管线上的污水温控系统来实现污水稳定控制在50-80℃范围内，进水电磁阀根据稳定的波段来调节管路污水的流量。

进一步的，本实用新型中水箱管线安装污水有害物浓度检测装置，污水有害物浓度检测装置并且和污水排水出口的排水电磁阀相连接，可以实现污水的连续降解处理以及排放的自动控制。

附图说明

图1为本实用新型的棱镜分光谱光催化污水降解反应装置的结构示意图；

图2为本实用新型的棱镜分光谱光催化反应器立体分解结构示意图；

图3为本实用新型的三棱镜排布在催化反应器底盖中的侧视图；

图4为本实用新型的光催化反应装置立体分解结构示意图，其中(a)为立体结构示意图，(b)为玻璃翅片平面示意图。

其中，1为聚光器，2为棱镜分光谱光催化反应器，3为污水加热装置，4为进水电磁阀，5为水泵，6为排水电磁阀，7为污水有害物浓度检测装置，8为污水进水管路，9为水箱，10为污水温控系统，2-1为污水进口，2-2为液体均布器，2-3为上密封顶盖，2-4为三棱镜流道，2-5为催化反应器底盖，2-6为污水出口，2-7为光催化反应装置，2-8为三棱镜，2-7-1为玻璃翅片，2-7-2为玻璃旋转转子，2-7-3为玻璃半球体。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的描述：

参见图1至图3，一种棱镜分光谱光催化污水降解反应装置，包括聚光器1、棱镜分光谱光催化反应器2、污水加热装置3、水箱9、循环管线系统等；棱镜分光谱光催化反应器2包括光催化反应装置2-7、三棱镜流道2-4，光催化反应装置2-7安装在由三棱镜组成的三棱镜流道2-4中，三棱镜设置在催化反应器底盖2-5中，上侧通过上密封顶盖2-3密封，上密封顶盖2-3为透光材质，聚光器1设置在光催化反应装置2-7正上方，聚光器1为2至6倍聚光的复合抛物面聚光器，棱镜分光谱光催化反应器2设置污水进口2-1和污水出口2-6，污水进口2-1和污水出口2-6设置在催化反应器底盖2-5的两端，其中污水进口2-1与污水加热装置3出口管线相连接，污水出口2-6与水箱9进口管线相连接，水箱9底部的出口端通过水泵5连接至污水加热装置3的入口端，水箱9底部的出口端还连接有污水出水管道，水箱9的顶部连接有污水进水管路8；水泵5与污水加热装置3之间的管线上设置有进水电磁阀4，污水加热装置3的出口端和进水电磁阀4之间设置有污水温控系统10，污水出水管道上设置有排水电磁阀6，水箱9与排水电磁阀6之间设置有污水有害物浓度检测装置7；污水有害物浓度检测装置7根据降解完污水中有害物质的浓度来控制污水的排放，污水有害物浓度检测装置7采用传感器采集水箱中有害物质浓度，根据有害物质浓度来自动补给或者排放处理完的污水，污水补给系统和水箱9之间通过污水进水管路8相连接。

光催化反应装置2-7包括玻璃旋转转子2-7-2和玻璃翅片2-7-1，其中催化剂固定在玻璃翅片2-7-1的两面，玻璃翅片2-7-1的两面均匀的布置有若干直径为0.4-0.5cm的玻璃半球体2-7-3，玻璃翅片2-7-1和玻璃半球体2-7-3上黏贴有催化剂，所有的光催化反应装置2-7均匀的布置在三棱镜流道2-4内，三棱镜流道2-4的两侧设置有与玻璃旋转转子2-7-2配合的安装槽，三棱镜流道2-4由两组三棱镜2-8组成，三棱镜2-8的排列方式均为倒三角方式，污水加热装置3通过真空吸热管和复合抛物线型反光镜聚焦太阳光对污水进行加热，污水进口2-1处安装液体均布器2-2，液体均布器2-2为孔隙率为0.8-0.9的多孔介质。

