一種基于多場(chǎng)耦合作用的高效廢水處理裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于多場(chǎng)耦合作用的高效廢水處理裝置，解決了光電催化水處理技術(shù)中光催化與電催化協(xié)同效果有缺陷的問(wèn)題。具體包括反應(yīng)筒、紫外光系統(tǒng)、電化學(xué)系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、超聲波系統(tǒng)，所述反應(yīng)筒內(nèi)裝填二氧化鈦光催化劑，所述紫外光系統(tǒng)，是一個(gè)外部套有石英玻璃罩的紫外光燈管；所述電化學(xué)系統(tǒng)，是由置于反應(yīng)筒中的反應(yīng)電極及與反應(yīng)電極連接的穩(wěn)壓電源組成；所述熱力系統(tǒng)，包括反應(yīng)筒加熱裝置，所述超聲波系統(tǒng)，是由置于反應(yīng)筒下方的超聲波探頭和與之連接的徑向超聲發(fā)生器組成。本發(fā)明將光電催化反應(yīng)設(shè)計(jì)到同一反應(yīng)裝置中，并且同時(shí)加入超聲波場(chǎng)和熱場(chǎng)作用，進(jìn)一步的提高了有機(jī)物的降解速率，較傳統(tǒng)的光電催化有突出的優(yōu)越性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于多場(chǎng)耦合作用的高效廢水處理裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種廢水處理裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 光催化水處理技術(shù)作為一種高效無(wú)選擇性的有機(jī)物處理技術(shù)，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、二 次污染小、易于操作控制等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代污染控制化學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，但是在實(shí)際操作中 也存在反應(yīng)速率慢、量子利用率低等缺點(diǎn)，這使得光催化僅能處理低濃度的有機(jī)污染物，制 約了它在實(shí)際生活中的應(yīng)用。
[0003] 近幾年來(lái)，電催化處理技術(shù)處理高濃度工業(yè)廢水已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)，該技術(shù)具 有二次污染小、幾乎無(wú)化學(xué)試劑消耗等優(yōu)點(diǎn)，因而逐漸被應(yīng)用于污染物的處理過(guò)程中。但是 電催化處理技術(shù)處理有機(jī)物同樣有它的局限性：電催化處理技術(shù)在處理高濃度的有機(jī)污染 物時(shí)具有較高的電流效率，但是隨著污染物濃度的降低電化學(xué)效應(yīng)也隨之下降，反應(yīng)耗時(shí) 耗能并且很難降解低濃度的有機(jī)污染物。并且，在電催化處理技術(shù)處理有機(jī)物的過(guò)程中，由 于有機(jī)物降解的中間產(chǎn)物易堆積在電極表面，會(huì)造成電極的失活，影響反應(yīng)效率。
[0004] 為解決光催化水處理技術(shù)和電催化處理技術(shù)的弊端，這兩種技術(shù)的互補(bǔ)作用催生 了光電催化水處理技術(shù)，如中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所的只金芳發(fā)明的電化學(xué)降解與光催 化氧化技術(shù)聯(lián)用的廢水處理方法及裝置(專(zhuān)利號(hào)：200810103616. 6)，此發(fā)明公開(kāi)了一種以 金剛石薄膜電極為陽(yáng)極的電化學(xué)降解與光催化氧化技術(shù)聯(lián)用的廢水處理方法及裝置，廢水 首先進(jìn)入電解槽中進(jìn)行電催化氧化反應(yīng)，電解出水進(jìn)入光催化反應(yīng)器中進(jìn)行進(jìn)一步降解反 應(yīng)。通過(guò)兩種工藝的串聯(lián)反應(yīng)，提高了有機(jī)物降解能力。不過(guò)上述發(fā)明存在以下缺點(diǎn)：①電 催化反應(yīng)和光催化反應(yīng)不是在同一反應(yīng)槽中進(jìn)行的，這增加了裝置的體積和操作的繁瑣程 度。