本發(fā)明涉及的是一種污水處理裝置。
背景技術：
隨著工業(yè)技術的發(fā)展，重金屬污染已成為水環(huán)境面臨的重要污染問題。重金屬污染主要來自冶煉、電解、農(nóng)藥、醫(yī)藥、油漆、染料等工業(yè)廢水。被重金屬污染的水體可造成人體及動物細胞內(nèi)蛋白質及酶變形失活。重金屬在人體器官中的累計，能對人體造成嚴重損害甚至危及生命安全。目前，重金屬離子的主要去除手段有吸附法、絮凝沉淀法、膜分離技術、生物方法等，這些方法均對重金屬離子的去除有一定的效果，但吸附法將重金屬污染物富集于吸附材料表面，絮凝沉淀法將重金屬污染物富集于污泥中，膜分離技術得到濃度較高的重金屬污染物廢水，生物方法將重金屬污染物富集在生物體內(nèi)。這些方法都無法真正達到去除重金屬污染物的目的。
目前工業(yè)廢水和生活污水的種類和排放量的增加，污水中成分更加復雜，水中不僅存在重金屬污染，還存在著一些難降解的有機污染物。這些難降解的有機污染物是常規(guī)處理工藝無法去除的，而這些有機物具有致癌、致畸、致突變等作用，對環(huán)境和人類有巨大的威脅。目前，對于難降解有機污染物的主要去除手段是高級氧化的方法，高級氧化又分為化學氧化，電化學氧化，光催化氧化等，化學氧化與后兩者相比需要投加氧化劑，效果雖好但需要不斷投加藥劑，增加了投資，影響了在實際工程中的應用。因此處理水中的重金屬污染和難降解有機污染成為當前的兩大難題。
光催化技術是一種環(huán)境友好型水處理技術，是在半導體光催化劑的作用下，利用光能將有機污染物分解為無毒的小分子物質(如CO2，H2O等)，將有毒重金屬污染物氧化或還原為無毒或毒性較小的物質。光催化技術的基本原理是：當半導體受到大于其禁帶寬度能量的光子輻照時，價帶中的電子(e-)就會受激發(fā)而從價帶躍遷到導帶，同時在價帶產(chǎn)生相應的空穴(h+)，部分光生載流子(光致空穴和電子)在粒子內(nèi)部重新復合，剩余部分則可以擴散至半導體表面。在半導體表面，空穴可與吸附在半導體表面的物質(電子供體)發(fā)生氧化反應，電子則易被吸附在半導體表面的氧及其他物質(電子受體)所捕獲發(fā)生還原反應。光催化劑在反應器中的存在形式主要可以分為兩類：懸浮型和負載型。懸浮性是指半導體主要以粉末狀存在，懸浮在水中。粉末狀的半導體顆粒細微，與污染物接觸面積大，因此活性高，反應速率較大，但是粉末態(tài)在水溶液中易于失活和凝聚、不易沉降，難以回收，使得活性損失成分較大，在流動體系中使用受到很大限制。負載型是指將半導體固定在載體上。操作簡單,水可循環(huán)處理,催化劑連續(xù)使用，可實現(xiàn)催化與分離一體化；部分載體可與半導體發(fā)生相互作用，有利于電子/空穴對的分離并增加反應物的吸附；有時負載型半導體也提高了光源利用率。但負載型半導體也存在著與污染物接觸面積受到現(xiàn)在，反應速率較低的問題。
電催化技術是利用外加電場的作用，在特定的電化學反應器內(nèi)，通過一系列的化學反應、電化學過程或物理過程，達到預期的去除水中污染物或回收有用物資的目的。整個反應過程可以分為直接電化學過程和間接電化學過程。直接電化學過程是指在電極處發(fā)生的直接氧化或還原的過程。間接電化學過程是指利用電極產(chǎn)生的強氧化活性物質，如羥基自由基等，使污染物發(fā)生氧化還原反應的過程。電催化技術處理水中污染物存在著兩個難點：廢水在反應器中的停留時間，這是由電化學反應的反應速率決定的；電極的壽命問題，即電極的穩(wěn)定性如何提高。