专利名称：一种钛基纳米级光催化薄膜水处理装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及光催化薄膜在水处理中的应用，尤其涉及一种钛基纳米级光催化薄膜水处理装置及其制造方法。
背景技术：
有色工业废水(或其他工业废水、生活污水等)以其量大，色度高，脱色困难，COD(化学耗氧量)严重超标为特点。常规的有色废水处理方法为絮凝法、吸附法、氯气或次氯酸钠氧化法、生化曝气法等，近年来采用光催化降解有害物质的方法越来越引起人们的重视。
纳米级氧化钛、氧化硅复合光催化剂，是难溶无毒、成本低，理想的光催化剂，南京工业大学理学院季宝允等在《无机盐工业》第26卷第4期(2004年7月)发表了“纳米氧化钛氧化硅复合光催化剂的制备及表征”一文，以硫酸钛、硅酸钠为添加乙二醇单甲醚采用沸腾回流水解法，通过溶胶凝胶真空干燥，再煅烧制得粒径在10nm左右的TiO2-SiO2复合粉末，这种粉状催化剂在处理有色废水时，用压缩空气搅拌，回收利用率较低，使用效率低，因此提高了废水的处理成本。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种催化效率高、水处理成本低的钛基纳米级光催化薄膜水处理装置及其制造方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种钛基纳米级光催化薄膜水处理装置，其特征在于，该装置包括钛管、钛网管、圆锥形钛网管、光源；所述的钛管设有进水口和出水口，该钛管内壁设有复合光催化薄膜层；所述的钛网管设在钛管内，该钛网管表面设有复合光催化薄膜层；
所述的圆锥形钛网管并多个顺序均匀设在钛网管内，该圆锥形钛网管表面设有复合光催化薄膜层，圆锥形钛网管的小口端套设于玻璃护套管的外围，其大口端与钛网管内壁紧密连接；所述的光源包括玻璃护套管、灯管，该玻璃护套管设在钛管内的轴向中心位置，该灯管设在玻璃护套管内。
所述的钛管、钛网管为圆柱型。
所述的进水口设在钛管一端面附近的径向位置，所述的出水口设在钛管另一端面的轴向中心位置。
所述的圆锥形钛网管的外锥面迎向水流方向。
所述的灯管为紫外光灯管。
一种钛基纳米级光催化薄膜水处理装置的制造方法，其特征在于，该方法包括以下工艺步骤(1)制取复合溶胶a.制取硅溶胶将正硅酸乙酯5-50毫升滴加入10-100毫升无水乙醇的烧杯内并搅拌，使混合的液体呈透明后，加入10-60毫升5％硝酸，再次呈透明后，即为硅溶胶；b.制取钛溶胶将钛酸四丁酯20-80毫升滴加入100-200毫升无水乙醇的烧杯内并搅拌，使混合的液体呈透明后，加入100-400毫升5％硝酸，不断搅拌，呈透明后即为钛溶胶；c.制取添加剂溶胶在烧杯中加入正丁醇200-800毫升，加入氯化锡、硝酸铁、氯化钴、氯化锑溶液，该溶液的浓度为0.025mol-5.0mol，加热溶解，在120℃回流4-6小时，即为澄清的添加剂溶胶；d.制取复合溶胶取硅溶胶和钛溶胶混合溶胶10-40毫升，添加剂溶胶5-10毫升，混合搅拌1-4小时，即为澄清的复合溶胶；(2)制备纳米级光催化薄膜钛网、钛板a.钛网基体经纯碱液除油，草酸或盐酸或硫酸除氧化膜，呈灰色有均匀麻点，用自来水、蒸馏水冲刷干净后晾干；b.钛板基体经纯碱液除油，草酸或盐酸或硫酸除氧化膜，呈灰色有均匀麻点，用自来水、蒸馏水冲刷干净后晾干；
