本公開(kāi)涉及光催化消毒器，具體地涉及使用磁性天然物質(zhì)作為光催化劑的可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)的光催化消毒器。

背景技術(shù)：

在生活和工業(yè)污水中存在大量的病原細(xì)菌。然而，這些廢水通常被排放至公共污水處理設(shè)施，這些設(shè)施通常設(shè)計(jì)為使用氯化方法將對(duì)公共健康造成危害的病原細(xì)菌滅活。然而，在氯化處理過(guò)程中產(chǎn)生大量的有毒的和致突變的消毒副產(chǎn)物。

本公開(kāi)采用日光或者其他無(wú)害可見(jiàn)光源降低所處理的水中病原細(xì)菌的潛在危害。因?yàn)楸竟_(kāi)的消毒器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，它可以被容易地結(jié)合至廢水排放系統(tǒng)中(簡(jiǎn)單地通過(guò)將水泵送至消毒器中)。本公開(kāi)可用于廢水處理中的消毒過(guò)程。

市場(chǎng)上現(xiàn)有的光催化消毒器通常采用人工合成的化學(xué)品作為光催化劑。這些合成方法復(fù)雜并且產(chǎn)品的產(chǎn)量小，這使得這種處理變得非常昂貴。此外，使用過(guò)的光催化劑的分離和回收是困難的，因?yàn)檫@些光催化劑的尺寸很小，甚至是納米尺寸的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開(kāi)提供一種光催化消毒器，所述消毒器包括容器、光源或光透射結(jié)構(gòu)、攪拌裝置、閃鋅礦顆粒和磁場(chǎng)發(fā)生裝置，其中所述閃鋅礦顆粒是所述光催化消毒器中的光催化劑并且所述閃鋅礦顆粒具有磁性，所述磁場(chǎng)發(fā)生裝置用于產(chǎn)生磁場(chǎng)以將所述閃鋅礦顆粒保持在所述光催化消毒器中。

本公開(kāi)還提供閃鋅礦作為用于光催化消毒器的光催化劑的用途。

本公開(kāi)還提供一種消毒被污染的水的方法，所述方法包括，在作為光催化劑的閃鋅礦的存在下通過(guò)熒光燈管或日光對(duì)所述被污染的水進(jìn)行照射。

本公開(kāi)還提供一種消毒被污染的水的方法，所述方法包括使用本公開(kāi)的光催化消毒器對(duì)于水，尤其是被污染的水進(jìn)行消毒。

本公開(kāi)還提供一種消毒方法，所述方法包括使用本公開(kāi)的光催化消毒器對(duì)于其他液體進(jìn)行消毒。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，消毒被污染的水的方法是使用本公開(kāi)的光催化消毒器對(duì)被污染的水進(jìn)行消毒的方法。

本公開(kāi)還提供本公開(kāi)的光催化消毒器用于消毒水體的用途。

本公開(kāi)可以采用天然存在的礦物閃鋅礦作為光催化劑，這種催化劑可以大量獲得(產(chǎn)率以噸計(jì))。此外，閃鋅礦具有磁性，并且可以通過(guò)消毒器中的外磁場(chǎng)容易地再循環(huán)。因此，本公開(kāi)產(chǎn)品的成本效益顯著高于市場(chǎng)上現(xiàn)有的產(chǎn)品。

附圖說(shuō)明

圖1是本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施方案的消毒器的示意圖，其中(a)是消毒器的三維視圖；(b)是消毒器的側(cè)視圖并且(c)是消毒器的仰視圖；在圖1中，101表示擋板，102表示熒光燈管，103表示外殼(或透明外殼)，104表示線圈，105表示攪拌器，106表示入口，107表示出口。

圖2顯示不同NMS濃度的光催化殺菌性能。

圖3顯示不同光源的光催化殺菌性能結(jié)果。

圖4顯示藍(lán)色LED光照下NMS光催化劑的可重復(fù)使用性。

圖5是在日光照射下再循環(huán)的天然磁性閃鋅礦(NMS)(1g/L)對(duì)大腸桿菌K-12(E.coli K-12)(10⁵cfu/mL，100L)的光催化消毒效率。

