本发明涉及一种水处理设备及方法，尤其涉及一种纳米钛光电催化水处理装置及方法。
背景技术：
饮用水源受工业废水和生活污水以及农业产生的大量农药化肥等残留物的影响，严重影响饮用水的水质。近年来半导体光催化氧化技术作为废水处理技术已经得到较快发展。光催化是300-400nm波长的光的照射下引起催化反应，通过光催化反应，产生具有强氧化能力的氢氧根自由基等将有机污染物质最终分解为水和二氧化碳。
然而发明人在长期从事二氧化钛光催化的工作中，发现二氧化钛粉末及其纳米粉末在实际工程应用中有两个自身不可克服的弊端：
1、单纯使用光照催化效率低。
中国专利CN203247119U公开了一种二氧化钛膜水处理装置，包括一个有机玻璃筒，在该有机魔力筒内设置有光导纤维装置和二氧化钛膜载体，所述光导纤维装置通过光导纤维连接装置连接有聚光装置，该专利希望通过聚光装置和光导纤维装置提高光照催化的效率，然而提高的程度还是有限。
2、在催化过程中，二氧化钛粉末会进入处理后的水中，对处理后的水产生二次污染。
最近有报道也证实了这方面的情况，中科大化学与材料科学学院俞汉青教授课题组，通过研究发现纳米二氧化钛粉末可转化为硝酸盐，可能导致潜在的环境污染问题。纳米二氧化钛粉末由于其高折射率、超强的紫外光吸收能力、较好的杀菌、除臭及防污性能，在全世界范围内的多个领域广泛使用，然而通过实验证明大气中丰富的氮气和氧气可以在纳米二氧化钛表面通过光催化反应形成硝酸盐，并结合理论计算和分析阐明硝酸盐的形成机制，过量的硝酸盐排放到水体中 会对人体产生毒害，如导致儿童的“蓝色婴儿综合症”，也可引起水体富营养化和蓝藻的爆发，产生环境污染问题。
二氧化钛粉末光催化形成硝酸盐提醒人们可能低估了大量使用纳米二氧化钛的潜在环境风险，可能加剧日趋严重的氮污染问题。
技术实现要素：
本发明为解决现有技术中的上述问题提出的。
本发明提供了一种创新的纳米钛光电催化水处理装置，可有效提高催化效率、不会对水体产生硝酸盐的二次污染。
本发明还提供了一种纳米钛光电催化水处理的方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的第一个方面是提供一种纳米钛光电催化水处理装置，包括一池体，池体上设有处理水的入水管和出水管，所述池体内设置有一负载有纳米二氧化钛膜的钛极板以及一电极板，在所述钛极板和电极板中间设置一隔膜，该隔膜与所述电极板之间供处理水流过，该隔膜与所述钛极板之间供外接循环水流过，所述钛极板和电极板与外接电源连接，以在所述钛极板和电极板之间形成一个电场。
所述池体上方还设置有光催化光源，所述光催化光源更优选为紫外灯。
所述池体还包括所述循环水的入水管和出水管，所述循环水通过一水泵从所述循环水的入水管进入到所述池体内。
所述隔膜是本发明水处理装置中关键的组件之一，一般采用高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜，需要具有一定的孔径和孔隙率，保证电子和/或离子从循环水一侧向处理水一侧单向通过，需要具有足够的力学性能、电子绝缘性、热稳定性，厚度尽可能小，优选为0.03-0.05nm。
所述负载有纳米二氧化钛膜的钛极板可通过液相制备方法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、电化学方法等方法在钛极板上形成一层纳米二氧化钛薄膜。其中，液相制备方法是在溶液中通过控制化学反应的各种条件制备纳米薄膜的方法，包括例如溶胶-凝胶法、水解-沉淀法、液相沉积法、水热沉积法等，在液相法制备二氧化钛薄膜过程中，成膜方法主要有浸渍法、旋转法、溅射法等；物理气相沉积法(PVD)是用电弧、高频或等离子体等高温热源将原料加热，使之汽 化或形成等离子体，然后骤冷使之在基片上沉积来制备薄膜的方法，常用的PVD方法主要有：电弧离子镀、直流溅射、射频溅射、磁控溅射、活化反应蒸发等；化学气相沉积(CVD)是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物、单质气体即反应物气化，借助气相作用和在基片表面上的化学反应生成固体薄膜，根据反应物和控制条件的不同又可进一步分为常压CVD法、低压CVD法、等离子体增强CVD法、激光CVD法和金属有机化合物CVD法(MOCVD)等；制备纳米二氧化钛薄膜常用的电化学方法有阳极氧化、微弧氧化和阳极(或阴极)电沉积等。纳米二氧化钛薄膜的制备方法还包括喷雾热分解法和自组装方法。
本发明的第二个方面是提供一种纳米钛光电催化水处理的方法，采用上述纳米钛光电催化水处理装置，包括以下步骤：
