一种纳米半导体光催化净水装置及方法与流程

本发明属于饮用水净化技术领域，特别涉及一种纳米半导体光催化净水装置及方法。

背景技术：

偏远地区和野外条件下日常饮用水主要来源于雨水收集、地表水和地下水，这些水源的安全性得不到保证，可能含有病原微生物、化学性污染物、重金属和毒性物质，直接饮用存在卫生风险，是造成地方病的主要原因，必须处理后才能成为饮用水。当前的饮用水主要处理方式及其应用的局限性综述如有：

(1)传统工艺：按照自来水处理工艺，进行混凝、沉淀、过滤、加氯消毒，可以除去水中的浊度、悬浮物、胶体、色度、微生物等，处理效率高，适合大量供应饮用水的应用场景。但该工艺复杂，自动化程度低，对处理场所要求较高，需要有专业人员进行，不适合为偏远地区提供个人饮用水的净化需求。

(2)过滤吸附的方法：采用活性炭、多孔陶瓷、PP棉以及其他其他材料制成的过滤板，可以拦截水中的可见悬浮物，降低水的浊度，吸附金属离子、有毒化合物和异味分子，可以满足少量饮用水的净化需求。但该技术不能杀灭水中的病原微生物，尤其是对细胞形态较少的病毒、芽孢、虫卵等拦截和吸附的效果较差，因此经过滤材过滤的饮用水，仍然存在病原微生物污染风险。另外，为了提高过滤效果，必然增加滤材厚度、减少滤材孔径，这样以来就需要提供额外动力以产生足够的压差，还需要频繁更换滤材，显然不适用于山区农村等偏远、无电源等情境的需要。

(3)反渗透(RO)净水技术：最新出现的这种技术是以高于渗透压的压力作为推动力，利用选择膜只能透过水而不能透过溶质的原理，从水体中将水分子与溶质相分离。优点是处理能力非常强大，RO处理过的水质可以达到纯水的级别。但RO技术对能源和耗材要求高，还需要对水源进行预处理，适用于科研、医药、城市家庭等对水质要求很高的场合，不适合作为偏远和野外场合个人应用水来源。

综上所述，对于广大的偏远山区和野外作业场所，现有的水处理和净化技术都不适用，需要提供一种不要电源、无需复杂人工干预、经济廉价、可持续供应的净水技术和装置，为当地居民和作业人员供应安全达标的应用水。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种纳米半导体光催化净水装置及方法，可将收集的雨水、地表水、地下水等来源的可疑浊水净化为可饮用水，该装置无需电源，充分利用风力、太阳光等自然条件，达到净化水质的目的，适合为偏远地区和野外作业场合提供安全、廉价、连续的个人饮用水来源。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种纳米半导体光催化净水装置，包括风力旋转系统100、过滤段200、光催化段300以及管路系统400，浊水经管路系统400依次经过过滤段200和光催化段300实现净化，所述风力旋转系统100带动过滤段200和光催化段300旋转。

所述过滤段200位于光催化段300上方，浊水经管路系统400先注入过滤段200的上部，通过重力作用流经过滤段200和光催化段300，在过滤段200去除水中的混浊物、金属离子以及有毒化合物，并消除异味；在光催化段300完成光化分解过程，去除病原微生物以及大分子有机物。

所述风力旋转系统100的风叶110为轴流型3片或4片结构，半径为0.6～1.0米，在轴向气流作用下，旋转带动旋转轴130同时转动，在旋转轴130外侧安装有主动锥齿轮120，与下方安装在过滤段200顶盖的从动锥齿轮160相交咬合，从而带动过滤段200旋转，过滤段200转速公式如下：

n＝r/R

其中，n为过滤段200的转速，单位为转/分钟；r为风叶110转速，单位为转/分钟；R为从动锥齿轮160齿数与主动锥齿轮120齿数之比。取R为30，则在三级风或以下的气象条件下，过滤段200转速为0.5～1转/分钟。

所述旋转轴130内侧与设备的立管140通过轴承相连，允许旋转轴130顺畅转动，立管140从过滤段200和光催化段300穿过，立管140与过滤段200的接触轴，加装上旋转密封件151和中旋转密封件152，既保证过滤段200转动，又起到密封的作用；立管140与光催化段300的接触轴，加装下旋转密封件153。

