反射式光催化废污水处理装置

1.本发明涉及一种废水或污水处理用的设备，具体涉及一种反射式光催化废污水处理装置。


背景技术：

2.印染行业的废水中含有大量的有机污染物，亚甲基橙是其中最为常见的一种污染物，一般的降解方法难以去除，进入自然界会造成严重的生态污染。光催化分解材料基体在紫外线照射下能产生自由基，将有机污染物亚甲基橙氧化分解，是一种高效环保的方法。
3.现有的光催化分解污水处理介质可分为粉末式和薄膜式两种，粉末式的光催化纳米粉末比表面积较大，催化效果好，可通过掺杂磁性物质辅助光催化纳米粉末的回收，但是存在粉末流失、回收再应用困难等问题；薄膜式在固定基体上形成光催化薄膜，方便回收，但是降低了光催化材料的比表面积，且涂层厚度薄，易破损失效。
4.此外，现有的光催化废水处理装置一般采用单一太阳光源或单一人造光源，当遇到光源不足时就无法继续工作，工业适应性不足。当设置两种光源时，如何能够保证切换任意一种光源都能有足够的处理效率，仍旧是需要解决的问题。


技术实现要素：

5.发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种反射式光催化废污水处理装置，该装置能够稳定且持续的处理印染废水。
6.技术方案：本发明所述的一种反射式光催化废污水处理装置，包括：支撑装置，其具有支架和滑块，所述支架具有上下排列的第一位置和第二位置，所述滑块被构造成可在第一位置和第二位置之间滑动，在第一位置的上方设置有竖向的拉绳收拢孔；光催化反应器，连接并跟随所述滑块滑动，其包括透光套筒、进水装置、排水装置、多孔体和紫外线灯；所述透光套筒内部形成水处理腔室，所述进水装置和所述排水装置分别连接所述透光套筒，用于向所述水处理腔室内进水和向外排水；所述多孔体设置在水处理腔室内，其具有光催化介质形成的框架以及通过所述框架形成的连续孔洞，自多孔体的中轴线向外，所述连续孔洞呈现逐渐粗疏的梯度式分布；所述紫外线灯沿着多孔体的中轴线设置在其内部；聚光罩，其被构造成可变形的柔性结构，聚光罩的两端均连接有拉绳，两端的拉绳分别从上向下穿过所述拉绳收拢孔并连接所述滑块；当所述滑块位于第一位置时，所述聚光罩在透光套筒下方排布呈弧形，将上方照射的光线反射到透光套筒上；当所述滑块下滑至第二位置时，滑块牵拉所述拉绳，聚光罩的两端收拢呈包围透光套筒的圆筒形，将来自所述紫外线灯的光线反射到透光套筒上。
7.其中，所述框架为二氧化钛框架，其包括二氧化钛形成的基体以及在基体内弥散分布的纳米铜颗粒。通过二氧化钛框架在紫外线的照射下的光催化作用分解污染物，同时，通过纳米铜颗粒提高多孔体的导电性，进而提高其光催化分解效率。
8.具体的，所述多孔体的制备步骤包括：首先构建多孔体模型；然后根据构建的多孔
体模型，采用激光选区熔化成形技术对纯钛粉末和氧化铜纳米颗粒的混合物熔化成形，得到多孔体。
9.其中，所述聚光罩包括多个依次连接的反光片，相邻两个反光片的夹角可变。
10.以聚光罩的反光面为内、背光面为外，相邻的两个反光片的连接点外侧设置弹簧，弹簧的两端分别连接在两个反光片的相邻面；当滑块位于第一位置时，所述聚光罩在各弹簧的拉力作用下呈弧形张开状态；当滑块下滑至第二位置时，滑块牵拉所述拉绳进而收拢聚光罩两端，克服弹簧的拉力使聚光罩呈现圆筒形。
11.其中，所述进水装置包括进水密封接头和紊流装置；所述进水密封接头连接在所述透光套筒的端部，其上设置进水口；所述紊流装置设置在所述透光套筒内并与所述进水口连通，紊流装置将自进水口注入的废污水以紊乱的流向送入所述多孔体。