c.将上述步骤(1)制取的复合溶胶喷涂或浸涂或刷涂在已处理好的钛板基体表面，在60-120℃内烘干5-20分钟，在400-600℃的炉内加热氧化5-20分钟，然后取出炉外冷至室温，继续按上法重复喷涂、烘干、氧化、冷却，直到喷涂30-50次；d.将上述步骤(1)制取的复合溶胶喷涂或浸涂或刷涂在已处理好的钛网基体表面，在60-120℃内烘干5-20分钟，在400-600℃的炉内加热氧化5-20分钟，然后取出炉外冷至室温，继续按上法重复喷涂、烘干、氧化、冷却，直到喷涂30-50次；(3)制备纳米级光催化薄膜钛管、钛网管、圆锥形钛网管a.按上述步骤(2)的方法得到的涂覆纳米级光催化薄膜的钛板按要求裁成矩形并卷成管状，焊接接缝，制得内衬纳米级光催化薄膜的钛管；b.按上述步骤(2)的方法得到的涂覆纳米级光催化薄膜的钛网按要求裁成矩形并卷成管状，焊接接缝，制得内衬纳米级光催化薄膜的钛网管；c.按上述步骤(2)的方法得到的涂覆纳米级光催化薄膜的钛网按要求裁成扇形并卷成圆锥形管状，焊接接缝，制得内衬纳米级光催化薄膜的圆锥形钛网管；(4)制备光源取一灯管、一玻璃护套管，将灯管插入玻璃护套管内密封构成光源；(5)组装钛基纳米级光催化水处理装置在钛管的一端开设进水口，另一端开设出水口，钛网管设于钛管内，将数个圆锥形钛网管均匀设于钛网管内，该圆锥形钛网管的外锥面朝向进水口，该圆锥形钛网管的大口端与钛网管内壁焊接；将光源沿钛管的轴向从一端深入并穿过数个圆锥形钛网管的小口端，该光源的玻璃护套管尾部露一小部分，灯管从进水口一端向外延伸并与电源连接，从而构成钛基纳米级光催化水处理装置。
所述的复合溶胶中钛/硅的摩尔比为2∶0.8-1.2。
所述的添加剂溶胶中四氯化锡、氯化锑、氯化钴、硝酸铁的摩尔比为10-4∶1-0.3∶0.025-0.075∶0.25-0.075。
所述的钛管、钛网管为圆柱型。
所述的灯管为紫外光灯管。
与现有技术相比，本发明具有以下优点1.复合光催化剂为纳米级晶粒结构，有较高的光催化活性。
2.由于将纳米级复合光催化剂固定在钛网表面形成薄膜，在工业废水处理工程中比粉状光催化剂使用方便，且在使用中损耗很少，因此提高了光催化剂的使用寿命及催化效率，从而降低了处理废水的成本。
3.纳米级复合光催化水处理装置，实现了紫外光源(或可见光源)和纳米材料的零距离接触，解决了光线和纳米材料光催化效率和水流大小的相互制约的矛盾，大大提高了光催化对废水的净化作用。
附图为本发明装置的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例如图所示，一种钛基纳米级光催化薄膜水处理装置，该装置包括钛管1、钛网管2、圆锥形钛网管3、光源4。
所述的钛管1设有进水口11和出水口12，该钛管1内壁设有复合光催化薄膜层13；所述的钛网管2呈圆柱型并设于钛管1内，内壁设有复合光催化薄膜层21；所述圆锥形钛网管3呈圆锥形并均匀设在钛网管2内，该圆锥形钛网管3表面设有复合光催化薄膜层31，所述的圆锥形钛网管3的小口端套设于玻璃护套管41的外围，其大口端与钛网管2内壁紧密连接。
所述的光源4包括玻璃护套管41、灯管42，该玻璃护套管41设在钛管1内的轴向中心位置，该灯管42设在玻璃护套管41内。
上述钛基纳米级光催化薄膜水处理装置的制造方法，该方法包括以下工艺步骤(1)制取复合溶胶
a.制取硅溶胶将正硅酸乙酯12.5毫升滴加入10毫升无水乙醇的烧杯中并搅拌，使混合的液体呈透明后，加入20毫升5％硝酸，再次呈透明后即为硅溶胶。
b.制取钛溶胶将钛酸四丁酯25毫升滴加入70毫升无水乙醇的烧杯中并搅拌，使混合的液体呈透明后，加入100毫升5％硝酸，不断搅拌，呈透明后即为钛溶胶。
c.制取添加剂溶胶在烧杯中加入正丁醇500毫升，加入四氯化锡、硝酸铁、氯化钴、氯化锑分别为1.24M、0.1M，0.025M，0.025M，加热溶解在120℃回流4小时，即为澄清的添加剂溶胶。
d.制取复合溶胶取硅溶胶和钛溶胶混合溶胶4份，添加剂溶胶1份，混合搅拌1小时呈澄清的即为光催化复合溶胶。
(2)在钛网板(或钛板)上制取纳米薄膜a.采用钛网板(或钛板)为基体，经10％碳酸钠溶液沸腾1小时，除去表面油污，用自来水冲洗净后，放入10％草酸液中加热沸腾2小时，直至钛网板表面呈灰色无光泽有均匀麻点，在60-120℃下烘干5-20分钟后，冷却待用。
b.将光催化复合溶胶液喷涂(或浸涂或刷涂)在已处理好的钛网板(或钛板)表面，要求均匀不挂液。