所述过滤段200主要包括水位指示器210、储水罐220以及复合滤材层230，水位指示器210在储水罐220中，用于指示水位，复合滤材层230在储水罐220中，由上下两层PP棉和中间的活性炭滤材构成。

所述水位指示器210包括竖向的中空带孔的顶杆213，顶杆213设置在储水罐220中，其顶端为标识盖211，下方为空心的浮球214，标识盖211位于储水罐220外，注水后水位上升，水位指示器210被抬高，通过顶杆213管壁的气孔排出储水罐220内的空气，顶杆213中部偏上位置设置档杆212，作用是防止标识盖211上升过高，从而阻挡做平面圆周运动的旋转轴130。

所述光催化段300有两层结构，外周为锥形玻璃筒310，内层为镜面不锈钢材质的反光板330，中间填充负载光催化剂的多孔陶瓷珠320，下方通过不锈钢阻隔网340托住填充物。

所述多孔陶瓷珠320是光催化剂的载体，由海泡石磨粉高温烧结而成，通过浸渍法负载纳米级半导体态的TiO₂和FeCl₃，形成TiO₂-Fe³⁺纳米半导体光催化剂涂层。

所述管路系统400包括立管140，立管140中有排气管410、注水管420和出水管430，注水管420下端至离地约30cm，末端设置注水阀门442，向上走行至距顶部20cm处，开口在储水罐220内，通过手动压水机将收集的浊水注入到过滤段200；出水管430下端至离地约60cm处，末端设置出水阀门441，向上走行至光催化段300底部，开口在光催化段300，排气管410用于排出光催化段300的空气，其下端开口在光催化段300内，上端开口高于立管140，末端为弯管，避免雨水进入。

本发明还提供了基于所述纳米半导体光催化净水装置的净水方法，通过管路系统400将要处理的浊水注入过滤段200，浊水向下经过过滤，消除异味，去除水中的混浊物、金属离子以及有毒化合物，然后缓慢流经光催化段300，太阳光照射使光催化剂产生电子-空穴从而形成自由基，对周边和渗透到其内部的水中病原微生物、有机物发挥氧化分解作用，达到消毒的目的；消毒后的净水通输送至地面，过滤段200和光催化段300在风力旋转系统100的带动下进行转动，使光催化剂均匀接收光照，提高光催化效率。

与现有技术相比，本发明通过复合滤材的过滤，消除异味、去除混浊物、金属离子和有毒化合物，再经过纳米半导体光催化剂的光化作用，去除病原微生物、大分子有机物等，使最终产生的净水达到《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明风力旋转系统的结构示意图。

图3是本发明过滤段的结构示意图。

图4是本发明光催化段的结构示意图。

图5是本发明管路系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明包括风力旋转系统100、过滤段200、光催化段300、管路系统400四大部分。通过管路系统400将浊水注入过滤段200，向下经过复合滤材的过滤，去除水中的混浊物、金属离子、有毒化合物等，并消除异味；然后缓慢流经载有纳米半导体光催化剂的陶瓷珠，在光催化段300完成光化分解过程，去除病原微生物、大分子有机物等；风力旋转系统100通过风叶提供动力，带动下面的过滤段200和光催化段300转动，使光催化剂均匀接收光照，提高光催化效率；处理后的净水通过管路系统400输送回地面。各部分结构原理如下：

1、风力旋转系统100

如图2所示，风力旋转系统100通过风叶110提供动力，带动下面的过滤段200和光催化段300旋转。风叶110为轴流型3片或4片结构，限定半径为0.6～1.0米，在轴向气流作用下，可进行旋转运动，带动旋转轴130同时转动。旋转轴130外侧约1/4处，安装有主动锥齿轮120，与下方安装在过滤段200顶盖的从动锥齿轮160相交咬合，从而带动过滤段200旋转。旋转轴130内侧与设备的立管140通过轴承相连，允许旋转轴130顺畅转动。立管140与过滤段200的接触轴，加装上旋转密封件151，既保证过滤段200转动，又起到密封的作用。过滤段200转速公式如下：

n＝r/R

n为过滤段转速，单位为转/分钟；r为风叶转速，单位为转/分钟；R为从动锥齿轮齿160数与主动锥齿轮齿120数之比，本系统规定R为30，根据推算在一般气象条件下(三级风或以下)，过滤段200转速为0.5～1转/分钟。