12.所述紊流装置包括喷嘴和紊流盘片；所述喷嘴具有与所述进水口连通的进水腔、以及自进水腔引出并在周向上间隔排布的多个弯曲流道，所述多个弯曲流道的出水端形成所述喷嘴的喷口；所述紊流盘片呈圆形，设置在所述喷口的前方并与所述透光套筒同轴，其上排布有多个过水孔，沿着紊流盘片的径向，靠外侧的过水孔孔径较内侧的大。
13.其中，还包括多孔体的限位装置，所述限位装置包括顶针、弹簧和限位片，所述顶针连接在所述紊流装置上并沿着所述透光套筒的轴向向前延伸，所述限位片套设在所述顶针上，所述弹簧两端分别连接紊流装置和限位片。
14.所述排水装置包括排水密封接头，所述排水密封接头连接在所述透光套筒的另一端部，其上设置排水口。
15.工作原理：本发明的装置通过调整滑块在支架上的位置，能够对聚光罩的形状以及聚光罩与透光套筒的相对位置关系进行调整，进而实现了两种工作状态。第一种工作状态是：当太阳等外部紫外光线充足时，将滑块置于支架上的第一位置，此时聚光罩呈弧形布置在透光套筒的下方，能够将上方投射下来的紫外线反射至透光套筒，特别是，通过反射补足了透光套筒下表面光线无法直接照射到的位置的光线，使透光套筒整个圆周方向能够均匀接收紫外光线，其内部的水处理腔室有充足的紫外线，保障了光催化的效率。第二种工作状态是：当当太阳等外部紫外光线不足时，将滑块置于支架上的第二位置，此时透光套筒下移，聚光罩收拢呈圆筒形，包裹整个透光套筒。紫外线灯照射的紫外线自多孔体的连续空洞投射出来，被聚光罩反射回透光套筒，使透光套筒内部的水处理腔室有充足的紫外线，同样保障了光催化的效率。当然，在第一中工作状态下，紫外线灯可以选择打开或者关闭。
16.有益效果：与现有技术相比，该装置在太阳等外部紫外光线充足或不足时均能够使用，且都能保证水处理腔室内有充足的紫外线照射多孔体，因此可以持续的处理印染废水，工业适应性较好。此外，其多孔体的连续孔洞呈现由内向外逐渐粗疏的梯度式分布，也就是说外部孔洞更大更疏松，内部更小更细密，使得当采用外部光源(太阳)时，本身较为分散且较弱的外部紫外光线能够从大孔穿入投射至多孔体的中心，配合聚光罩的作用，实现整个多孔体均能接收充足的紫外线；当采用内部紫外线灯时，由于光源在内部发出，紫外线较为集中强劲，能够从内部细密的连续孔洞投射至外部，配合聚光罩不断反射，也保障了整个多孔体能够接受到充足的紫外线，进而保障了两种工作状态均能够稳定的处理印染废水。
附图说明
17.图1是聚光罩展开时，沿透光套筒轴向观察该反射式光催化废污水处理装置的结构示意图；
18.图2是图1中聚光罩和透光套筒的位置关系示意图；
19.图3是聚光罩收拢时，沿透光套筒轴向观察该反射式光催化废污水处理装置的结构示意图；
20.图4是图3中聚光罩和透光套筒的位置关系示意图；
21.图5是沿图1中光催化反应器沿a
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a线的剖视图；
22.图6是紊流盘片的过水孔排布结构示意图；
23.图7是多孔体的模型示意图。
具体实施方式
24.下面，结合附图对本发明做进一步详细说明。
25.该反射式光催化废污水处理装置主要部件包括支撑装置、光催化反应器、聚光罩9。
26.如图1
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4所示，支撑装置一方面用于支撑光催化反应器和聚光罩9，另一方面用于配合调整聚光罩9的形状变化以及其和光催化反应器的相对位置状态。
27.具体的，支撑装置包括支架1、滑块2和拉绳收拢孔3。支架1在光催化反应器的两端分别具有一个立柱，在该立柱上设置沿竖直方向布置的滑块轨道，在滑块轨道内部安装滑块2，上方设置拉绳收拢孔3。本实施例中，滑块轨道设置成如图所示的通槽形式，通槽的顶部为本发明描述中的第一位置，底端为第二位置。