具體實(shí)施方案

參照?qǐng)D1，在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，光催化消毒器包括100升的攪拌反應(yīng)器(STR)作為容器的圓柱狀設(shè)備。采樣點(diǎn)、入口106和出口107分別位于容器的頂部和底部。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，光源為插入所述容器中的熒光燈管102或LED燈，優(yōu)選藍(lán)色LED燈，或所述光透射結(jié)構(gòu)是所述容器的透明外殼103。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，光源為插入所述容器中的3-12根熒光燈管102，優(yōu)選3-9根熒光燈管102，再優(yōu)選6根熒光燈管102。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，磁場(chǎng)發(fā)生裝置是電磁鐵。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，磁場(chǎng)發(fā)生裝置是環(huán)繞所述容器的一部分的線圈104。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，所述容器被線圈104環(huán)繞的部分占整個(gè)容器的體積的十分之一至三分之一，優(yōu)選八分之一至四分之一，再優(yōu)選五分之一。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，所述容器被線圈104環(huán)繞的部分在所述容器的最下部。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，閃鋅礦顆粒是天然磁性閃鋅礦(NMS)。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，閃鋅礦顆粒的質(zhì)量與所述容器的體積之比為0.1g/L至10g/L，優(yōu)選0.2g/L至8g/L，再優(yōu)選0.5g/L至5g/L，再優(yōu)選0.8g/L至2g/L，最優(yōu)選1.5g/L。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，光催化消毒器還包括入口106和出口107。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，光催化消毒器的入口106在所述消毒器的頂部。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，光催化消毒器的出口107在所述消毒器的底部。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，光催化消毒器還包括垂直于容器側(cè)壁向 內(nèi)延伸的擋板101。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，光催化消毒器的擋板101的長(zhǎng)度為所述容器半徑的三十分之一至五分之一，優(yōu)選二十分之一至八分之一，再優(yōu)選十分之一。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，光催化消毒器是實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的、中試規(guī)模的或工業(yè)化規(guī)模的。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，光催化消毒器是使用天然磁性物質(zhì)作為光催化劑的可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)的(VLD)光催化消毒器。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，選擇從中國(guó)不同地區(qū)收集的天然磁性閃鋅礦(NMS)作為光催化劑。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，光催化劑可以以相對(duì)較低成本大量獲得。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，光催化劑可以通過(guò)外磁場(chǎng)簡(jiǎn)單地分離并再循環(huán)。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，光催化消毒器是間歇式的。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，光催化消毒器是連續(xù)式的。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，光催化消毒器還包括所需的泵和管線系統(tǒng)。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，光催化消毒器的光源由日光提供。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，光催化消毒器的光源由位于容器中間的熒光燈管102提供。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，光催化消毒器中的攪拌由一對(duì)出口107和入口106之間的泵提供。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，在排出消毒后的水的過(guò)程中，通過(guò)磁場(chǎng)發(fā)生裝置將所述閃鋅礦保持在用于進(jìn)行所述消毒的消毒器中。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，在注入合適提及的被細(xì)菌污染的水樣之后(例如100升)，打開(kāi)熒光燈管102和攪拌器105以分別提供可見(jiàn)光和攪拌。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，光催化消毒器中的停留時(shí)間為10分鐘至10小時(shí)，優(yōu)選30分鐘至5小時(shí)，再優(yōu)選1小時(shí)至3小時(shí)，最優(yōu)選2 小時(shí)。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，通過(guò)打開(kāi)環(huán)繞容器的線圈104提供磁場(chǎng)以保持磁性NMS。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，將處理過(guò)的水從一個(gè)或多個(gè)底部出口107排出。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，在關(guān)閉磁場(chǎng)之后，可以通過(guò)加入新的水樣重復(fù)使用被磁場(chǎng)保持在容器中的NMS。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，可以在日光照射下使用本公開(kāi)的光催化消毒器處理從生活和工業(yè)部門收集的水樣。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，使用光催化劑將細(xì)菌細(xì)胞滅活。光催化劑(例如，NMS)放置在容器中。之后，將水并入容器中。通過(guò)打開(kāi)光源開(kāi)始消毒。光照射可提供能量使得NMS產(chǎn)生不同的活性氧物種(ROS)，這些ROS能夠使得有機(jī)化合物降解并將細(xì)胞滅活。在消毒過(guò)程之后，將光源關(guān)閉并且打開(kāi)外磁場(chǎng)(或者是圍繞容器的電磁裝置，或者是放置在容器底部的電磁平臺(tái))，以截留NMS。之后，將處理過(guò)的水從容器排出并且可以再一次重復(fù)消毒過(guò)程。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，依賴于光照時(shí)間，所消毒的細(xì)菌細(xì)胞濃度為低于10⁸cfu/mL，優(yōu)選低于10⁷cfu/mL，再優(yōu)選低于10⁶cfu/mL，優(yōu)選低于10⁵cfu/mL，最優(yōu)10²cfu/mL至10⁵cfu/mL。

實(shí)施例1

在不同條件下研究NMS光催化劑的光催化消毒性能。

選擇細(xì)菌濃度為10⁶cfu/mL，將該濃度的細(xì)菌液加入本公開(kāi)的光催化反應(yīng)器中，開(kāi)啟磁力攪拌，然后打開(kāi)光源，每隔1小時(shí)取出細(xì)菌液檢測(cè)細(xì)菌濃度變化，NMS光催化劑的濃度設(shè)置為0.5g/L，1.0g/L，1.5g/L和2.0g/L。不同NMS濃度的光催化殺菌性能結(jié)果在圖2中給出。