2、过滤段200

如图3所示，过滤段200由水位指示器210、储水罐220、复合滤材层230等组成，作用是将注入的浊水进行过滤，去除水中的混浊物、金属离子、有毒化合物等，并消除异味。水位指示器210用于指示储水罐220中的水位，顶端为红色或其他醒目颜色的标识盖211，中间为中空带孔的顶杆213，下方为空心的浮球214。注水后水位上升，水位指示器210被抬高，当看到标识盖211上升后停止注水。通过顶杆213管壁的气孔，还可以排出储水罐220内的空气。顶杆213中部偏上位置设置档杆212，作用是防止标识盖211上升过高，从而阻挡了做平面圆周运动的旋转轴130。储水罐220用于存储浊水，下部设置复合滤材层230，由上下两层PP棉和中间的活性炭滤材构成。通过重力作用，使浊水缓慢通过滤材，过滤水中杂质，并消除水中的异味。过滤后的水在重力作用下，下降至光催化段300进行后续的光催化消毒处理。过滤段200下部与立管140与接触轴，加装中旋转密封件152。

3、光催化段300

如图4所示，过滤后的水向下进入光催化段300，在此缓慢流经负载有光催化剂的载体，在太阳光的照射下，产生光催化作用，分解病原微生物和大分子有机物。光催化段300有两层结构，外周为锥形玻璃筒310，内层为镜面不锈钢材质的反光板330，中间填充负载光催化剂的多孔陶瓷珠320，下方通过不锈钢阻隔网340托住填充物。多孔陶瓷珠320是光催化剂的载体，由海泡石磨粉高温烧结而成，通过浸渍法负载纳米级半导体态的TiO₂和FeCl₃，形成TiO₂-Fe³⁺纳米半导体光催化剂涂层。太阳光通过锥形玻璃筒310照射到多孔陶瓷珠320，使光催化剂产生电子-空穴对，形成自由基，对多孔陶瓷珠320周边和渗透到其内部的水中病原微生物、有机物发挥氧化分解作用，达到消毒的目的。消毒后的水存贮在光催化段内部，需要时通过管路系统400送至地面。光催化段300下部与立管140与接触轴，也要加装下旋转密封件153。

4管路系统

如图5所示，管路系统400用于给储水罐220注水，将净水引入地面，以及为光催化段300排气，所有管路均在立管140内走行。注水管420下端至离地约30cm，末端设置注水阀门442，向上走行至距顶部20cm处，开口在储水罐220内，通过手动压水机将收集的浊水注入到过滤段200。出水管430下端至离地约60cm处，末端设置出水阀门441，向上走行至光催化段300底部，开口在光催化段300，打开出水阀门441即可获得净水。排气管410用于排出光催化段300的空气，其下端开口在光催化段300内，上端开口高于立管140，末端为弯管，避免雨水进入。

本发明的实施流程如下：

(1)按照图2的结构和相关描述，制造风力旋转系统100。

(2)按照图3的描述开发制造过滤段200各部件。

(3)按照图4的描述开发制造光催化段300各组成部分。

(4)根据图1的结构将各部分组装完成。

(5)按照图5的描述安装管路系统400。

(6)将组装完成的纳米半导体光催化净水装置安装到适当地点。

(7)通过手动压水机给该装置注水。

(8)约3小时后即可生成净水。

对按照上述发明内容制造的“纳米半导体光催化净水装置”产生的净水进行检测，共送检10批次，主要结果如下：

(1)水样无臭味、异味，无肉眼可见物，浑浊度为1(铂钴色度单位)。

(2)溶解性总固体在160～280(mg/L)之间。

(3)未检出总大肠杆菌、大肠埃希氏菌，菌落总数在0～12(CFU/mL)之间。

(4)毒理学指标符合《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)。