對于這兩個問題，要從研制高效的電極材料和有效的反應器入手。目前，開發(fā)出的各種新型電極材料增強了二維電極的處理效果，但由于二維電極有效面積小，傳質問題等還不能得到根本解決，存在電流效率低，能耗高等問題。三維電極就可以一定程度的解決上述問題。三維電極是一種新型的電化學反應器，它是在傳統(tǒng)二維電解槽電極間裝填粒狀或其他碎屑狀工作電極材料，并是裝填工作電極材料表面帶電，成為第三極，在工作電極材料表面能發(fā)生電化學反應。
三維電極光電催化體系中，光催化和電催化技術聯(lián)合使用，可以達到一定的協(xié)同作用。在電催化過程中不可避免會存在電解水的副反應，生成氫氣和氧氣，而在光催化過程中氧氣作為一種良好的電子載體，可以很好的捕獲光生電子-空穴，降低了其復合速度，對光催化過程有促進作用，并且生成過氧化氫，避免了羥基自由基存在時間過短的問題。
三維電極光電反應體系中加入超聲波能夠起到強化作用。在單獨使用三維電極光電反應體系時，重金屬離子的還原反應會形成重金屬單質沉積在粒子電極表面，造成光電反應效率的降低。加入超聲波后，超聲波本身的空化效應可以分解水產(chǎn)生羥基自由基降解有機物，而且空化效應產(chǎn)生的微射流能夠起到清洗電極的作用，加速固液傳質。因此，超聲波能夠對于光電協(xié)同催化過程具有一定的強化作用，進一步提高該技術的處理效果。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供高效去除水中污染物的一種超聲波強化光電催化處理含重金屬及難降解有機污染物廢水的裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
本發(fā)明一種超聲波強化光電催化處理含重金屬及難降解有機污染物廢水的裝置，其特征是：包括電解槽、超聲發(fā)生裝置、直流電源、曝氣裝置，電解槽里豎直安裝有石英管、陽極電極板和陰極電極板，電解槽里橫向設置有布孔氣板，石英管的底部與電解槽的底板相連，石英管的頂部穿過布孔氣板并伸出電解槽，陽極電極板和陰極電極板位于布孔氣板上方并連接直流電源，石英管里安裝紫外燈或日光燈，紫光燈和日光燈伸出石英管并與外界電源相連，布孔氣板上方填充粒子電極，曝氣裝置的出口連通電解槽并位于布孔氣板的下方，超聲發(fā)生裝置設置在電解槽外部，超聲發(fā)生裝置的探頭伸入至粒子電極中。
本發(fā)明還可以包括：
1、直流電源電壓為5～20V，電流密度10～30mA/m2。
2、陽極電極板和陰極電極板采用鈦基涂層電極板，鈦基是鈦板、鈦網(wǎng)或泡沫鈦中的一種，涂層采用MnO2、PbO2、Pt、SnO2、RuO2中的一種；陰極電極板與相鄰陽極電極板之間的距離為50～100mm。
3、粒子電極采用表面負載具有光催化活性納米半導體材料的顆?；钚蕴炕蛱技{米管，納米半體材料為TiO2、ZnO、SnO2、Cu2O、ZnS、CdS中的一種或兩種，粒子電極的顆粒粒徑為3～4mm，粒子電極的填充體積為反應器的1/3～1/2。