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细描述：

如图1所示，本实用新型的棱镜分光谱光催化污水降解反应装置包括聚光器1、棱镜分光谱光催化反应器2、污水加热装置3、进水电磁阀4、水泵5，电排水磁阀6，污水有害物浓度监测装置7，污水进水管路8，水箱9，污水温控系统10。聚光器1安装在棱镜分光谱光催化反应器2正上方，棱镜分光谱光催化反应器2包括污水进口2-1、液体均布器2-2、上密封顶盖2-3、三棱镜流道2-4、光催化反应器底盖2-5。棱镜分光谱光催化反应器2的一端设置污水进口，另外一端设置污水出口，污水进口端与污水加热装置出口相连接，污水温控系统10用来检测污水加热装置3中出口处的污水温度，并且根据温度设定来控制进水电磁阀4的开度，棱镜分光谱光催化反应器2的出口和水箱9相连接，水箱9和污水循环管线相连接，污水有害物浓度监测装置7与排水电磁阀6相连接用于控制污水的排放，污水循环管线由水泵5提供动力完成污水循环。聚光器1采用消除多次反射的复合抛物面聚光器，污水加热装置3采用真空管加热方式。

可见，本实用新型中通过真空管分别接在与棱镜分光谱光催化反应器2和污水循环管线中，利用污水加热装置3保持棱镜分光谱光催化反应器2所需的温度。污水温控系统10与进水电磁阀4的控制器相连，当检测到污水的温度偏离设定反应温度时，调整进水电磁阀4的开度，以保证催化反应器中的温度在50-80℃。

待降解的污水从水箱9流出，通过水泵5进入污水加热装置3，然后进入棱镜分光谱光催化反应器2，最后进入水箱9。通过检测水箱9中有害物的浓度来控制排水电磁阀6对污水进行排放，污水进水管路8可以补充水箱9中的污水。

如图2所示，本实用新型的棱镜分光谱光催化反应器2，包括上密封顶盖2-3、液体均布器2-2，三棱镜流道2-4、催化反应器底盖2-5、光催化反应装置2-7，光催化反应装置2-7均匀的安装在三棱镜流道2-4内，液体均布器2-2由孔隙率为0.8-0.9的多孔介质组成。

具体的，光催化反应装置2-7包括玻璃旋转转子2-7-2、玻璃翅片2-7-1和玻璃半球体2-7-3。玻璃翅片2-7-1均匀的布置在玻璃旋转转子2-7-2的360°范围边上，玻璃半球体2-7-3均匀的布置在玻璃翅片的正、反面上，所有的光催化反应装置2-7均匀的安装在三棱镜流道2-4内。

阳光通过聚光器1，然后经过高透光的上密封顶盖2-3进入到棱镜分光谱光催化反应器2中，污水加热装置3通过抛物线型的聚光器11聚焦太阳光然后反射到真空管表面来加热污水。

本实用新型中催化剂通过黏贴方式附着在玻璃翅片2-7-1和玻璃半球体2-7-3表面，能够保证足够的催化剂量和污染物接触的表面，玻璃翅片和催化剂也便于更换，本实用新型中采用的催化剂为tio2。

实施例1

将本实用新型的一种棱镜分光谱光催化污水降解反应装置置于太阳下，用10gtio2黏贴附着于光催化反应装置2-7的玻璃翅片2-7-1上，处理5l的9mg/l的甲基橙溶液，使用0.8l/min的速度循环流动。50℃下反应，1小时后，降解量为65.0％，相较于同条件的常温反应提升了30％的降解量。

本实用新型的装置能够通过光催化剂和光-热协同作用，提高光催化降解过程的效率：

1.利用三棱镜将太阳光分解为不同波长的光谱，阳光紫外光波段和部分可见光可以准确的激发催化剂，同时污水加热装置3可以高化学反应的速率，光-热协同作用共同促进催化反应的速率。

2.光催化反应装置2-7内设置0.8-0.9的多孔介质可以改善污水的流动分布，更加均匀的分布每个流道中。

3.催化剂固定在玻璃翅片2-7-1的表面，便于实际使用中催化剂的更换维护，玻璃翅片2-7-1表面有突起的玻璃半球体2-7-3还能够保证足够的催化剂量和足够的与污染物接触的表面。

4.光催化反应装置2-7可以旋转，增加污水流道的扰动，便于反应产物及时的流出催化剂区域，有利于催化反应的进行。

5.污水加热装置3的污水温控系统10和循环管线的进水电磁阀4连接，有利于管线中污水温度的控制，保证污水温度在最佳的催化反应区域内。

6.水箱9连接的污水有害物浓度检测装置7便于检测有害物质的浓度，可以实现污水的自动排放与补给。

7.本实用新型装置结构简单，成本低廉，适用于太阳光源，实际应用中，可以将本反应器作为基本单元，经过串联或并联组合构成阵列，可以适用于不同的污水处理需求。