一种用于水处理的光催化降解装置的制作方法

本实用新型属于水环境处理领域，尤其是涉及一种用于水处理的光催化降解装置。

背景技术：

目前，氯化消毒作为一种有效的杀菌消毒手段，仍被世界上超过80%的水厂使用着，用以确保饮用水的微生物指标安全。但是，当氯和有机酸反应后会产生许多致癌的副产品，比如三氯甲烷、四氯化碳等有机污染物,其对人们的身体健康产生严重的危害，同时，也会使得水中的细菌不断滋生。据世界卫生组织报告，由于未进行有效的饮用水消毒处理，全球每年有数百万人死于水体携带病原体所造成的相关疾病。因此，水中的余氯和杂质及管道、水箱等对水质的污染已严重影响了人类健康，所以，我们亟需开发一种能够装置简单、经济实用、降解能力强的光催化降解装置来降解自来水中的有机污染物和灭菌。

光催化技术作为一种高级氧化技术，几乎能够使空气和水中的污染物完全矿化，不产生二次污染，其反应条件温和，耗能低，在紫外光照射或暴露在太阳光下即可发生反应。因此，研发一种结构简单、经济实用的光催化降解装置成了当下的核心问题。目前，研制利用光催化氧化技术处理污水的装置核心在于污水光催化处理装置的结构设计。光催化处理装置结构的合理设计直接影响了光催化氧化技术在污水处理方面工业化进展，因此研制结构简单、操作方便、光及光催化剂利用率高的污水光催化处理装置是当前国内外相关领域的研究重点。

目前，光催化装置有漩涡式污水光催化处理装置、转筒式污水光催化处理装置等，虽然，国内外的各种负载式污水光催化处理装置有着各自不同的特点，但是这些光催化处理装置在结构上普遍存在不足的地方在于：镀光催化剂膜的转筒、圆盘等载体不便于进行经常更换，装置中镀膜载体的数量不便于根据实际污水处理量的大小进行增加或者减少。从目前出现的各类光催化处理装置的设计与结构来看，由于装置有各种灵活的组合方式，势必就会有优选的方案。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种结构简单、经济实用、降解能力强及灭菌能力强的用于水处理的光催化降解装置。

为了实现上述的技术目的，本实用新型的技术方案为：

一种用于水处理的光催化降解装置，其包括外壳和由内至外依序设置在外壳内且呈环形结构的光照处理层、负载有二氧化钛膜层的泡沫陶瓷层和活性炭纤维层，所述的光照处理层、泡沫陶瓷层和活性炭纤维层均设有供待处理水穿过的孔隙，所述的外壳与活性炭纤维层之间留有间隙且设有与外部连通的第一管路，所述光照处理层的环形结构内设有与外部连通的第二管路。

进一步，所述的光照处理层为若干个呈环形分布的紫外灯构成，其中紫外灯为石英紫外灯，所述紫外灯的工作波长为254 nm。

进一步，所述的第一管路为进水管路，所述的第二管路为出水管路。

进一步，所述的外壳为圆筒形结构。

进一步，所述泡沫陶瓷层上负载二氧化钛膜层的方法包括如下步骤：

（1）将油酸钠加入环己烷溶液中，并利用磁力搅拌器进行均匀搅拌4～6 min，然后再往混合溶液中加入去离子水并继续搅拌8～12 min后，再加入正己醇进行搅拌1～1.5 h，即可得到呈透明状态的溶液A，其中，所述的环己烷、油酸钠、去离子水、正己醇的混合体积比为10:1.7～2:0.07～0.1:0.1；

（2）将乙酰丙酮与正己醇溶液进行混合并搅拌均匀，然后再往混合溶液中加入钛酸异丙酯并继续搅拌10～12 min，即可制得淡黄色透明状态的溶液B，其中，所述的乙酰丙酮、正己醇、钛酸异丙酯的混合体积比为1.3～1.5:8:5.8～6.2；

（3）将上述制得的溶液B缓慢地倒入到溶液A中，然后持续搅拌1.5～2 h，即可制得二氧化钛胶体溶液；

（4）将泡沫陶瓷浸渍在上述制得的二氧化钛胶体溶液中，并以2～5 mm/s的拉出速度将泡沫陶瓷提拉出二氧化钛胶体溶液；

（5）将步骤（4）浸渍处理过的泡沫陶瓷放置在常温下静置24～26 h，然后将其放入马弗炉中，在450～550 ℃温度下进行煅烧3～3.5 h，升温速率为3～3.5℃/min，煅烧完成后再将其放置冷却至室温，即可得到负载二氧化钛膜层的泡沫陶瓷。