②電催化反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣雖然能部分通過(guò)溶解氧的形式被運(yùn)送到光催化反應(yīng)槽中并被 光催化所利用，但是在污水流動(dòng)過(guò)程中必然會(huì)造成自由氧損失、氧氣的逸出，降低了反應(yīng)效 率。③此種方法雖然能提高光催化反應(yīng)速率，但是并沒(méi)有相應(yīng)的提高電催化反應(yīng)速率，電解 槽中的電極仍然存在失活的危險(xiǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種基于多場(chǎng)耦合作用的高效廢水處理裝置，該裝置耦合了 光場(chǎng)、聲場(chǎng)、電場(chǎng)及熱場(chǎng)，四場(chǎng)協(xié)同作用的結(jié)果使得電催化作用及光催化作用相互促進(jìn)，解 決了【背景技術(shù)】中存在的問(wèn)題，同時(shí)提高了處理的效率及處理的程度。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于多場(chǎng)耦合作用的高效 廢水處理裝置，包括反應(yīng)筒、紫外光系統(tǒng)、電化學(xué)系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、超聲波系統(tǒng)，所述反應(yīng)筒 內(nèi)裝填質(zhì)量濃度為〇. lg/L?50g/L，粒徑為10nm?10 μ m的二氧化鈦光催化劑，所述紫外 光系統(tǒng)，是一個(gè)外部套有石英玻璃罩的紫外光燈管，紫外光燈管的頂端固定在反應(yīng)筒的上 方，水處理時(shí)浸沒(méi)在廢水中；所述電化學(xué)系統(tǒng)，是由置于反應(yīng)筒中的反應(yīng)電極及與反應(yīng)電極 連接的穩(wěn)壓電源組成；所述熱力系統(tǒng)，包括反應(yīng)筒加熱裝置，所述超聲波系統(tǒng)，是由置于反 應(yīng)筒下方的超聲波探頭和與之連接的徑向超聲發(fā)生器組成。
[0007] 優(yōu)選裝置內(nèi)設(shè)置攪拌器。
[0008] 上述熱力系統(tǒng)可以采用外部加熱裝置也可以采用內(nèi)部加熱裝置，如采用外部加熱 裝置，可以是纏繞在反應(yīng)筒表面的伴熱帶，如采用內(nèi)部加熱裝置，可以是置于裝置內(nèi)部的加 熱棒或加熱管。
[0009] 上述反應(yīng)筒上還設(shè)置排氣孔、進(jìn)料口以及取樣口。
[0010] 上述反應(yīng)電極既可以是鉬電極，也可以是石墨電極。
[0011] 上述二氧化鈦光催化劑為二氧化鈦纖維或二氧化鈦晶須。
[0012] 本發(fā)明的基于多場(chǎng)耦合作用的高效廢水處理裝置的原理說(shuō)明： 裝置在運(yùn)行過(guò)程中，光場(chǎng)、聲場(chǎng)、電場(chǎng)、熱場(chǎng)協(xié)同作用，相對(duì)于單一場(chǎng)對(duì)廢水中有機(jī)物進(jìn) 行催化氧化，四場(chǎng)耦合的優(yōu)越性主要表現(xiàn)為：電場(chǎng)的催化氧化作用產(chǎn)生的羥基自由基、氧 氣、原位氧可作為光催化反應(yīng)的重要活性因子被直接利用到光催化反應(yīng)中，同時(shí)，光催化反 應(yīng)所產(chǎn)生的光生載流子、電荷等中間產(chǎn)物可以被電催化所利用，加快了電催化反應(yīng)的效率。 并且，由于光催化反應(yīng)降解有機(jī)物較為徹底，此種光電耦合作用又可以避免有機(jī)物的中間 產(chǎn)物在電極表面形成鈍化膜，解決了電極易失活的問(wèn)題。聲場(chǎng)的介入，不僅可以對(duì)光催化劑 起到活化作用，而且能促進(jìn)分解水產(chǎn)生提高光催化反應(yīng)速率的羥基自由基。此時(shí)熱場(chǎng)的加 入，為整個(gè)反應(yīng)裝置提供了部分活化作用，使反應(yīng)進(jìn)行的更快更徹底。
[0013] 本發(fā)明裝置的具體運(yùn)行方式為： A. 裝填二氧化鈦光催化劑于反應(yīng)筒中，開(kāi)啟進(jìn)水泵，待廢水進(jìn)入反應(yīng)筒高度的三分之 二時(shí)，關(guān)閉進(jìn)水泵，開(kāi)啟超聲波系統(tǒng)，進(jìn)行避光超聲振蕩半小時(shí)； B. 開(kāi)啟熱力系統(tǒng)，溫度控制在50?70攝氏度； C. 開(kāi)啟電化學(xué)系統(tǒng)，電壓控制在2V?30V ; D. 開(kāi)啟紫外光系統(tǒng)，進(jìn)行光催化反應(yīng)； E. 取樣檢測(cè)合格后，開(kāi)啟出水泵，過(guò)濾排出處理后的廢水。
