專利名稱：水質(zhì)凈化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種水質(zhì)凈化裝置，具體地說就是一種含光催化、光化學(xué)和光電化學(xué)者聯(lián)合作用的水質(zhì)凈化裝置。
隨著城市化與工業(yè)化的迅猛發(fā)展，不可避免地引起水源的污染。水源的有機(jī)物污染，特別是常規(guī)處理方法難以去除的三致(致癌、致畸、致突變)優(yōu)先控制污染物嚴(yán)重影響人民的健康。世界衛(wèi)生組織1992年發(fā)表的各項(xiàng)研究報(bào)告指出人類80％以上的疾病和50％以上的癌癥與水的污染有關(guān)。
由于水質(zhì)污染物的多樣性和飲用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高，下述兩種目前常用的水質(zhì)凈化技術(shù)已不能適應(yīng)“現(xiàn)代水質(zhì)”的凈化要求①以活性碳或其它多孔材料為主的介質(zhì)過濾法。它對(duì)于小分子有機(jī)物無法除去，且易滋長(zhǎng)細(xì)菌。②膜法超濾或反滲透法，它存在膜孔易堵塞、易受余氯污染，其本身是有機(jī)物，極易被細(xì)菌作營養(yǎng)物消耗而老化，運(yùn)行費(fèi)用高，難以被工業(yè)化應(yīng)用。以上兩種方法對(duì)環(huán)境的二次污染均存在一定的問題。因此，研究開發(fā)新型的凈水技術(shù)是當(dāng)今科技的熱點(diǎn)。
近些年來，科技工作者們對(duì)半導(dǎo)體光催化原理在凈化水質(zhì)中的應(yīng)用頗有興趣，開展了許多研究工作。其原理是當(dāng)半導(dǎo)體近表面區(qū)受到大于其帶隙能量的光幅射時(shí)(即hv＞Eg)，價(jià)帶的電子就會(huì)被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。光生電子與氧或其它氧化劑發(fā)生還原反應(yīng)，而空穴則與被吸附在半導(dǎo)體表面的有機(jī)污染物發(fā)生氧化反應(yīng)，使之降低。諸多半導(dǎo)體材料中，TiO2是一種價(jià)帶能級(jí)很深(Ev＝2.23ev)，光生空穴具有很強(qiáng)氧化能力的半導(dǎo)體，它能使許多難于被其它方法降解的有機(jī)污染物(例如殺蟲劑、鹵代烴、表面活性劑、染料、多氯聯(lián)苯、萘與酚的各種衍生物等等)礦物化，即最終被氧化為CO2、H2O等簡(jiǎn)單的無機(jī)物，不會(huì)對(duì)環(huán)境帶來二次污染，而TiO2本身則是一種性質(zhì)穩(wěn)定，長(zhǎng)久耐用無毒的材料。
TiO2半導(dǎo)體以微粒存在的懸浮體系是一種研究得較多的光催化體系。由于它存在易凝聚和難回收等缺點(diǎn)，給實(shí)際應(yīng)用帶來一定的困難。為了使半導(dǎo)體光催化反應(yīng)體系具有更好的實(shí)用性，已有人以玻璃或?qū)щ姴Ａ檩d體，用凝膠法或粉末浮敷法在其上面擔(dān)載多孔半導(dǎo)體薄膜，稱之為負(fù)載型TiO2光催化體系。但從他人報(bào)道的研究結(jié)果來看，不論是懸浮體還是負(fù)載型，它們存在的重要問題是對(duì)有機(jī)污染物的降低速度比較小，與實(shí)際應(yīng)用的要求存在一定的差距，有待于改善。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種含光催化、光化學(xué)和電化學(xué)三者聯(lián)合作用的新型水質(zhì)凈化裝置。采用本裝置應(yīng)能提高有機(jī)污染物的分解速度和重金屬的分離速度提高(相同光照條件下同單一的光催化體系比較)，將各種有機(jī)污染物最終降解為CO2、H2O等簡(jiǎn)單的無機(jī)物質(zhì)。