c.放入90℃±5℃热空气炉内5分钟，然后再在400-450℃的炉内保温5分钟，取出炉外冷却至室温，继续按上法均匀喷涂复合溶胶液，将工件钛网板放入90℃±5℃热空气炉内加热5分钟，然后再在400-450℃的炉内保温5分钟，取出炉外冷却至室温，如此反复喷涂→烘干→氧化→冷却直到喷涂第15次后，将工件钛网板(或钛板)进入炉内烘干，再进入400-450℃炉内氧化烧结1小时，然后取出，即为钛基纳米级光催化薄膜。
(3)纳米级光催化水处理装置a.钛板、钛网板的纳米催化涂层的技术处理根据制造纳米钛管、钛网管及圆锥形钛网管的要求，将1mm厚钛板、0.2-0.5mm的钛网板分别裁剪成矩形、圆形(封口用)及扇形。按本发明专利的纳米涂膜方法，分别对钛板、钛网板进行单面纳米涂膜。
b.钛管内壁纳米催化涂层的制造矩形钛板(将涂膜面卷成管内壁)卷成管状，并焊接。
距纳米钛管一端1-2cm处开以圆孔为进水口，圆孔直径1.5-2.5cm，圆孔处焊接5cm长，内径和圆孔直径相同的钛管(钛管开口处螺纹处理)。
c.纳米钛管封口制造二块圆形有纳米薄膜的钛板，直径和钛管外径相同，其中一块中心开一圆孔为出水口(直径为2.0-3.0cm)，比玻璃护套管外径略大)，在另一块中间分别于无纳米涂膜面焊接5cm长钛管(内径和圆孔直径相同)，其中一块和纳米薄膜面与锥形钛网管一端焊接固定，然后分别在薄膜面和纳米钛管二端相焊接。
d.纳米钛网管制造矩形钛网板(将涂膜面卷成管内壁)卷成管状并焊接，钛网管二端和钛管二封口圆板相焊接。
e.圆锥形钛网管纳米催化涂层的制造将扇形钛网板(纳米涂膜面卷于内面)卷成圆锥形钛网管，接缝焊接。将3-5个圆锥形钛网管按顺序等距排列，各管小口对准并置于大口中心位置，用钛丝焊接固定成一整体，总长度与纳米钛网管等长，大口和端板(纳米薄膜面)居中焊接固定，封口(大口直径比纳米钛管内径小1cm)，每个圆锥形钛网管长度为10-15cm。
f.组装将紫外灯护套护管(盲端)自纳米钛管一端开口中插入，穿于纳米圆锥形钛网管小口间，护套管开口处露2-3cm，密封固定。护套管插一紫外灯管(8-30瓦)，固定，连接电源。
钛管内径大小、长度及圆锥形钛网管的大、小口径大小及长度决定于废水的处理数量。
常规的废水处理和光催化薄膜处理效果的比较(以印染废水为例)
此外，利用光催化薄膜还能取代化学消毒剂对生活饮用水进行无公害消毒处理。
权利要求
1.一种钛基纳米级光催化薄膜水处理装置，其特征在于，该装置包括钛管、钛网管、圆锥形钛网管、光源；所述的钛管设有进水口和出水口，该钛管内壁设有复合光催化薄膜层；所述的钛网管设在钛管内，该钛网管表面设有复合光催化薄膜层；所述的圆锥形钛网管并多个顺序均匀设在钛网管内，该圆锥形钛网管表面设有复合光催化薄膜层，圆锥形钛网管的小口端套设于玻璃护套管的外围，其大口端与钛网管内壁紧密连接；所述的光源包括玻璃护套管、灯管，该玻璃护套管设在钛管内的轴向中心位置，该灯管设在玻璃护套管内。
2.根据权利要求1所述的一种钛基纳米级光催化薄膜水处理装置，其特征在于，所述的钛管、钛网管为圆柱型。
3.根据权利要求1或2所述的一种钛基纳米级光催化薄膜水处理装置，其特征在于，所述的进水口设在钛管一端面附近的径向位置，所述的出水口设在钛管另一端面的轴向中心位置。
4.根据权利要求1所述的一种钛基纳米级光催化薄膜水处理装置，其特征在于，所述的圆锥形钛网管的外锥面迎向水流方向。
5.根据权利要求1所述的一种钛基纳米级光催化薄膜水处理装置，其特征在于，所述的灯管为紫外光灯管。
