一种提高水体溶解氧浓度的光催化装置及使用方法与流程

本发明涉及一种提高水体溶解氧浓度的光催化装置及使用方法，属于环保技术与水处理领域。

背景技术：

工业化和城市化程度发展迅猛，但水污染控制和治理措施相对滞后，大量的工业废水、生活污水和生活垃圾等进入自然水体，造成自然水体中有机物含量的大幅增加，藻类大量繁殖。微生物在分解有机物的过程中会消耗水中溶解氧，加上水中动植物的呼吸作用，造成水体缺氧，大量厌氧菌繁殖分解有机物产生致黑致臭物质。同时，在酸性、还原条件下，污染物和氨氮从底泥中释放，沉积物中产生的甲烷、硫化氢等气体在上升过程中，携带污泥进入水相，使水体发黑，进一步加剧了水体黑臭程度，严重影响人们的居住环境，破坏水体功能，危害人体健康。

目前治理黑臭水的方法包括曝气法、絮凝沉淀法、微生物净化法、人工湿地、生物膜等。其中曝气法投资大、能耗高，动力要求高，效率低；絮凝沉淀法无法去除水中污染物，容易反弹；微生物净化法见效慢，需要人为创造条件强化微生物对污染物的去除效果；人工湿地占地面积大、易受病虫害影响，并且由于其处理机制、工艺动力学等受复杂的生物和水力条件影响大，常导致人工湿地因为出水不达标成为了新的污染源；生物膜技术常用于低浓度污水的净化。

光催化技术是使用光催化材料，利用光能，将水分解成o2，常用的光催化材料有硫化物如cds，铋系光催化剂如biov4，钛基光催化剂等。常用的牺牲剂有过硫酸钠，硝酸银等。光催化产氧技术具有无能耗、无污染、低成本的优点，并且产生的氧气为纳米级，可以提高氧在水中的溶解效率，快速提高水体溶解氧浓度，非常适合治理黑臭水体。但由于光催化剂需要在光照条件下进行，在黑臭水体内部进行污染治理有一定难度，单纯的光催化材料无法直接应用于处理很臭水体中。

技术实现要素：

本发明提出的是一种提高水体溶解氧浓度的光催化装置及使用方法，其目的在于克服现有治理黑臭水体技术的不足，开发一种与光催化材料相结合的，适用于黑臭水体的光催化产氧装置。

本发明的技术解决方案：

一种提高水体溶解氧浓度的光催化装置，其结构包括反应箱箱体1、光催化膜3、输氧管5。其中，反应箱箱体1为透明亚克力材质，光催化膜3可拆卸地安装在反应箱箱体1底板上，反应箱顶部连通输氧管5。在光照条件下，光催化膜3分解反应箱箱体1内的溶液产生的氧气，通过输氧管5输送到黑臭水体底部。箱体1尾部可拆卸地安装在线监测装置8，包括供电模块、通信模块和溶解氧浓度传感器；供电模块包括光伏板和蓄电池，为通信模块和溶解氧浓度传感器提供电力；溶解氧浓度传感器信号输出端连接通信模块信号输入端，实时监测水体溶解氧浓度，并将水体状态信号传输至用户终端。

进一步地，所述反应箱箱体1顶部设有注水口4，通过注水口4向反应箱箱体1中加入含有牺牲剂的水溶液。所述牺牲剂为硫酸钠、硝酸银。

进一步地，所述反应箱箱体1两侧设有浮球2，提供浮力保证反应箱箱体1浮于水体表面。

进一步地，所述光催化膜3为铋系光催化反应膜、氧化石墨烯光催化反应膜、氧硫化物光催化反应膜、硫属化物光催化反应膜、共轭聚合物光催化反应膜、钛基光催化反应膜中的一种或多种组合。

进一步地，所述输氧管5下端连通扩散管6，扩散管6管壁上设有若干个输氧孔7，保证光催化产生的氧气快速均匀地与黑臭水体接触。

进一步地，所述输氧孔7上装有防水透气膜，防止黑臭水体倒灌回装置内。

进一步地，所述扩散管6为圆盘状、交叉状或“非”字形排布中的一种或多种。

作为优选方案，所述在线监测装置8包括无线遥控模块，结构包括螺旋桨和控制电机；控制电机信号输入端连接所述通信模块，控制电机信号输出端连接螺旋桨，通过用户终端控制所述光催化装置在水面上移动。

所述光催化装置的使用方法包括以下步骤：

1）组装各部件，将光催化膜3安装在反应箱箱体1底板；

2）将步骤2）组装好的反应箱箱体1放置在待处理水体表面，通过注水口4向反应箱箱体1中加入牺牲剂；

3）工作人员通过用户终端获取水体状态信号，当前水体溶解氧浓度达到达到规定标准浓度时，所述用户终端发出提示；工作人员通过操纵无线遥控模块，转移所述光催化装置到溶解氧低的水体区域；

