低功耗高效能的紫外光催化氧化方法与流程

本发明涉及水质净化的，特别地涉及一种低功耗高效能的紫外光催化氧化方法。

背景技术：

1、紫外灯是一种环境友好、无二次污染、处理效率高的净水消毒设备，其形式多样、门类繁多，其中最为常见的是水质净化设施中紫外消毒设备普遍采用的紫外灯管，因易于实施、操作简便、效果显著等优势，具有非常广泛应用。

2、上述紫外灯管能够发射波长较短的紫外线(λ＜400nm)，紫外线不仅可迅速使蛋白质变性，从而有效杀灭水体中几乎所有的细菌和病原体，而且在波长较短、剂量较大时，可对水中的有机物产生直接光解作用(对应于下述反应式1-4)。

3、r+hν(λ＜185nm)→r*                  (1)

4、r*→·r1+·ch2ch3                        (2)

5、·r1+hν(λ＜185nm)→·ii(i＝1，2，…，n)       (3)

6、·ii+·ii→p                           (4)

7、在常规紫外灯管消毒净水技术基础上，结合光催化氧化技术，衍生出紫外线协同半导体光催化材料的高效净水技术。该技术能够有效激发水中羟基自由基(·oh)等活性自由基的激发，再通过活性自由基与有机化合物的加合、取代、电子转移、断键等作用，使大分子有机物降解为小分子物质，甚至直接降解成为二氧化碳(co2)和水(h2o)，从而实现净水。上述活性自由基还包括激发态氧原子(o1d)、超氧自由基(ho2·-/o2·-)、单线态氧(1o2)等，同样具有强氧化性，可发生与·oh类似的矿化反应实现净水(对应于下述反应式5-8)。

8、h2o + hν →·oh +·h                       (5)

9、r +·oh → roh                         (6)

10、r +·oh → ·r + h2o                     (7)

11、rn +·oh → rn-1 + oh-                      (8)

12、相关研究表明，多种氧化剂和紫外光催化技术联用可进一步提升水体的消毒和净化效率，取得比使用单一氧化剂或单一使用紫外光催化所不具备的显著效果提升。例如：单纯臭氧与有机物的反应是有选择性的，而且不能将有机物彻底分解为co2和h2o；若采用臭氧和紫外光催化技术联用，则能有效提高净水和消毒效率。臭氧和紫外光催化技术联用净水和除臭的作用原理如反应式9-11所示，其中o3表示臭氧，uv表示紫外辐射，hv表示光解，o1d表示激发态氧原子，·oh表示羟基自由基，h2o2表示过氧化氢。

13、o3 + uv(或 hν，λ ＜ 310 nm)→ o2 + o(1d)        (9)

14、o(1d)+h2o → ·oh + ·oh → h2o2 (水中)        (10)

15、o(1d)+h2o → ·oh + ·oh(潮湿空气)             (11)

16、又如臭氧和双氧水联用也能产生耦合强化作用，其反应原理如反应式(12)所示。

17、2o3 + h2o2 → ·oh + ·oh + 3o2                    (12)

18、而二氧化氯和双氧水反应可产生具有强氧化性的次氯酸：

19、2clo2 + h2o2 → 2hclo2 + o2                     (13)

20、双氧水和紫外光催化技术联用亦具有耦合强化作用：

21、h2o2 + uv(或 hν，λ ≈ 200～280 nm) → ·oh + ·oh     (14)

22、又如二氧化氯溶液和紫外联用(r表示有机反应物，r*表示有机反应产物)：

23、r + clo2 → r* + clo2-                       (15)

24、clo2- + hν(λ ＜ 300 nm)→ 2o(1d)+ cl-          (16)