优选的，所述步骤（1）中，环己烷、油酸钠、去离子水、正己醇的混合体积比为10:1.7:0.07:0.1；所述步骤（2）中乙酰丙酮、正己醇、钛酸异丙酯的体积比为1.3:8:6。

优选的，所述负载在泡沫陶瓷层上的二氧化钛膜层为经过步骤（4）和步骤（5）反复负载处理3次制得。

进一步，所述装置的处理水流量为70～600 L/h。

进一步，所述的装置为处理水中的三氯乙烯、一氯甲烷、三氯甲烷、一氯硝基甲烷、三氯硝基甲烷或大肠杆菌。

一种用于水处理的设备，其串联或并联设置有上述所述的用于水处理的光催化降解装置。

采用上述的技术方案，本实用新型的有益效果为：通过在外壳内部由内至外依序设置呈环形结构的光照处理层、负载有二氧化钛膜层的泡沫陶瓷层和活性炭纤维层，其中光照处理层以石英紫外灯为光源，负载二氧化钛膜层的泡沫陶瓷层及活性炭纤维层为其他过滤构件，通过进行组合得到本实用新型的用于水处理的光催化降解装置，解决了光催化技术中光能利用率低，装置复杂，操作困难等问题，负载二氧化钛膜层的泡沫陶瓷中的二氧化钛采用微乳液法制备，不仅实验装置简单、操作容易，并且可以人为控制合成颗粒的大小，而且将其负载至泡沫陶瓷上时，能够使其组分分布均匀，颗粒不易聚结，其所得到得光催化装置不仅可以降解自来水中的有机污染物，避免“三致”问题的产生，同时还可以杀菌除臭，还可以根据实际需要选择光催化装置串联的个数，可应用于自来水的处理，尤其是处理含有高毒性的有机污染物和细菌较多的污水，本实用新型技术方案不仅具有工艺简单，成本低，处理效果好、经济适用实用等特点，还能够符合实际生产需要，可大规模推广应用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的阐述：

图1为本实用新型装置的径向截面的结构简要示意图；

图2为本实用新型装置的轴向截面的结构简要示意图。

具体实施方式

如图1至2之一所示，本实用新型包括外壳1和由内至外依序设置在外壳1内且呈环形结构的光照处理层2、负载有二氧化钛膜层的泡沫陶瓷层3和活性炭纤维层4，所述的光照处理层2、泡沫陶瓷层3和活性炭纤维层4均设有供待处理水穿过的孔隙，所述的外壳1与活性炭纤维层4之间留有间隙且设有与外部连通的第一管路6，所述光照处理层2的环形结构内设有与外部连通的第二管路5。

进一步，所述的光照处理层2为若干个呈环形分布的紫外灯构成，其中紫外灯为石英紫外灯，所述紫外灯的工作波长为254 nm，通过紫外灯进行照射流入光照处理层和位于光照处理层与泡沫陶瓷层之间的水，使水中的污染物能够被促进分解和杀灭水中的微生物。

为了提高装置的催化降解能力和对输入的水进行预处理，进一步，所述的第一管路6为进水管路，所述的第二管路5为出水管路，当待处理的水经泵泵入本实用新型装置内时，待处理水依序经过活性炭纤维层2、负载有二氧化钛膜层的泡沫陶瓷层3后再经过光照处理进行促进降解和微生物杀灭，使得水处理的效果更好，进一步，所述的外壳1为圆筒形结构。

进一步，所述泡沫陶瓷层上负载二氧化钛膜层的方法包括如下步骤：

（1）将油酸钠加入环己烷溶液中，并利用磁力搅拌器进行均匀搅拌4～6 min，然后再往混合溶液中加入去离子水并继续搅拌8～12 min后，再加入正己醇进行搅拌1～1.5 h，即可得到呈透明状态的溶液A，其中，所述的环己烷、油酸钠、去离子水、正己醇的混合体积比为10:1.7～2:0.07～0.1:0.1；