本發(fā)明的優(yōu)勢在于：本發(fā)明利用超聲波強化三維電極光電催化反應體系，將電催化反應、光催化反應和超聲波作用結合在一起。電催化和光催化存在協(xié)同作用，在電催化過程中不可避免會存在電解水的副反應，生成氫氣和氧氣，而在光催化過程中氧氣作為一種良好的電子載體，可以很好的捕獲光生電子-空穴，降低了其復合速度，對光催化過程有促進作用，并且生成過氧化氫，避免了羥基自由基存在時間過短的問題。而超聲空化作用產(chǎn)生的微射流能夠清洗電極表面，避免了被還原出的金屬單質在粒子電極表面的沉積，延長了粒子電極的使用壽命；超聲的空化作用會分解水生產(chǎn)羥基自由基，增強了反應體系的處理效果。本發(fā)明具有不需投加氧化劑或還原劑即可得到較好的氧化還原效果，可以同時去除水中的重金屬離子和難降解有機污染物。而且本專利可以根據(jù)要去除的污染物的性質不同采用不同的運行參數(shù)進行控制，以達到更好的處理效果。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述：
結合圖1，本發(fā)明主要由電解槽1、石英管2、紫外燈3、直流電源4、陽極電極板5、陰極電極板6、粒子電極7、布氣孔板8、曝氣裝置10、超聲發(fā)生裝置9、位于電解槽下方的進水口和位于電解槽上方的出水口組成。
該石英管2底部與電解槽1的底板相連，向上依次穿過布氣孔板8和粒子電極7，石英管2的頂部伸出電解槽1。該紫外燈3置于石英管2中，紫外燈3與石英管2設置多組，兩者一一對應。紫外燈3上部伸出石英管2，通過導線并聯(lián)后連接到外界電源上，實現(xiàn)外界電源對各紫外燈3的供電。紫外燈3選用300W～500W的鎵燈。
污水經(jīng)初步處理后，進入反應器。初步處理旨在去除污水中的懸浮性雜質，以免沉積粒子電極上影響電催化和光催化效果。污水中的污染物在電催化和光催化的協(xié)同作用下達到徹底去除或毒性降低的效果?？梢栽谖鬯刑砑舆m量NaCl、Na2SO4、NaClO中的一種作為電解質，電解質濃度為0.01～0.1mol/L。本反應器中直流電源4向陽極電極板5和陰極電極板6提供電壓，電壓為5～20V，電流密度10～30mA/m2。陽極電極板5和陰極電極板6采用鈦基涂層電極板，鈦基可以是鈦板、鈦網(wǎng)或泡沫鈦中的一種，涂層采用MnO2、PbO2、Pt、SnO2、RuO2中的一種。陰極電極板與相鄰陽極電極板之間的距離為50～100mm。陽極電極板5和陰極電極板6設置若干組，且在兩電極板間均布置有石英管2和紫外燈3，并用粒子電極7填充。粒子電極7采用表面負載具有光催化活性納米半導體材料的顆?；钚蕴炕蛱技{米管，納米半體材料為TiO2、ZnO、SnO2、Cu2O、ZnS、CdS中的一種，也可以是兩種納米半導體組成的復合半導體材料。粒子電極7的顆粒粒徑采用3～4mm。粒子電極的填充體積為反應器的1/3～1/2。本裝置采用曝氣的方式以提高水中溶解氧的含量并有利于粒子電極的分散，曝氣采用壓縮空氣曝氣，曝氣量采用0～10L/min。如污水中的污染物含量較低，本裝置無法充分發(fā)揮作用，可采用純氧曝氣或臭氧曝氣的方式加強反應效果。本裝置采用探頭式超聲發(fā)生裝置，超聲頻率為20～1000kHz，功率為20～1000W。紫外燈采用300W～500W的鎵燈。
本發(fā)明還可以將紫外燈3改為日光燈，日光燈采用300W～500W。同時粒子電極7采用顆?；钚蕴炕蛱技{米管上負載改性后的TiO2半導體材料。改性方法有摻雜稀土金屬元素(La，Ce，Er，Pr，Gd，Nd，Sm)，摻雜非金屬元素(C，N，S，P，F(xiàn))，摻雜貴金屬(Pt、Ag、Pd、Au、Ru、Nb)等。裝置其他部分與參數(shù)不改變。將紫外燈改為可見光燈降低了運行費用。