由圖2可見(jiàn)，隨著NMS濃度由0.5g/L增加到1.5g/L，光催化殺菌效率逐步提高，濃度達(dá)到1.5g/L時(shí)，殺菌效率最高，隨著NMS濃度繼續(xù)增加到2.0g/L，光催化殺菌效率開(kāi)始降低，主要是由于光照被過(guò)多催化劑阻擋造成。根據(jù)以上的研究結(jié)果，NMS的最優(yōu)濃度為1.5g/L。

實(shí)施例2

測(cè)定使用白色和藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)燈的消毒能力，以及消毒器中的NMS光催化劑的可重復(fù)使用性(消毒5個(gè)重復(fù)循環(huán))。

1.使用白色和藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)燈的消毒能力

選擇細(xì)菌濃度為10⁵cfu/mL，NMS催化劑濃度為1.5g/L，將該濃度的細(xì)菌液加入本公開(kāi)的光催化反應(yīng)器中，開(kāi)啟磁力攪拌，然后打開(kāi)光源，每隔1小時(shí)取出細(xì)菌液檢測(cè)細(xì)菌濃度變化，光源選擇為白色和藍(lán)色LED燈。不同光源的光催化殺菌性能結(jié)果在圖3中給出。

由圖3可見(jiàn)，使用藍(lán)色LED作為光源時(shí)，可在6小時(shí)以內(nèi)殺滅細(xì)菌，而使用白色LED為光源時(shí)，6小時(shí)僅能殺死1.5log的細(xì)菌。這是因?yàn)樗{(lán)色LED具有更高的光子能量，可以更好的激活NMS光催化劑。根據(jù)以上的研究結(jié)果，使用藍(lán)色LED比白色LED的殺菌效果要好。

2.NMS光催化劑的可重復(fù)使用性

選擇細(xì)菌濃度為10⁵cfu/mL，NMS催化劑濃度為1.5g/L，將該濃度的細(xì)菌液加入本公開(kāi)的光催化反應(yīng)器中，開(kāi)啟磁力攪拌，然后打開(kāi)光源(藍(lán)色LED燈)，每隔一定時(shí)間取出細(xì)菌液檢測(cè)細(xì)菌濃度變化。消毒完成后，關(guān)閉光源，打開(kāi)電磁裝置截留NMS催化劑。之后，將處理過(guò)的水從容器排出，然后再加入同樣濃度的細(xì)菌溶液，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)過(guò)程，總共進(jìn)行5次循環(huán)實(shí)驗(yàn)。藍(lán)色LED光照下NMS光催化劑的可重復(fù)使用性結(jié)果在圖4中給出。

由圖4可見(jiàn)，NMS在藍(lán)色LED光照下可見(jiàn)性5次重復(fù)性循環(huán)實(shí)驗(yàn)而不失活，在第5次實(shí)驗(yàn)時(shí)的少量失活是由表面吸附的有機(jī)物引起的。以上結(jié)果證實(shí)了NMS具有高穩(wěn)定性和可重復(fù)使用性。

實(shí)施例3

為測(cè)試具有NMS的消毒器的可操作性，在中試規(guī)模的反應(yīng)器中測(cè)試其VLD光催化消毒能力和磁性。

本實(shí)施例研究中試規(guī)模的消毒器的消毒效率。

具體地，選擇細(xì)菌濃度為10⁵cfu/mL，NMS催化劑濃度為1.5g/L，將該濃度的細(xì)菌液加入本公開(kāi)的光催化反應(yīng)器中，容量為100L，將反應(yīng)器置于自然太陽(yáng)光照下，開(kāi)啟磁力攪拌，每隔一定時(shí)間取出細(xì)菌液檢測(cè)細(xì)菌濃度變化。消毒完成后，打開(kāi)電磁裝置截留NMS催化劑。之后，將處理過(guò)的水從容器排出，然后再加入同樣濃度的細(xì)菌溶液，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)過(guò)程，總共進(jìn)行5次循環(huán)實(shí)驗(yàn)。

結(jié)果顯示，在2小時(shí)日光照射之后可以獲得大腸桿菌(E.coli)(初始濃度為10⁵cfu/mL)超過(guò)三個(gè)對(duì)數(shù)值(3-log)的減少。在重復(fù)五次消毒循環(huán)之后，消毒效率保持相同，顯示了高光穩(wěn)定性和消毒器中的光催化劑的可再循環(huán)性(參見(jiàn)圖5)。

圖5中在重復(fù)處理過(guò)程中消毒效率的波動(dòng)歸因于每天日光能量的波動(dòng)。