一种用于水处理的多点位光催化反应装置

摘要

本发明提供的是一种用于水处理的多点位光催化反应装置。该装置包括光催化反应室、磁力搅拌调速器和冷却水循环系统；所述光催化反应室包括光催化反应室避光外罩、氙灯/汞灯光源、可替换截止滤光片、多点位反应容器固定板、反应烧杯及散热通风扇；所述冷却水循环系统主要包括冷却水循环泵以及红铜和橡胶管线。本发明主要用于光催化剂性能评价及光催化降解有机污染物的动力学研究。该发明提供了一种可以进行批量光催化反应研究的多点位光催化反应装置，同时该装置具有工艺结构简单、能耗低、高效的优点。

权利要求

1.一种用于水处理的多点位光催化反应装置，其特征在于：包括光催化反应室、磁力搅拌调速器和冷却水循环系统；所述光催化反应室包括避光外罩(4)、可替换截止滤光片凹槽(5)、散热通风扇(6)、氙灯/汞灯光源(7)及多点位反应容器固定板(10)；所述冷却水循环系统包括冷却水循环泵和红铜、橡胶管线；光催化反应室置于磁力搅拌调速器(1)上；

光催化反应室下部铺设有铜质管线(9)，铜管通过橡胶管线连接在冷却水循环泵上，光催化反应室水槽3中保持30.0mm的水位高以控制反应容器内反应液的温度；在反应室水面上部

15.0mm处平置一块多点位反应容器固定板，将反应烧杯置于固定板圆孔内，用以固定反应烧杯的位置；光催化反应室顶部放置氙灯/汞灯光源，光源下部的抽拉凹槽用于放置平板玻璃或者截止滤光片，以获得一定波长的光，光源两侧装有散热通风扇用以降低光催化反应室的温度；光催化反应室避光外罩三面密封，一面可向外拉起，用于实验中采样需要，同时避免了短波紫外光对人体的伤害。

2.根据权利要求1所述的用于水处理的多点位光催化反应装置，其特征在于所述光催化反应室避光外罩的材质为不锈钢，多点位反应容器固定板材质为耐高温、抗酸碱的聚四氟乙烯，反应烧杯材质为有机玻璃，或聚乙烯PE，或聚丙烯PP。

3.根据权利要求1所述的用于水处理的多点位光催化反应装置，其特征在于采用多点磁力搅拌的催化剂分散方式。

4.根据权利要求1或2所述的用于水处理的多点位光催化反应装置，其特征在于可根据实验需要迅速地更换所需光源，所述光源分别为辐射波长范围为190-1900nm，功率为

1000W的长弧氙灯和主波长为365nm，功率为1000W的高压汞灯。

说明书

一种用于水处理的多点位光催化反应装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于水处理的多点位光催化反应装置，主要用于光催化剂性能评价及降解有机污染物的动力学研究。

背景技术

[0002] 环境污染对人类的生存和发展构成了严重威胁，尤其是水体污染问题成为了人们所关注的焦点问题之一。随着经济和工业化的快速发展，排放到水体中的难降解有毒有机污染物的种类越来越多，成分也越来越复杂。尽管目前已经有大量的污水处理设备应用于水污染的治理，也取得了一定的治理效果，但随着污水量的增加和难降解有毒有机污染物种类的增多，常规的污水处理技术包括物理法(吸附、超滤)、化学法(化学氧化法、生物化学处理法、物理化学法)、生物法等(如吸附、活性污泥等)在污水处理方面仍存在很大的局限性，如成本高、处理不彻底、污水排放不达标等，特别是一些难降解有毒有机污染物难以被有效去除。因此，污水净化技术及装置的研究已经成为目前研究的热点。

[0003] 自1972年Fujishima和Honda发现利用半导体金属氧化物TiO2单晶电极可见光分解水以来，光催化氧化技术在环境治理方面引起了人们的广泛关注与研究。与常规的污水处理技术相比，光催化氧化技术具有反应条件温和、选择性不高、操作简便、处理彻底、毒性中间产物少等优点，是水处理领域中一项比较重要的高级氧化技术。现有的很多光催化处理装置普遍存在光能利用效率低、装置复杂、成本高昂等问题，直接影响了光催化技术在工业化污水治理方面应用的前景，因此研制结构简单、操作方便、光利用率高及光催化剂性能能够得到充分发挥的光催化处理装置是当前国内外相关领域的研究重点。而研制利用光催化技术治理污水的装置，其核心在于光催化处理装置的结构设计。