（2）将乙酰丙酮与正己醇溶液进行混合并搅拌均匀，然后再往混合溶液中加入钛酸异丙酯并继续搅拌10～12 min，即可制得淡黄色透明状态的溶液B，其中，所述的乙酰丙酮、正己醇、钛酸异丙酯的混合体积比为1.3～1.5:8:5.8～6.2；

（3）将上述制得的溶液B缓慢地倒入到溶液A中，然后持续搅拌1.5～2 h，即可制得二氧化钛胶体溶液；

（4）将泡沫陶瓷浸渍在上述制得的二氧化钛胶体溶液中，并以2～5 mm/s的拉出速度将泡沫陶瓷提拉出二氧化钛胶体溶液；

（5）将步骤（4）浸渍处理过的泡沫陶瓷放置在常温下静置24～26 h，然后将其放入马弗炉中，在450～550 ℃温度下进行煅烧3～3.5 h，升温速率为3～3.5℃/min，煅烧完成后再将其放置冷却至室温，即可得到负载二氧化钛膜层的泡沫陶瓷。

优选的，所述步骤（1）中，环己烷、油酸钠、去离子水、正己醇的混合体积比为10:1.7:0.07:0.1；所述步骤（2）中乙酰丙酮、正己醇、钛酸异丙酯的体积比为1.3:8:6。

优选的，所述负载在泡沫陶瓷层上的二氧化钛膜层为经过步骤（4）和步骤（5）反复负载处理3次制得。

进一步，所述装置的处理水流量为70～600 L/h。

进一步，所述的装置为处理水中的三氯乙烯、一氯甲烷、三氯甲烷、一氯硝基甲烷、三氯硝基甲烷或大肠杆菌。

一种用于水处理的设备，其串联或并联设置有上述所述的用于水处理的光催化降解装置。

实施例1

如图1至2之一所示，一种用于水处理的光催化降解装置，其包括外壳1和由内至外依序设置在外壳1内且呈环形结构的光照处理层2、负载有二氧化钛膜层（未示出）的泡沫陶瓷层3和活性炭纤维层4，所述的光照处理层2、泡沫陶瓷层3和活性炭纤维层4均设有供待处理水穿过的孔隙，所述的外壳1与活性炭纤维层4之间留有间隙且设有与外部连通的第一管路6，所述光照处理层的环形结构内设有与外部连通的第二管路5，其中，所述的光照处理层2为一组呈环形分布的紫外灯构成，其中紫外灯为石英紫外灯，所述紫外灯的工作波长为254 nm。

进一步，所述的第一管路6为进水管路，所述的第二管路5为出水管路，所述的外壳为圆筒形结构。

其中，所述泡沫陶瓷层3上负载二氧化钛膜层的方法包括如下步骤：

（1）将油酸钠加入环己烷溶液中，并利用磁力搅拌器进行均匀搅拌5 min，然后再往混合溶液中加入去离子水并继续搅拌10 min后，再加入正己醇进行搅拌1 h，即可得到呈透明状态的溶液A，其中，所述的环己烷、油酸钠、去离子水、正己醇的混合体积比为10:1.7:0.07:0.1；

（2）将乙酰丙酮与正己醇溶液进行混合并搅拌均匀，然后再往混合溶液中加入钛酸异丙酯并继续搅拌10 min，即可制得淡黄色透明状态的溶液B，其中，所述的乙酰丙酮、正己醇、钛酸异丙酯的混合体积比为1.3:8:6；

（3）将上述制得的溶液B缓慢地倒入到溶液A中，然后持续搅拌1.5 h，即可制得二氧化钛胶体溶液；

（4）将泡沫陶瓷浸渍在上述制得的二氧化钛胶体溶液中，并以2～5 mm/s的拉出速度将泡沫陶瓷提拉出二氧化钛胶体溶液；

（5）将步骤（4）浸渍处理过的泡沫陶瓷放置在常温下静置24 h，然后将其放入马弗炉中，在500 ℃温度下进行煅烧3 h，升温速率为3 ℃/min，煅烧完成后再将其放置冷却至室温，即可得到负载二氧化钛膜层的泡沫陶瓷。