本裝置應(yīng)操作簡(jiǎn)便，運(yùn)行成本低，可用于工業(yè)廢水、生活廢水處理及城市自來水終端(用戶水龍頭)的水質(zhì)深度凈化，應(yīng)能達(dá)到排放要求或飲用水的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種含光催化、光化學(xué)和電化學(xué)三者聯(lián)合作用的新型水質(zhì)凈化裝置，其基本結(jié)構(gòu)如附圖1和2所示。它是由濾槽、電化學(xué)凈化槽光解凈化槽三大部分組分。待處理水由濾槽上端的進(jìn)水口進(jìn)入，經(jīng)微孔瓷砂填料過濾后，由槽下部進(jìn)入電化學(xué)凈化槽中，經(jīng)電解處理后由電化學(xué)槽的上部進(jìn)入到光解凈化槽的下部，經(jīng)光解凈化槽處理后由其上部的凈水出口放出。
電化學(xué)凈化槽中安裝有一組或多組電解電極，正極材料為鈦合金或高純石墨，負(fù)極材料為碳纖維布。光解凈化槽分為上下連通的兩部分，上槽的內(nèi)壁為TiO2膜電極，槽中有一個(gè)或多個(gè)紫外光源，下槽的相對(duì)兩個(gè)側(cè)壁為空氣電極，在兩空氣電極中間安有不溶性陽極。
各部分的作用是1.濾槽用微孔瓷砂分離水中的懸浮物。
2.電化學(xué)凈化槽用鈦合金(或高純石墨)材料作陽極，用碳纖維布作陰極。重金屬離子在陰極表面被還原析出。經(jīng)電化學(xué)凈化之后的水質(zhì)不含超標(biāo)的重金屬雜質(zhì)。
3.光解凈化槽對(duì)水質(zhì)中的有機(jī)污染物進(jìn)行礦物化降解。在光解槽中存在光催化與光化學(xué)兩種降解作用。光解凈化槽中各部件的作用如下；①光源——低壓汞燈(波長(zhǎng)254nm)為光催化和光化學(xué)反應(yīng)及殺菌滅毒提供高能量光子。
②TiO2膜電極為有機(jī)分子發(fā)生光催化降解提供反應(yīng)場(chǎng)所。
③空氣(氧)電極利用空氣中的氧作反應(yīng)物，通過電催化作用產(chǎn)生H2O2()、H2O2經(jīng)紫外光幅射形成OH·基(H2O2+hv＝2OH·)。OH·的氧化活性很強(qiáng)，能使有機(jī)分子發(fā)生光化學(xué)氧化反應(yīng)。
④不溶性陽極是空氣(氧)電極的主要對(duì)電極，在其表面發(fā)生電解水的反應(yīng)()，為有機(jī)物光解過程中的相關(guān)反應(yīng)(例如自由基的氧化加成反應(yīng))提高所需要的氧氣。
本實(shí)用新型的TiO2膜電極有兩種一種是以金屬鈦、玻璃(導(dǎo)體玻璃)、碳纖維為基體的負(fù)載型TiO2膜電極。它是用一定量的TiO2粉末分散在鈦酸丁酯溶膠中，經(jīng)過提拉成膜、熱解定型制成的。另一種是以空氣(氧)電極的催化層為基體，用沉降、燒結(jié)技術(shù)將TiO2微粒固定其上而成。
空氣(氧)電極是由防水透氣膜、催化膜及導(dǎo)電網(wǎng)組成。透氣膜和催化膜是分別用乙炔黑和活性催化劑與乳劑聚四氟乙烯(含表面活性劑OP)為原料，經(jīng)碾膜、抽提、壓合、燒結(jié)等工藝制作而成的。
采用上述光解裝置，有利于反應(yīng)形成的一系列中間產(chǎn)物(包括與氧化反應(yīng)的生成物)從兩種途徑中選擇反應(yīng)活化能最低的途徑進(jìn)一步被光催化或光化學(xué)降解。不象單一的光催化體系或光化學(xué)體系那樣只限于一種途徑，因而使光催化和光化學(xué)的反應(yīng)效率得到提高。所以在相同光照條件下有機(jī)物的整體降解速度比單一體系明顯增加。
與相同光照條件下同單一的光催化體系相比較，應(yīng)用本裝置能使有機(jī)污染物的分解速度和重金屬的分離速度提高3倍以上。對(duì)十二烷基磺酸鈉、苯胺、硝基苯、苯酚等各種有機(jī)污染物均可最終降解為CO2、H2O等簡(jiǎn)單的無機(jī)物質(zhì)，對(duì)水質(zhì)中的病毒、細(xì)菌可以有效致滅。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1。本裝置操作簡(jiǎn)便，運(yùn)行成本低，可用于工業(yè)廢水、生活廢水處理及城市自來水終端(用戶水龍頭)的水質(zhì)深度凈化，并可完全達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)或飲用水的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。