[0004] 目前，对光催化处理装置尚缺少明确、统一的标准，根据光催化处理装置的内部结构、工作状态以及催化剂在处理装置中存在形式和应用情况的不同，光催化处理装置主要分为固定式和悬浮式两类。固定床式反应器中催化剂颗粒或催化剂固定膜在反应器内处于静止状态，与光和空气及液相中的反应物接触面积小，反应速度和处理量都受到很大限制；悬浮式反应器中催化剂颗粒悬浮在气液混合物中，增加了催化剂与气液两相的接触面积，使得有效光照面积增加，光催化效率有了明显提高。

[0005] 但目前已有的悬浮式反应器只能单次处理一种或两种样品，而这些光催化反应器在实验室研究和工程应用上，它们大都存在光能利用效率低、难以单次批量实验、装置复杂的缺点，而通过设计研制多点位光催化反应装置则能有效避免这些问题，具有良好的应用前景。同时多点位光催化反应装置在水处理方面的开发尚处于起步阶段。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种可以批量进行光催化反应、工艺结构简单、能耗低、高效的多点位光催化反应装置。

[0007] 本发明是通过采用以下的技术方案来实现上述发明目的。此用于水处理的多点位光催化反应装置包括光催化反应室、磁力搅拌调速器和冷却水循环系统；所述光催化反应室包括避光外罩、可替换截止滤光片凹槽、散热通风扇、氙灯/汞灯光源及多点位反应容器固定板；所述冷却水循环系统包括冷却水循环泵和红铜、橡胶管线；光催化反应室放置于磁力搅拌调速器上；光催化反应室下部铺设有铜质管线，铜管通过橡胶管线连接在冷却水循环泵上，反应室水槽内保持30.0mm的水位高以控制反应容器内反应液温度；光催化反应室水面上部15.0mm处平置一块多点位反应容器固定板，固定板圆孔内放置反应烧杯，用以固定反应烧杯位置；光催化反应室顶部放置氙灯/汞灯光源，光源下部的抽拉凹槽用于放置平板玻璃或者截止滤光片，以获得一定波长的光，光源两侧装有散热通风扇来降低光催化反应室温度；光催化反应室避光外罩三面密封，一面可向外拉起，用于实验采样。

[0008] 本发明的研究装置中，所述光催化反应室避光外罩的材质为不锈钢，多点位反应容器固定板材质为耐高温、抗酸碱聚四氟乙烯，反应烧杯材质为有机玻璃，或聚乙烯PE，或聚丙烯PP。

[0009] 本发明的研究装置中，采用多点磁力搅拌的催化剂分散方式。

[0010] 本发明的研究装置中，可根据实验需要迅速的更换所需光源，所述光源分别为辐射波长范围为190-1900nm，功率为1000W的长弧氙灯和主波长为365nm，功率为1000W的高压汞灯。

[0011] 本发明的优点在于：

[0012] 1、利用多点位磁力搅拌调速器和多点位反应容器固定板实现了批量进行光催化反应研究的目的，能耗低，效率高；

[0013] 2、光源下部的抽拉凹槽放置不同的截止滤光片可得到不同波长的光；

[0014] 3、光催化室内光强分布均匀，密闭系统避免了外部的干扰，且反应液温度可控，评价指标稳定；

[0015] 4、反应装置光源系统灵活可调，能适合不同光源需求，且样品采样简单。

附图说明

[0016] 图1为用于水处理的多点位光催化反应装置示意图；其中，1-磁力搅拌调速器；2-光催化反应室避光外罩开门提手；3-光催化反应室水槽；4-光催化反应室避光外罩；
5-可替换截止滤光片凹槽；6-散热通风扇；7-氙灯/汞灯光源；8-灯罩。

[0017] 图2为用于水处理的多点位光催化反应研究装置侧面结构示意图；其中，1-磁力搅拌调速器；3-光催化反应室水槽；4-光催化反应室避光外罩；5-可替换截止滤光片凹槽；6-散热通风扇；7-氙灯/汞灯光源；8-灯罩；9-冷却水铜质管线。