其中，所述负载在泡沫陶瓷层上的二氧化钛膜层为经过步骤（4）和步骤（5）反复负载处理3次制得。

性能测试

测试例1：将4个实施例1所述的光催化降解装置进行串联，然后将光催化装置的紫外灯都关闭，以70 L/h的流量往第一管路中通入含有浓度为0.25 mg/L有机污染物的待处理水，所述的待处理水中含有三氯乙烯、一氯甲烷、三氯甲烷、一氯硝基甲烷、三氯硝基甲烷，待第一管路和第二管路的流量稳定后，分别对第一管路通入的待处理水和第二管路输出的已处理水进行取样检测其有机污染物的含量，并进行计算得到有机污染物的去除率为11%。

对照例1：将测试例1的第一管路中通入待处理水的流量依次调整为200 L/h和600 L/h，然后分别待第一管路和第二管路的流量稳定后，分别对第一管路通入的待处理水和第二管路输出的已处理水进行取样检测其有机污染物的含量，并进行计算得到有机污染物的去除率，所得结果为：当待处理水的流量为200 L/h时，有机污染物的去除率为8%；当待处理水的流量为600 L/h时，有机污染物的去除率为5%。

基于上述对比，可以得出结论，当光催化降解装置相同时，随着待处理水的流量增大，其对有机污染物的去除效率逐渐降低。

实施例2

本实施例装置结构与实施例1大致相同，其不同之处在于，所述泡沫陶瓷层上负载二氧化钛膜层的方法包括如下步骤：

（1）将油酸钠加入环己烷溶液中，并利用磁力搅拌器进行均匀搅拌4 min，然后再往混合溶液中加入去离子水并继续搅拌8 min后，再加入正己醇进行搅拌1 h，即可得到呈透明状态的溶液A，其中，所述的环己烷、油酸钠、去离子水、正己醇的混合体积比为10:1.8:0.08:0.1；

（2）将乙酰丙酮与正己醇溶液进行混合并搅拌均匀，然后再往混合溶液中加入钛酸异丙酯并继续搅拌11 min，即可制得淡黄色透明状态的溶液B，其中，所述的乙酰丙酮、正己醇、钛酸异丙酯的混合体积比为1.4:8:5.8；

（3）将上述制得的溶液B缓慢地倒入到溶液A中，然后持续搅拌2 h，即可制得二氧化钛胶体溶液；

（4）将泡沫陶瓷浸渍在上述制得的二氧化钛胶体溶液中，并以2～5 mm/s的拉出速度将泡沫陶瓷提拉出二氧化钛胶体溶液；

（5）将步骤（4）浸渍处理过的泡沫陶瓷放置在常温下静置25 h，然后将其放入马弗炉中，在450 ℃温度下进行煅烧3 h，升温速率为3.5 ℃/min，煅烧完成后再将其放置冷却至室温，即可得到负载二氧化钛膜层的泡沫陶瓷。

性能测试

测试例2：将4个实施例2所述的光催化降解装置进行串联，然后开启2盏紫外灯后，以70 L/h的流量往第一管路中通入含有浓度为0.25 mg/L有机污染物的待处理水，所述的待处理水中含有三氯乙烯、一氯甲烷、三氯甲烷、一氯硝基甲烷、三氯硝基甲烷，待第一管路和第二管路的流量稳定后，分别对第一管路通入的待处理水和第二管路输出的已处理水进行取样检测其有机污染物的含量，并进行计算得到有机污染物的去除率为60 %。

对照例2：在同样70 L/h的流量条件下，将光照处理层的紫外灯开启数量调整为4盏，然后待第一管路和第二管路的流量稳定后，分别对第一管路通入的待处理水和第二管路输出的已处理水进行取样检测其有机污染物的含量，并进行计算得到有机污染物的去除率为90 %。

结合实施例1的测试例1、实施例2的测试例2和对照例2的测试对比结果，可以得出结论，在流量相同的情况下，随着光照处理层的紫外灯数量的增加，所述的光催化降解装置对有机污染物的去除效率也随之增大。

实施例3

本实施例装置结构与实施例1大致相同，其不同之处在于所述泡沫陶瓷层上负载二氧化钛膜层的方法包括如下步骤：

（1）将油酸钠加入环己烷溶液中，并利用磁力搅拌器进行均匀搅拌6 min，然后再往混合溶液中加入去离子水并继续搅拌12 min后，再加入正己醇进行搅拌1.5 h，即可得到呈透明状态的溶液A，其中，所述的环己烷、油酸钠、去离子水、正己醇的混合体积比为10:2.0:0.1:0.1；