28.请一并参阅图5，在本实施例中，滑块2与光催化反应器的水密封接头51连接成一体，或者直接在制作时两者一体成型。在滑块2上沿其轴向开设进水口52，滑块2的表面设置凹槽，卡在支架1的通槽内配合滑动。当然，在其他实施方式中，滑块2也可以设置为在滑轨内的独立部件，不起到进水功能，光催化反应器与其连接跟随滑动即可。
29.拉绳收拢孔3用于在向下牵拉两侧的拉绳10时使两侧的拉绳10向中间收拢，其也可以采用多种形式实现，例如直接在立柱上开设单个竖向通孔同时穿入两根拉绳10，或者开设并排的两个竖向通孔分别穿入一根拉绳10，也可以在立柱安装两个对称的滑轮。只要能在向下拉动两侧的拉绳10时，实现将两侧的拉绳10向中间收拢即可。聚光罩9两端的拉绳10自上向下穿过拉绳收拢孔3，并连接在滑块2上，因而当滑块2向下滑动时，能够牵拉拉绳10向下，使两侧的拉绳10聚拢。
30.聚光罩9整体能够弯曲变形，属于可变形的柔性结构。在本实施例中，其采用多个反光片91依次通过铰链铰接而成，在各铰链的外侧还设置弹簧92连接两反光片91的相邻侧面。当滑块2在通槽顶端的第一位置时，在各弹簧92的拉力作用下，聚光罩9呈弧形张开状态，张紧拉绳10将滑块固定在该第一位置。此时聚光罩的内弧表面(上表面)为各反光片91的反光面，外弧表面(下表面)为背光面。当通过连接滑块2的手动拉环14下拉滑块2至第二位置时，滑块2牵拉两端的拉绳10进而收拢聚光罩9两端，克服弹簧92的拉力使聚光罩9呈现圆筒形。
31.当然，在其他实施方式中，聚光罩9还可以采用整片具有一定韧性的柔性薄片涂覆
反射介质制作而成，例如亚克力板。当滑块2在通槽顶端的第一位置时，聚光罩9处于被拉绳10牵拉的状态，呈现反射所需要的弧形，其自身回弹力则张紧拉绳10使滑块2固定在第一位置。其内弧表面(上表面)为涂覆反射介质的反光面，外弧表面(下表面)为背光面。当通过手动拉环14下拉滑块2至通槽底端的第二位置时，聚光罩9两端受拉绳10拉力作用向拉绳收拢孔3的顶部收拢，在自身弹性作用下呈现圆柱形。
32.请一并参阅图5所示，光催化反应器的截面整体大致呈圆柱形，其与两端的滑块2同轴连接。当滑块2处于第一位置时，聚光罩9在光催化反应器的下方，其反光面的焦点主要集中在光催化反应器的透光套筒4上，将上方照射的光线反射到透光套筒4上。当滑块2下拉至第二位置时，光催化反应器也随之下移到聚光罩9所形成的圆筒的轴心位置，两者大致形成同心圆，进而聚光罩9将来自紫外线灯8的光线反射到透光套筒4上。
33.具体的，光催化反应器主要部件包括透光套筒4、进水装置5、排水装置6、多孔体7、紫外线灯8以及限位装置。透光套筒4采用石英制成，进水装置5和排水装置6分别连接在其两端。
34.进水装置5主要包括进水密封接头51和紊流装置两个部分。进水密封接头51大致为一呈圆形的盖子，滑块2同轴设置在其中心，进水口52自外部贯穿至其内部，且进水口52的孔径逐渐减小。进水密封接头51与透光套筒4之间通过多层密封垫圈进行密封，避免漏液。
35.紊流装置用于紊乱废污水的流向，其包括同轴连接在进水密封接头51内侧的喷嘴53以及设置在喷嘴53前部的紊流盘片54。该喷嘴53的进水腔53a与进水口52同轴连通，自进水口52喷射进来的废污水先在进水腔53a内聚集循环，然后经过连通进水腔53a的多个弯曲流道53b喷出。弯曲流道53b在进水腔53a中间位置先向喷嘴53的斜后方延伸再转弯向喷嘴53的斜前方延伸，使喷出的水流流向各异，尽量以紊乱的流态喷出。