[0018] 图3为用于水处理的多点位光催化反应研究装置光催化反应室俯视图；其中，1-磁力搅拌调速器；9-冷却水铜质管线；10-多点位反应容器固定板。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图对本发明进行详细的描述：

[0020] 整体结构见图1。在图中各符号的含义为：1-磁力搅拌调速器、2-光催化反应室避光外罩开门提手、3-光催化反应室水槽、4-光催化反应室避光外罩、5-可替换截止滤光片凹槽、6-散热通风扇、7-氙灯/汞灯光源、8-灯罩。

[0021] 1、磁力搅拌调速器为多点位(12点)磁力搅拌调速器(IKA-RO15，200-240V，20W)，长度为550.0mm，宽度为270.0mm，冷却水铜质管线间距为72.0mm。如图3。

[0022] 2、光催化反应室为不锈钢材质。底部水槽3长度为460.0mm，宽度为300.0mm，高度为60.0mm；光催化反应室避光外罩4垂直高度(水槽上部至可替换截止滤光片凹槽下部)为100.0mm。如图1。

[0023] 3、可替换截止滤光片凹槽4长度为210.0mm，宽度为160.0mm，高度为10.0mm；通风散热部分高度为40.0mm，两侧各有2个散热通风扇窗口，每个散热通风扇窗口口径为Φ40.0mm；光源灯罩8为铝制材料，为半椭圆形，高度为60.0mm；冷却水铜质管线9两端连接于冷却水循环泵，铜质管线管径为Φ8.0mm。如图2。

[0024] 如图1，光催化反应室水槽内3加入30.0mm高的水位，打开冷却水系统，设定恒温25℃，保持光催化反应室水槽内水温恒定。然后把9个烧杯按磁力搅拌点位位置放入水槽内，在可替换截止滤光片凹槽5内放入400nm截止滤光片，打开散热通风扇6和磁力搅拌调速器1，最后开启氙灯7。在搅拌过程中，光催化剂吸收光能而被激活，开始对污染物进行降解。经过一定时间的反应，拉起光催化反应室避光外罩开门提手采集样品，由液相色谱串联质谱仪分析得出各烧杯中污染物液相色谱串联质谱分析谱图，进而得出污染物的降解率。

[0025] 实施例1

[0026] 本实施方式中，实验材料为初始浓度为100μg/L的全氟辛烷磺酸盐(PFOS)水溶液和自制的锶掺杂钛酸铋可见光催化剂。9个100ml聚丙烯塑料烧杯中各装入80ml的PFOS水溶液和0.1g的锶掺杂钛酸铋可见光催化剂，磁力搅拌使催化剂与反应液均匀混合，反应液的温度通过水浴保持在(20±2)度，氙灯强度为1000W。经过3小时的反应，PFOS降解率达到了70％，且各烧杯中污染物的降解率标准偏差为2.8％。由此说明平行样分析效果理想，装置可以提供很好的平行样分析条件。

[0027] 实施例2

[0028] 由可靠的平行样分析结果评价不同光催化剂的光催化性能。使用初始浓度为100μg/L的PFOS水溶液，自制的9种(钛、钒、锰、铁、铬、钨、镍、锑、锶)掺杂钛酸铋可见光催化剂。9个100ml聚丙烯塑料烧杯中各装入80ml的PFOS水溶液和0.1g的不同种掺杂钛酸铋可见光催化剂，磁力搅拌使催化剂与反应液均匀混合，反应液的温度通过水浴保持在(20±2)度，氙灯强度为1000W。经过3小时的反应，PFOS降解率分别是0％，80％，0％，
5％，0％，5％，10％，5％，65％。由此可见，多点位光催化反应研究装置可单次评价多种光催化剂的光催化性能，光利用效率高、平均能耗低，且分析结果准确可靠。

[0029] 实施例3

[0030] 使用钛酸铋可见光催化剂对染料结晶紫和五氯酚进行降解，在2个100ml玻璃烧杯中各装入80ml的1mg/L的染料结晶紫和五氯酚溶液，每个烧杯中添加0.1g的钛酸铋可见光催化剂，磁力搅拌使催化剂与反应液均匀混合，反应液的温度通过水浴保持在(20±2)℃，氙灯强度为1000W。反应3小时后，染料和五氯酚的降解率分别达到了90％和84％。