表1水質(zhì)處理效果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(試驗(yàn)溶液體積1L，處理時(shí)間1h，有機(jī)含量用化學(xué)耗氧量COD(mgO2/L)表示)
※表中“三聯(lián)合”體系指本實(shí)用新型的裝置


圖1水質(zhì)凈化裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2光解凈化槽結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1為濾槽，2為電化學(xué)凈化槽，3為光解凈化槽，4為進(jìn)水口，8為瓷砂填料，6為鈦合金(或石墨)正極，7為碳纖維布負(fù)極，5為凈水出口，11為空氣(氧)電極，10為TiO2膜電極，9為紫外光源，12為不溶性陽極。
以下結(jié)合附圖及具體的實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明實(shí)施例一種含光催化光化學(xué)和電化學(xué)三者聯(lián)合作用的新型水質(zhì)凈化裝置，其總體結(jié)構(gòu)如附圖1所示，光解凈化槽的結(jié)構(gòu)如圖2所示。它包括濾槽1、電化學(xué)凈化槽2和光解凈化槽3三大部分組分。待處理水由濾槽上端的進(jìn)水口4進(jìn)入，經(jīng)微孔瓷砂填料8過濾后，由槽下部進(jìn)入電化學(xué)凈化槽2中，經(jīng)電解處理后由電化學(xué)槽的上部進(jìn)入到光解凈化槽的下部，經(jīng)光解凈化槽處理后由其上部的凈水出口5放出凈化水。
濾槽1中間裝有微孔瓷砂填料8作為過濾層，電化學(xué)凈化槽2中安裝有一組電解電極(6和7)，正極材料為鈦合金，負(fù)極材料為高比表面積的碳纖維，光解凈化槽分為上下連通的兩部分，上槽的內(nèi)壁為TiO2膜電極10，槽中有兩個(gè)紫外光源9，下槽的相對(duì)兩個(gè)側(cè)壁為空氣電極11，在兩空氣電極中間安有不溶性陽極12。
按上述方式進(jìn)行組裝即構(gòu)成本實(shí)用新型的水質(zhì)凈化裝置。
權(quán)利要求1.一種水質(zhì)凈化裝置，其特征在于該裝置是由濾槽(1)、電化學(xué)凈化槽(2)、光解凈化槽(3)三部分組成，在濾槽(1)的中部裝有微孔瓷砂填料(8)，濾槽下部與電解凈化槽下部連通，在電化學(xué)凈化槽中安裝有一組或多組電解電極，槽的上部與光解凈化槽的下部連通，光解凈化槽分為上、下連通的兩部分，上槽的內(nèi)壁為TiO2膜電極(10)，槽中有一個(gè)或多個(gè)紫外光源(9)，下端的相對(duì)兩個(gè)側(cè)壁為空氣電極(10)，在兩空氣電極中間安有不溶性陽極(12)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種水質(zhì)凈化裝置,該裝置是由濾槽(1),電化學(xué)凈化槽(2)和光解凈化槽(3)三部分組成,本裝置能使有機(jī)污染物的分解速度和重金屬的分離速度提高3倍以上。可將各種有機(jī)污染物最終降解為CO
文檔編號(hào)C02F9/00GK2386044SQ9824214
公開日2000年7月5日 申請(qǐng)日期1998年10月26日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月26日
發(fā)明者蔡乃才 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)