36.紊流装置同时也与限位装置连接，请一并参阅图5和图6，顶针11同轴连接喷嘴53并向前延伸，紊流盘片54的圆心处设置安装孔，套设固定在顶针11上。紊流盘片54上排布了若干圈过水孔54a，并且沿着紊流盘片54的径向，靠外侧的过水孔54a孔径较内侧的大。喷嘴53和紊流盘片54配合加强了紊流、扰乱液体流向的作用，增加印染废水与多孔体7的有效接触面积。
37.限位片13也套设在顶针11上，其与紊流盘片54之间通过弹簧12连接，当安装多孔体7时，限位片13在弹簧12弹力作用下对多孔体7进行限位固定。顶针11的前端也设置顶板，用于对紫外线灯8进行定位。
38.请参阅图7所示，本发明的多孔体7是将光催化介质制作成框架71以提升光催化介质的稳定性，并通过框架71形成连续孔洞72以提高光催化介质的比表面积。为了提高整个设备的使用效率，自多孔体7的中轴线向外，连续孔洞72呈现逐渐粗疏的梯度式分布。使得当采用外部光源(太阳)时，本身较为分散且较弱的外部紫外光线能够从大孔穿入投射至多孔体7的中心，配合聚光罩9的反射作用，实现整个多孔体7均能接收充足的紫外线；当采用内部紫外线灯8时，由于光源在内部发出，紫外线较为集中强劲，能够从内部细密的连续孔洞72投射至外部，配合聚光罩9不断反射，也保障了整个多孔体能够接受到充足的紫外线，进而保障了两种工作状态均能够稳定的处理印染废水。
39.本实施例中，多孔体成分为二氧化钛夹杂纳米铜颗粒，其连续孔洞为三维的泰森
多边形孔洞。采用激光选区熔化成形技术制备，步骤包括：
40.首先，根据泰森多边形原理构建多孔体模型；
41.本实施例采用犀牛软件与grasshopper插件，建模步骤包括：
42.1、分别构件直径为10mm、20mm、60mm与100mm，高度为150mm的同心圆柱；
43.2、在外径为20mm内径为10mm高度为150mm的同心圆柱内生成60个随机点；在外径为60mm内径为20mm高度为150mm的同心圆柱内生成30个随机点；在外径为100mm内径为60mm高度为150mm的同心圆柱内生成20个随机点；随机点通过grasshopper插件中的populate 3d功能生成。
44.3、将所有随机点集合汇聚成单独的随机点阵，通过grasshopper插件中的voronoi 3d功能，将外径为100mm、内径为10mm、高度为150mm的同心圆柱作为边界条件，随机点阵作为三维泰森多边形的体心，生成外密内疏、呈梯度分布的泰森多边形同心圆柱；
45.4、将同心圆柱中的三维泰森多边形以体心为中心，缩小至80，获取缩小后三维泰森多边形边界上的点集，并筛选出同心圆柱内的点集，借助mash工具将筛选后的点集生成新的曲面，借助weaverbird插件对曲面进行圆滑；
46.5、将获得圆滑曲面与同心圆柱进行布尔运算，获得封闭的多孔体模型。
47.然后，根据构建的多孔体模型采用激光选区熔化成形技术对纯钛粉末和氧化铜纳米颗粒的混合物熔化成形，得到多孔体7。成形的过程中纯钛粉与纳米氧化铜颗粒原位反应生成具有光催化效应的二氧化钛基体，氧化铜被还原成纳米铜颗粒弥散分布在二氧化钛基体中，共同形成框架71，纳米铜颗粒提高多孔体7的导电性，进而提高其光催化分解效率。
48.制作的多孔体7呈中空的圆柱形，中间空出部分插入安装紫外线灯8。
49.排水装置6的排水密封接头61也大致为一呈圆形的盖子，密封盖合在透光套筒4的另一端部，通过设置多层的密封垫圈避免漏液。滑块2同轴安装在其中心，排水口62贯穿其内外。排水密封接头61内侧设置限位密封圈63，阻隔在多孔体7和排水密封接头61之间，一方面对多孔体7进行限位，另一方面由于其t型结构，翼缘部分与透光套筒紧密贴合，腹板部分连接在排水密封接头61内侧，也进一步加强了排水装置6的密封性。
50.此外，排水密封接头61上还设置穿线孔64，自紫外线灯8的灯座81引出的线路可以从穿线孔64穿出通电。