25、然而，一方面，现有水质净化设施中的紫外灯仅发挥了紫外消毒作用，未充分利用紫外灯固有能量实现紫外光催化的净水作用。事实上，现有消毒用紫外灯在管壁处的紫外辐照强度较高(一般可达5000w/m2以上)，所以如能充分利用紫外灯管壁附近的高强紫外辐照，在该区域供应充足的o3、h2o2、clo2等氧化剂，辅以黑钛、二氧化钛等光催化剂的催化作用，就能激发上述化学反应，产生大量活性自由基，对水体起到高效净化和强化消毒作用。另一方面，现有消毒用紫外灯通常在灯管外部封装一层石英管套以起到保护作用，水体直接和上述外管套的外壁接触，而紫外灯长期工作会产生高温，导致上述外管套外壁易高温结垢，清洗十分困难。因此，现有的水质净化技术缺乏能够产生大量活性自由基、便于清洁紫外灯套管的有效技术手段。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中难以有效激发活性自由基、净水效果欠佳、外管套易结垢难清洁等缺陷，提供一种低功耗高效能的紫外光催化氧化方法。

2、本发明系通过下述技术方案来解决上述技术问题：

3、一种低功耗高效能的紫外光催化氧化方法，利用紫外消毒装置对流经紫外消毒装置的水体进行净化和消毒，该紫外消毒装置包括容器和设在容器内的紫外灯套管，紫外灯套管包括外套管和设在外套管内的紫外灯，容器的侧壁开设有若干个通孔，所述包括以下步骤：

4、将至少一种氧化剂注入紫外灯套管和容器之间的环状间隙空腔中；

5、启动紫外灯，辐射出的紫外光和涂覆在所述容器侧壁的催化剂共同产生紫外光催化作用，以使所述氧化剂在紫外光催化作用下激发出活性自由基；

6、驱使所述氧化剂和所述活性自由基从所述环状间隙空腔内，经由若干个所述通孔流出所述容器之外，以对所述容器外的水体进行净化和消毒。

7、在本方案中，通过上述方法产生的紫外光催化作用，能够有效激发高浓度的活性自由基，相比于单独的紫外光解作用或单独的氧化物对污染物的分解作用，提高了净水和消毒的效果和效率。通过将一种以上氧化物注入现有紫外灯套管和容器之间的环状间隙空腔中，使得紫外灯辐射、催化剂光催化、氧化物共同作用下在此环状间隙空腔中集中激发出活性自由基，并且浓缩的氧化物在此环状间隙空腔中被紫外光、催化剂持续作用，能够高效生成活性自由基，再从所述容器侧壁的通孔流出，从而对所述容器外部的水体起到高效净化和强化消毒作用。通过将至少一种氧化剂注入环状间隙空腔中，将紫外灯套管和容器外的水体分隔开来，避免紫外灯套管与处理水体的直接接触，使得容器外壁不易升温，从根本上避免水体中的污染物在紫外灯套管上发生高温结垢，使得紫外灯套管易于清洁。并且注入的氧化剂和激发的高浓度活性自由基对紫外灯套管及容器侧壁均具有良好清洁作用。由于减少了结垢对于紫外光催化反应的影响，因而也降低了紫外灯套管工作时的功耗，具有更低的功耗。

8、较佳地，所述低功耗高效能的紫外光催化氧化方法还包括以下步骤：

9、将所述氧化剂分流为多股，并驱使多股所述氧化剂从所述容器的外部沿轴向的不同位置处注入所述环状间隙空腔中。

10、较佳地，所述低功耗高效能的紫外光催化氧化方法还包括以下步骤：

11、将所述氧化剂分流为多股，并驱使多股所述氧化剂从所述容器的外部沿径向的不同位置处注入所述环状间隙空腔中。

12、在本方案中，通过上述两种方法，氧化剂在容器外部被分流，沿容器轴向或径向不同位置处注入环状间隙空腔，避免某一位置处的氧化剂流量过多或过少而影响活性自由基的激发均匀性，从而提升容器整体的净水和消毒效率。