[0014] 本發(fā)明的有益效果： 本發(fā)明將光電催化反應(yīng)設(shè)計(jì)到同一反應(yīng)裝置中，并且同時(shí)加入超聲波場(chǎng)和熱場(chǎng)作用， 進(jìn)一步的提高了有機(jī)物的降解速率，較傳統(tǒng)的光電催化有突出的優(yōu)越性。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是對(duì)比例1的降解曲線圖。
[0016] 圖2是對(duì)比例2的降解曲線圖。
[0017] 圖3是實(shí)施例1的降解曲線圖。
[0018] 圖4是實(shí)施例3的色度曲線圖。
[0019] 圖5是實(shí)施例4的降解曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合具體的實(shí)施例及對(duì)比例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明： 對(duì)比例1 取100mL、濃度為20mg/L的甲基橙工業(yè)印染廢水，0. 025g粒徑為100nm左右的Ti02納 米纖維作為光催化劑，避光超聲振蕩半小時(shí)后(達(dá)到吸附平衡)，將溫度控制在70°C，開(kāi)啟紫 外燈（175W)進(jìn)行光催化，20分鐘后每十分鐘取一次樣測(cè)量甲基橙的降解率，繪制降解率隨 時(shí)間變化的曲線圖，結(jié)果由附圖1可知，反應(yīng)30分鐘降解率達(dá)到88%。
[0021] 對(duì)比例2 取100mL、濃度為20mg/L的甲基橙溶液工業(yè)印染廢水，0. 025g粒徑為100nm左右的Ti02 納米纖維作為光催化劑，避光超聲振蕩半小時(shí)后，取兩支鉬電極浸入反應(yīng)筒中作為反應(yīng)的 正負(fù)電極，利用穩(wěn)壓電源控制電壓在5V下進(jìn)行電催化，并同時(shí)開(kāi)啟紫外燈（175W)進(jìn)行光催 化，20分鐘后取樣測(cè)量甲基橙的降解率，繪制降解率隨時(shí)間變化的曲線圖，由附圖2可知， 反應(yīng)30分鐘降解率可達(dá)到95%。
[0022] 實(shí)施例1 取100mL、濃度為20mg/L的甲基橙溶液工業(yè)印染廢水，0. 025g粒徑為100nm左右的 1102納米纖維作為光催化劑，避光超聲振蕩半小時(shí)后，取兩支鉬電極浸入反應(yīng)筒中作為反 應(yīng)的正負(fù)電極，利用穩(wěn)壓電源將給入電壓控制在5V，利用加熱系統(tǒng)將溫度保持在70°C的條 件下，開(kāi)啟紫外光（175W)催化和120W超聲振蕩系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光、聲、電、熱四場(chǎng)耦合進(jìn)行光催 化，每五分鐘取一次樣測(cè)量甲基橙的降解率，繪制降解率隨時(shí)間變化的曲線圖，結(jié)果由附圖 3可知，在光、聲、電、熱四場(chǎng)耦合的條件下，20分鐘之內(nèi)即可將100ml濃度為20mg/L的甲基 橙溶解降解完畢，即降解率為1〇〇%。
[0023] 通過(guò)與對(duì)比例1及對(duì)比例2比較可知，在其他降解條件均相同的條件下，對(duì)比例1 沒(méi)有引入電場(chǎng)，則30分鐘后降解率僅為88%，對(duì)比例2沒(méi)有引入熱場(chǎng)，30分鐘后降解率為 95%，而本實(shí)施例在光、聲、電、熱四場(chǎng)耦合共同作用下，僅僅20分鐘，降解率為100%，可以看 出本發(fā)明裝置具有極大的優(yōu)越性，可大大提高有機(jī)物的降解速率及降解率。
[0024] 實(shí)施例2 采用與實(shí)施例1完全相同的條件，僅將二氧化鈦納米纖維光催化劑變更為二氧化鈦晶 須及德國(guó)產(chǎn)德固賽納米二氧化鈦納米粒子P25,裝置在四場(chǎng)耦合的作用下，降解率及降解速 率與實(shí)施例1的結(jié)果相同。
[0025] 實(shí)施例3 取油田開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的壓裂液作為降解目標(biāo)，經(jīng)測(cè)定，壓裂液的色度為20?，F(xiàn)取 0. 025g粒徑為100nm左右的納米二氧化鈦纖維作為催化劑，反應(yīng)溫度為70°C，電壓為5V，反 應(yīng)20分鐘后每20分鐘取一次樣。結(jié)果如附圖2所示，在降解條件較苛刻的條件下，油田廢 水的色度在60分鐘內(nèi)即可降低到1。因此，本發(fā)明裝置可適用于油氣田壓裂廢液處理。