本發(fā)明所述的三維電極包括鈦基涂層電極板和粒子電極。鈦基涂層電極板中鈦基可以是鈦板、鈦網(wǎng)或泡沫鈦中的一種，涂層采用MnO2、PbO2、Pt、SnO2、RuO2中的一種。鈦基涂層電極相比于傳統(tǒng)石墨電極、鉑電極等具有催化性能優(yōu)良，導電性能良好等優(yōu)點。電極板設置若干組，且在兩電極板間均布置有石英管和紫外燈，并用粒子電極填充。粒子電極采用顆粒活性炭或碳納米管上負載具有光催化性能的納米半導體材料，TiO2、ZnO、SnO2、Cu2O、ZnS、CdS中的一種或兩種。納米半導體材料作為粒子電極中的理論陽極，顆粒活性炭或碳納米管作為粒子電極的理論陰極，在粒子表面發(fā)生電催化反應，有效增大了電催化反應的反應效率。粒子電極的顆粒粒徑控制在3～4mm，填充體積為反應器的1/3～1/2。
本發(fā)明所述的石英管和紫外燈兩者一一對應，設置若干組。石英管底部閉合且與電解槽相連，穿過布氣孔板，上端伸出電解槽且頂部開口，便于紫外燈的放置與檢修。各紫外燈于上方由導線并聯(lián)后統(tǒng)一接到外界電源上。紫外燈采用300W～500W的鎵燈。
光源可以使紫外光源或者可見光源。如將紫外光照射改為可見光照射，鈦基涂層電極板不變，粒子電極材料有所改變，采用顆?；钚蕴炕蛱技{米管上負載改性后的TiO2半導體材料。改性方法有摻雜稀土金屬元素(La，Ce，Er，Pr，Gd，Nd，Sm)，摻雜非金屬元素(C，N，S，P，F(xiàn))，摻雜貴金屬(Pt、Ag、Pd、Au、Ru、Nb)等。摻雜的改性方法可在納米半導體材料晶格表面形成缺陷，成為光生電子-空穴對的淺勢捕獲阱，減小光生電子-空穴的復合幾率，延長光生電子-空穴的存在時間，達到加強催化性能的作用，并且改性后，可以將半導體材料吸收光譜的范圍由紫外光范圍擴展至可見光范圍。將紫外燈改為日光燈，日光燈采用300W～500W。
本發(fā)明所述的直流電源向陽極電極板和陰極電極板提供電壓，電壓為5～20V，電流密度10～30mA/m2。
本發(fā)明所述的布氣孔板和曝氣裝置，采用微曝氣，曝氣量為0～10L/min，采用壓縮空氣進行曝氣，也可采用純氧曝氣或臭氧曝氣。
本發(fā)明所述的超聲發(fā)生裝置采用探頭式。超聲頻率為20～1000kHz，功率為20～1000W。
本發(fā)明中，可以在污水中添加適量NaCl、Na2SO4、NaClO中的一種作為電解質，電解質的加入可以增大溶液電導率以提高電催化的效率。電解質濃度為0.01～0.1mol/L。
本發(fā)明的一種超聲波強化光電催化處理含重金屬及難降解有機污染物廢水的方法為：
污水進入反應器，與粒子電極接觸，粒子電極在電場作用下帶電，理論陽極(半導體材料)發(fā)生直接氧化過程，氧化水中的有機物和部分金屬離子，理論陰極(活性炭)發(fā)生直接還原過程，還原水中的部分金屬離子到較低價態(tài)或直接氧化到金屬單質；與此同時，還會發(fā)生光催化過程，由于紫外光的照射激發(fā)半導體，使之產(chǎn)生光生電子-空穴對，光生電子-空穴可以直接氧化有機物或還原金屬離子，更多的是光生電子-空穴與水發(fā)生反應產(chǎn)生羥基自由基，氧化有機物；同時，超聲波的空化作用可以分解水為·H和·OH，羥基自由基可以直接降解有機物，并且超聲空化作用產(chǎn)生的微射流能夠清洗電極表面，避免了被還原出的金屬單質在粒子電極表面的沉積，有效延長粒子電極的壽命。采用曝氣的方法使反應器中的水產(chǎn)生擾動，避免氣體在粒子電極表面的聚集，且曝氣可以增加水中的溶解氧的含量，溶解氧是一種比水更好的電子受體，可以更好的捕獲光生電子-空穴，生成羥基自由基，強化了光催化氧化的效果。