4）当箱体中牺牲剂含量不足或光催化膜3需更换时，通过无线遥控模块回收光催化装置，进行耗材更替。

本发明的主要工作原理：

透明的装置箱体一方面保证太阳光进入箱体内，另一方面装有供光催化材料分解产氧的反应溶液，其顶板设有注水口和通往水体底部的输氧管。置于装置箱体底板上的光催化材料，可以在光照条件下产生大量的氧气，通过输氧管、扩散管进入水体，输氧孔表面的防水透气膜，使产生的氧气进进入水体的同时，阻挡黑臭水体进入装置。

其中，光催化产氧的反应机理是，在光照条件下，当光催化材料满足被激发条件时，由于光的激发，价带中的电子受激跃迁穿过近代，进入导带，形成光生电子（e^-），同时，价带中由于电子的转移，产生空穴（h⁺）。光生电子和空穴一部分二次复合，另一部分光生电子和空穴迁移到半导体表面与水分子发生氧化还原反应。光生电子在半导体表面将水还原，生成h2，空穴在半导体表面将水氧化，生成o2。加入牺牲剂是因为当水中存在电子受体时，如ag⁺或fe³⁺时，导带上的光生电子首先将被他们消耗，则o2的放出反应可以得到促进，提高了产氧效率。

本发明的有益效果：

1）采用光催化膜作为产氧气的装置，具有成本低、效率高、无能耗的优点，且更换方便维护成本低，且光催化产氧材料种类多，可供选择性多，适应性强。

2）光催化膜分解水产生的氧气通过在水底分散、伸展开的扩散管进入水体中，辐射范围广，治理面积大、提高黑臭水体溶解氧浓度的效果好。

3）本发明结构简单、无需施工，可直接投入使用，适宜推广。

4）本发明装有水质在线监测装置及无线遥控驱动装置，可以实时检查水质状况，当水体溶解氧水平提升后，可通过无线遥控驱动装置控制净化装置到黑臭水严重的水体范围，大大提高了治理效率。

附图说明

附图1是光催化产氧装置的俯视结构示意图。、

附图2是光催化产氧装置的a-a剖面结构示意图。

附图3是光催化产氧装置的b-b剖面结构示意图。

附图4是圆盘状扩散管的示意图。

附图5是交叉状扩散管的示意图。

附图6是“非”字形排布扩散管的示意图。

附图中1是反应箱箱体，2是浮球，3是光催化膜，4是注水口，5是输氧管，6是扩散管，7是输氧孔、8是在线监测装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案做进一步解释说明。

对照附图1和图2，一种提高水体溶解氧浓度的光催化装置，其结构包括反应箱箱体1、浮球2、光催化膜3、注水口4、输氧管5、扩散管6和输氧孔7。其中，反应箱箱体1为透明亚克力材质，两侧设有浮球2，保证反应箱箱体1浮于水体表面；光催化膜3可拆卸地安装在反应箱箱体1底板上，反应箱箱体1顶部连通注水口4和输氧管5。在光照条件下，光催化膜3分解反应箱箱体1内的溶液产生的氧气，通过输氧管5输送到黑臭水体底部。

箱体1尾部可拆卸地安装在线监测装置8，包括供电模块、通信模块、无线遥控模块和溶解氧浓度传感器；供电模块包括光伏板和蓄电池，为通信模块和溶解氧浓度传感器提供电力；溶解氧浓度传感器信号输出端连接通信模块信号输入端，实时监测水体溶解氧浓度，并将水体状态信号传输至用户终端。无线遥控模块结构包括螺旋桨和控制电机；控制电机信号输入端连接所述通信模块，控制电机信号输出端连接螺旋桨，通过用户终端控制所述光催化装置在水面上移动。

当前水体溶解氧浓度达到达到规定标准浓度时，所述用户终端发出提示；工作人员通过操纵无线遥控模块，转移所述光催化装置到溶解氧低的水体区域。

光照条件下，分解水产生氧气，通过注水口4向反应箱箱体1里加入含有牺牲剂的水溶液，输氧管5的下端为扩散管6，光催化膜3产生的氧气通过输氧管5到达扩散管6，再由扩散管6上的输氧孔7输送到黑臭水体底部，输氧孔装有防水透气膜，防止黑臭水体进入装置。

箱体内注入含牺牲剂的水溶液，牺牲剂为硫酸钠、硝酸银。光催化膜3包括但不限于铋系光催化反应膜，如bipo4、bivo4；氧化石墨烯光催化反应膜；氧硫化物光催化反应膜，如sm2ti2o5s2；硫化物光催化反应膜，如cds、cugase；共轭聚合物光催化反应膜，如三嗪基聚合物、聚合氮化碳；钛基光催化反应膜等可产氧的光催化反应材料。

对照附图3-5，输氧管5下端连通扩散管6，扩散管6有圆盘状、交叉状和“非”字形设计；扩散管6上设有输氧孔7，输氧孔7表面覆盖防水透气膜，防止黑臭水体通过输氧孔进入装置内。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。