向池体内接入循环水和处理水，向钛极板和电极板之间通上电源，在负载有纳米二氧化钛膜的钛极板上激发出的高活性电子和H+空穴迁移穿过隔膜，与处理水中的溶解氧和水相互作用，产生具有强氧化性的羟基，将处理水中的有机污染物降解为二氧化碳和水，将处理水中的无机污染物氧化或还原为无害物。
必要时还可开启紫外灯。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
纳米钛光电催化水处理装置及方法用于水处理具有能耗低、操作简单、可降解多种污染物的突出优势，经过实验表明该装置及方法对污染物具有良好的去除效果，特别是在以下工业方面的应用更大程度显示其技术的优越性：
(1)治理复合污水的条件控制：光电催化技术可降解多种污染物，有效控制反应条件，实现高效处理复合废水是非常有效的；
(2)利用光电催化技术能大大节省反应中的能耗：通过对光电催化生成条件和反应条件的控制研究，是一个重要的研究成果；
(3)实现医药行业的水处理应用：光电催化能在最大程度发挥纳米钛的催化功能，从而利用纳米钛光电催化的能量实现除菌、除味、降解高分子的蛋白质有机物，同时实现净化的作用，实现了再生水的利用价值，体现了常规水处理工艺无法完成的功能，实现了真正意义上的无害化环保；
(4)与其它技术的结合使用：纳米钛光电催化水处理可以联合其它技术在多领域内实现更多更强大的功能拓展，例如光、电、膜等结合使用的研究应用。
附图说明
图1是本发明纳米钛光电催化水处理装置的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。
本发明提供了一种纳米钛光电催化水处理装置，包括一池体1，池体1上设有处理水的入水管2和出水管3，所述池体1内设置有一负载有纳米二氧化钛膜4的钛极板5以及一电极板6，在所述钛极板5和电极板6中间设置一隔膜7，该隔膜7与所述电极板6之间供处理水流过，该隔膜7与所述钛极板5之间供外接循环水流过，所述钛极板5和电极板6与外接电源8连接，以在所述钛极板和电极板之间形成一个电场。
所述池体1上方还设置有光催化光源紫外灯(未示出)。
所述池体1还包括所述循环水的入水管9和出水管10，所述循环水通过一水泵从所述循环水的入水管9进入到所述池体1内。
本发明还提供了提供一种纳米钛光电催化水处理的方法，采用上述纳米钛光电催化水处理装置，纳米钛光电催化降解机理共分为8个步骤来完成：
步骤1、TiO2+hv+e-→2e-+h+；
步骤2、h++H2O→OH+H+；
步骤3、e-+O2→OO-；
步骤4、OO-+h+→OOH；
步骤5、2OOH→O2+H2O2；
步骤6、OO-+e-+2h+→H2O2；
步骤7、H2O2+e-→OH+OH-；
步骤8、h++OH-→OH。
向池体1内接入循环水和处理水，向钛极板5和电极板6之间通上电源8，在负载有纳米二氧化钛膜4的钛极板5上激发出的高活性电子和H+空穴迁移穿过隔膜，与处理水中的溶解氧和水相互作用，产生具有强氧化性的羟基，OH-、 OO-、OOH-自由基具有强氧化性，可将处理水中的有机污染物降解为二氧化碳和水，将处理水中的无机污染物氧化或还原为无害物。
一、杀菌性：
纳米二氧化钛及其在电场作用下产生的电子空穴对具有很强的光电催化杀菌作用。通过其作用能够杀灭革兰氏阴、阳性细菌，通过对比致死曲线、常规培养验证和透射电镜观察得出结论：纳米二氧化钛光电催化灭菌首先是从细菌细胞壁开始，其产生的自由基能破坏细胞壁结构，使细胞壁断裂、破损，质膜解体，然后进入胞体内部破坏内膜和细胞组分，使细胞质凝聚，导致细胞内容物溢出，可出现菌体空化现象，从而证实了抑菌机理是在光电催化作用下，在水中形成高活性的电子空穴对，并进一步形成OH-、OO-、OOH-自由基，通过一系列物理化学作用破坏细菌细胞，从而杀灭细菌。
表1中列出了通过本发明的纳米钛光电催化水处理装置及方法杀灭部分典型细菌所需的时间。
表1杀灭部分典型细菌所需的时间
从表1可知，本发明的纳米钛光电催化水处理装置及方法的杀菌见效时间 短。
二、广谱杀菌性：
表2中列出了可替代药物的杀菌广谱范围图表。
表2可替代药物的杀菌广谱范围图表
其中：○可用，△有些情况下可用，×不可用；
※高标准消毒。
从表2可知，本发明的纳米钛光电催化水处理装置及方法的广谱杀菌范围广。
三、安全性：
表3列出了经本发明纳米钛光电催化水处理装置处理的水进行的分析测试项目和分析检测结果。
表3分析检测项和分析检测结果
从表3可知，经本发明纳米钛光电催化水处理装置处理的水的安全标准高于国内水厂自来水的安全标准，安全可靠，对人体无伤害。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。