13、较佳地，所述步骤“将至少一种氧化剂注入所述紫外灯套管和所述容器之间的环状间隙空腔中”之后还包括以下步骤：

14、将所述环状间隙空腔中的所述氧化剂在所述环状间隙空腔内进一步分配，并驱使分配后的所述氧化剂在所述环状间隙空腔中均匀地流至所述紫外灯套管沿径向和/或沿轴向的不同位置处，并均匀地从所述容器侧壁开设的通孔中流出。

15、在本方案中，通过上述方法，氧化剂在容器内部被均匀分配，相比于氧化剂在容器外分流，缩短了氧化剂扩散的距离，能更快受到紫外光的辐射作用，并保证容器不同位置处开设的通孔所流出的活性自由基浓度接近，而不是某些位置浓度高，某些位置浓度低，甚至没有活性自由基生成，从而有利于活性自由基的激发效率。

16、较佳地，所述低功耗高效能的紫外光催化氧化方法还包括以下步骤：

17、在所述容器侧壁及其外侧的不同位置处监测水体的污染物浓度，和/或，监测所述紫外灯的辐照强度。

18、据此，调节注入所述环状间隙空腔中的所述氧化剂流量，和/或，调节所述紫外灯的辐射强度。

19、在本方案中，通过在所述容器侧壁及其外侧的不同位置处监测水体的污染物浓度，可以调节注入氧化剂的量(污染物浓度越高，调节注入氧化剂的量越大)，和/或调节紫外灯的辐射强度(污染物浓度越高，调节紫外灯的辐射强度越大)，以让污染物及时被分解，保证有效的净水和消毒处理。

20、较佳地，所述低功耗高效能的紫外光催化氧化方法还包括以下步骤：

21、将多个所述容器以相互平行方式间隔设置在所述水体内，根据所述容器侧壁及其外侧不同位置处监测的污染物浓度，并监测所述紫外灯的辐照强度。

22、在本方案中，对于多个间隔设置的所述容器，通过监测所述容器的侧壁及其外侧处的紫外光辐照强度，并调节相应紫外灯的功率，以保证容器内壁处的紫外光辐射强度能够满足氧化剂在紫外光催化作用下大量激发活性自由基的条件。

23、较佳地，所述低功耗高效能的紫外光催化氧化方法还包括以下步骤：

24、将斜对角设置的相邻两个所述紫外灯的中轴线之间的中点设为控制点；

25、监测所述控制点的紫外光辐照强度，并调节所述紫外灯的功率。

26、在本方案中，通过监测控制点的紫外光辐照强度，并调节相应紫外灯的功率，以保证控制点的紫外光辐射强度能够满足水体的基本消毒条件。

27、较佳地，所述低功耗高效能的紫外催化氧化方法还包括以下步骤：

28、将多种不同的所述氧化剂混合后再注入所述环状间隙空腔中。

29、在本方案中，相比于单一种氧化剂，将多种不同氧化剂混合后再注入环状间隙空腔中，有利于强化多种氧化剂之间的化学反应，提升产生活性自由基的速率，进一步提升水体的消毒和净化效率。

30、本发明的积极进步效果在于：

31、(1)通过将水体和氧化物一起注入紫外灯套管和新增容器之间的环状间隙空腔中，使得活性自由基在此环状间隙空腔内高效持续产生，高浓度活性自由基从容器侧壁开设的通孔流出后，将对容器外侧的水体产生高效净化和强化消毒作用，完全可抵消紫外线透射或折射出容器时发生的微弱损耗(活性自由基和多种氧化剂均对水体中的微生物具有进一步杀灭作用)，总体能够显著提升净水和消毒效能。

32、(2)通过将至少一种氧化剂注入紫外灯套管和容器之间的环状间隙空腔中，将紫外灯套管和容器外的水体分隔开来，避免紫外灯套管与处理水体的直接接触，使得容器外壁不易升温，从根本上避免水体中的污染物在紫外灯套管上发生高温结垢，使得紫外灯套管易于清洁。并且注入的氧化剂和激发的高浓度活性自由基对紫外灯套管及容器侧壁均具有良好清洁作用。