（2）将乙酰丙酮与正己醇溶液进行混合并搅拌均匀，然后再往混合溶液中加入钛酸异丙酯并继续搅拌12 min，即可制得淡黄色透明状态的溶液B，其中，所述的乙酰丙酮、正己醇、钛酸异丙酯的混合体积比为1.5:8:6.2；

（3）将上述制得的溶液B缓慢地倒入到溶液A中，然后持续搅拌2 h，即可制得二氧化钛胶体溶液；

（4）将泡沫陶瓷浸渍在上述制得的二氧化钛胶体溶液中，并以2～5 mm/s的拉出速度将泡沫陶瓷提拉出二氧化钛胶体溶液；

（5）将步骤（4）浸渍处理过的泡沫陶瓷放置在常温下静置26 h，然后将其放入马弗炉中，在550 ℃温度下进行煅烧3 h，升温速率为3.5 ℃/min，煅烧完成后再将其放置冷却至室温，即可得到负载二氧化钛膜层的泡沫陶瓷。

性能测试

测试例3：将2个实施例3所述的光催化降解装置进行串联，然后将各光催化装置的光照处理层的紫外灯开启数量设置为4盏，以70 L/h的流量往第一管路中通入含有浓度为0.25 mg/L有机污染物的待处理水，所述的待处理水中含有三氯乙烯、一氯甲烷、三氯甲烷、一氯硝基甲烷、三氯硝基甲烷或大肠杆菌，待第一管路和第二管路的流量稳定后，分别对第一管路通入的待处理水和第二管路输出的已处理水进行取样检测其有机污染物的含量，并进行计算得到有机污染物的去除率为72%。

对照例3：分别将4个和6个实施例3所述的光催化降解装置进行分别串联，然后将各光催化装置内的光照处理层的紫外灯开启数量设置为4盏，再以70 L/h的流量往第一管路中通入含有浓度为0.25 mg/L有机污染物的待处理水，待第一管路和第二管路的流量稳定后，分别对第一管路通入的待处理水和第二管路输出的已处理水进行取样检测其有机污染物的含量，并进行计算得到有机污染物的去除率，结果为：当使用4个实施例3所述的光催化降解装置进行串联时，有机污染物的去除率为80%；当使用6个实施例3所述的光催化降解装置进行串联时，有机污染物的去除率为92%。

根据上述测试例3和对照例3的实验结果对比，可以得到结论，当光催化降解装置的串联数越多时，其水处理的有机污染物的去除率越高。

实施例4

本实施例装置的结构与实施例1大致相同，其不同之处在于，本实施例的水处理对象为含有大肠杆菌的待处理水。

性能测试

测试例4：往实施例4的光催化降解装置的第一管路中以70 L/h的流量持续通入含有浓度为15000个/L大肠杆菌的待处理水，其中光催化降解装置的光照处理层的紫外灯为关闭状态，待第一管路和第二管路的流量稳定后，分别对第一管路通入的待处理水和第二管路输出的已处理水进行取样检测其大肠杆菌的含量，经检测得到，已处理水的大肠杆菌浓度为14500个/L，根据我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002的规定指标，该已处理水的大肠杆菌数量超标。

对照例4：在实施例4所述光催化降解装置的结构基础上，将光照处理层的紫外灯开启数量分别设置为2盏和4盏，然后分别往第一管路中以70L/h的流量持续通入含有浓度为15000个/L大肠杆菌的待处理水，待第一管路和第二管路的流量稳定后，分别对第一管路通入的待处理水和第二管路输出的已处理水进行取样检测其大肠杆菌的含量，经检测得到，当光照处理层的紫外灯开启数量为2盏时，已处理水的大肠杆菌浓度为9500个/L，根据我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002的规定指标，该已处理水的大肠杆菌数量属于达标；当光照处理层的紫外灯开启数量为4盏时，已处理水的大肠杆菌浓度为5000个/L，根据我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002的规定指标，该已处理水的大肠杆菌数量属于达标。

基于测试例4和对照例4的结果可以得到随着紫外灯的数量增加，光催化降解装置的灭菌效果越好。

以上所述仅为本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本实用新型的教导，在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本实用新型的涵盖范围。