6.一种钛基纳米级光催化薄膜水处理装置的制造方法，其特征在于，该方法包括以下工艺步骤(1)制取复合溶胶a.制取硅溶胶将正硅酸乙酯5-50毫升滴加入10-100毫升无水乙醇的烧杯内并搅拌，使混合的液体呈透明后，加入10-60毫升5％硝酸，再次呈透明后，即为硅溶胶；b.制取钛溶胶将钛酸四丁酯20-80毫升滴加入100-200毫升无水乙醇的烧杯内并搅拌，使混合的液体呈透明后，加入100-400毫升5％硝酸，不断搅拌，呈透明后即为钛溶胶；c.制取添加剂溶胶在烧杯中加入正丁醇200-800毫升，加入氯化锡、硝酸铁、氯化钴、氯化锑溶液，该溶液的浓度为0.025mol-5.0mol，加热溶解，在120℃回流4-6小时，即为澄清的添加剂溶胶；d.制取复合溶胶取硅溶胶和钛溶胶混合溶胶10-40毫升，添加剂溶胶5-10毫升，混合搅拌1-4小时，即为澄清的复合溶胶；(2)制备纳米级光催化薄膜钛网、钛板a.钛网基体经纯碱液除油，草酸或盐酸或硫酸除氧化膜，呈灰色有均匀麻点，用自来水、蒸馏水冲刷干净后晾干；b.钛板基体经纯碱液除油，草酸或盐酸或硫酸除氧化膜，呈灰色有均匀麻点，用自来水、蒸馏水冲刷干净后晾干；c.将上述步骤(1)制取的复合溶胶喷涂或浸涂或刷涂在已处理好的钛板基体表面，在60-120℃内烘干5-20分钟，在400-600℃的炉内加热氧化5-20分钟，然后取出炉外冷至室温，继续按上法重复喷涂、烘干、氧化、冷却，直到喷涂30-50次；d.将上述步骤(1)制取的复合溶胶喷涂或浸涂或刷涂在已处理好的钛网基体表面，在60-120℃内烘干5-20分钟，在400-600℃的炉内加热氧化5-20分钟，然后取出炉外冷至室温，继续按上法重复喷涂、烘干、氧化、冷却，直到喷涂30-50次；(3)制备纳米级光催化薄膜钛管、钛网管、圆锥形钛网管a.按上述步骤(2)的方法得到的涂覆纳米级光催化薄膜的钛板按要求裁成矩形并卷成管状，焊接接缝，制得内衬纳米级光催化薄膜的钛管；b.按上述步骤(2)的方法得到的涂覆纳米级光催化薄膜的钛网按要求裁成矩形并卷成管状，焊接接缝，制得内衬纳米级光催化薄膜的钛网管；c.按上述步骤(2)的方法得到的涂覆纳米级光催化薄膜的钛网按要求裁成扇形并卷成圆锥形管状，焊接接缝，制得内衬纳米级光催化薄膜的圆锥形钛网管；(4)制备光源取一灯管、一玻璃护套管，将灯管插入玻璃护套管内密封构成光源；(5)组装钛基纳米级光催化水处理装置在钛管的一端开设进水口，另一端开设出水口，钛网管设于钛管内，将数个圆锥形钛网管均匀设于钛网管内，该圆锥形钛网管的外锥面朝向进水口，该圆锥形钛网管的大口端与钛网管内壁焊接；将光源沿钛管的轴向从一端深入并穿过数个圆锥形钛网管的小口端，该光源的玻璃护套管尾部露一小部分，灯管从进水口一端向外延伸并与电源连接，从而构成钛基纳米级光催化水处理装置。
7.根据权利要求6所述的一种钛基纳米级光催化薄膜水处理装置的制造方法，其特征在于，所述的复合溶胶中钛/硅的摩尔比为2∶0.8-1.2。
8.根据权利要求6所述的一种钛基纳米级光催化薄膜水处理装置的制造方法，其特征在于，所述的添加剂溶胶中四氯化锡、氯化锑、氯化钴、硝酸铁的摩尔比为10-4∶1-0.3∶0.025-0.075∶0.25-0.075。
9.根据权利要求6所述的一种钛基纳米级光催化薄膜水处理装置的制造方法，其特征在于，所述的钛管、钛网管为圆柱型。
10.根据权利要求6所述的一种钛基纳米级光催化薄膜水处理装置的制造方法，其特征在于，所述的灯管为紫外光灯管。
全文摘要
本发明涉及一种钛基纳米级光催化薄膜水处理装置及其制造方法，该装置包括钛管、钛网管、圆锥形钛网管、光源；所述的钛管设有进水口和出水口，该钛管内壁设有复合光催化薄膜层；所述的钛网管设在钛管内，该钛网管表面设有复合光催化薄膜层；所述的圆锥形钛网管并多个顺序均匀设在钛网管内，该圆锥形钛网管表面设有复合光催化薄膜层；所述的光源包括玻璃护套管、灯管；该制造方法包括制胶、涂膜、组装等工艺步骤。与现有技术相比，本发明实现了光源和纳米材料的零距离接触，有效地解决了水流量与光催化效应的矛盾，大大提高了光催化对废水的净化作用，降低了处理废水的成本。
文档编号B01J21/00GK1792836SQ200510112018
公开日2006年6月28日 申请日期2005年12月27日 优先权日2005年12月27日
发明者陈康宁, 鲍立锋 申请人:上海文华消毒药业科技有限公司