[0026] 實(shí)施例4 取100mL、濃度為20mg/L的甲基橙工業(yè)印染廢水，0.025g粒徑為100nm左右的Ti02 納米纖維作為光催化劑，在避光120W超聲下振蕩半小時(shí)后（達(dá)到吸附平衡)，將溫度控制在 40°C下，開(kāi)啟紫外燈（175W)進(jìn)行光催化實(shí)驗(yàn)，20分鐘后每十分鐘取一次樣測(cè)量甲基橙的降 解率，以同樣方式測(cè)量溫度為50°C、6(TC、7(rC及80°C下的降解率，結(jié)果如附圖3所示，在 40°C、50°C、60°C、70°C的條件下，降解率隨著溫度的升高而升高，在80°C時(shí)，由于溫度過(guò)高 導(dǎo)致水中溶解氧的下降，降解速率略有降低，但仍然高于60°C溫度下的降解率。因此，考慮 到降解速率和能耗，將反應(yīng)裝置的溫度控制在50?70°C較為合適。
[0027] 實(shí)施例5 取兩組lOOmL含20mg/L的甲基橙溶液工業(yè)印染廢水，0. 025g粒徑為lOOnm左右的Ti02 納米纖維作為光催化劑，在避光超聲振蕩半小時(shí)后(達(dá)到吸附平衡)，取兩支鉬電極浸入反 應(yīng)筒中作為反應(yīng)的正負(fù)電極，利用穩(wěn)壓電源分別控制電壓分別在2V和30V，并將溫度控制 在70°C下，開(kāi)啟紫外燈（175W)進(jìn)行光催化實(shí)驗(yàn)，20分鐘后每五分鐘取一次樣測(cè)量甲基橙的 降解率。反應(yīng)30分鐘后，2V電壓下甲基橙的降解率可達(dá)到65%，30V電壓下甲基橙的降解率 可達(dá)到98%?？梢钥闯?，隨著電壓的升高，降解率明顯的升高，因此，根據(jù)污染物的濃度，適當(dāng) 的升高電壓可以使降解率明顯升高。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于多場(chǎng)耦合作用的高效廢水處理裝置，包括反應(yīng)筒、紫外光系統(tǒng)、電化學(xué)系 統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、超聲波系統(tǒng)，其特征在于：所述反應(yīng)筒內(nèi)裝填質(zhì)量濃度為0. lg/L?50g/L，粒 徑為10nm?10 μ m的二氧化鈦光催化劑，所述紫外光系統(tǒng)，是一個(gè)外部套有石英玻璃罩的 紫外光燈管，紫外光燈管的頂端固定在反應(yīng)筒的上方，水處理時(shí)浸沒(méi)在廢水中；所述電化學(xué) 系統(tǒng)，是由置于反應(yīng)筒中的反應(yīng)電極及與反應(yīng)電極連接的穩(wěn)壓電源組成；所述熱力系統(tǒng)，包 括反應(yīng)筒加熱裝置，所述超聲波系統(tǒng)，是由置于反應(yīng)筒下方的超聲波探頭和與之連接的徑 向超聲發(fā)生器組成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多場(chǎng)耦合作用的高效廢水處理裝置，其特征在于：所述 裝置內(nèi)設(shè)置攪拌器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多場(chǎng)耦合作用的高效廢水處理裝置，其特征在于：所述 熱力系統(tǒng)可以采用外部加熱裝置也可以采用內(nèi)部加熱裝置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于多場(chǎng)耦合作用的高效廢水處理裝置，其特征在于：所述 外部加熱裝置，包括纏繞在反應(yīng)筒表面的伴熱帶及封套，所述內(nèi)部加熱裝置，包括置于裝置 內(nèi)部的加熱棒或加熱管。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多場(chǎng)耦合作用的高效廢水處理裝置，其特征在于：所述 反應(yīng)筒上還設(shè)置排氣孔、進(jìn)料口以及取樣口。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多場(chǎng)耦合作用的高效廢水處理裝置，其特征在于：所述 反應(yīng)電極是鉬電極或石墨電極。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多場(chǎng)耦合作用的高效廢水處理裝置，其特征在于：所述 二氧化鈦光催化劑為二氧化鈦纖維或二氧化鈦晶須。
【文檔編號(hào)】C02F1/32GK104150577SQ201410338758
【公開(kāi)日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月16日
【發(fā)明者】汪懷遠(yuǎn), 王寶輝, 蔣鳳, 朱艷吉 申請(qǐng)人:東北石油大學(xué)