專利名稱：通過UV－TiO的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及通過光催化反應(yīng)的水消毒。更具體地，本發(fā)明涉及用于水消毒的裝置和使用該裝置鈍化或破壞水中微生物和有機(jī)物質(zhì)的方法，其包含將過氧化氫加入污染的水中，將加有過氧化氫的污染水導(dǎo)入包含固定光催化劑的多孔珠的光催化反應(yīng)器，往其中注入空氣，和往其中施加UV射線的步驟。
背景技術(shù)：
典型地，具有低水平降雨量的地區(qū)面臨飲用水以及用于灌溉的水的短缺。特別是在韓國，年降雨量最近已經(jīng)下降，導(dǎo)致淡水的缺乏。大多數(shù)韓國農(nóng)民正在使用常規(guī)的灌溉系統(tǒng)，由于引入現(xiàn)代細(xì)溝灌溉中的經(jīng)濟(jì)問題導(dǎo)致其效率低，所述細(xì)溝灌溉有效地供水給期望區(qū)域，但是要求用于它的建立的高投資成本。因此，為了解決用于農(nóng)作物耕作的灌溉領(lǐng)域中的該困難，水，特別是廢水必需再循環(huán)。另外，廢水的再循環(huán)對(duì)于大型水族館中海水或淡水的連續(xù)使用是必需的。為了再循環(huán)廢水，首先，最重要的是殺死水中的微生物。
為了控制細(xì)菌，病毒和藻類的生長，在常規(guī)廢水再循環(huán)系統(tǒng)中已經(jīng)將氯廣泛用于水消毒。然而，該水消毒是不利的，因?yàn)樯a(chǎn)致癌的三鹵甲烷(THM)并且殘留氯化物。特別地，殘留的氯化物在純水或超純水的生產(chǎn)中是成問題的。另外，使用臭氧用于水消毒的高技術(shù)純化方法在要求用于它的建立和管理的高投資成本方面是不經(jīng)濟(jì)的。最近，已經(jīng)嘗試使用光催化劑，二氧化鈦(TiO2)消毒，該消毒系統(tǒng)在它的建立和維護(hù)方面是廉價(jià)的。
使用二氧化鈦(TiO2)光催化劑的消毒是基于下列方案。

按照方案1，當(dāng)用具有充分的帶隙能量或更大的光子照射TiO2時(shí)，光子(hv)將電子從價(jià)帶(valance band)克服能帶隙激發(fā)至導(dǎo)帶，并在價(jià)帶留下電子空位，空穴(h+)。導(dǎo)帶電子(e-CB)和價(jià)帶空穴(h+VB)然后擴(kuò)散并移至TiO2的表面。激發(fā)的電子和產(chǎn)生的空穴可以與水中的H2O，OH-，有機(jī)物質(zhì)和O2一起參與氧化還原過程。
參照方案2，擴(kuò)散的空穴(h+VB)與水中的OH-反應(yīng)以生產(chǎn)OH自由基(OH)，或者與水分子(H2O)反應(yīng)產(chǎn)生OH和H+，以及直接氧化有機(jī)物質(zhì)。
參照方案3，電子(e-CB)與水中的氧反應(yīng)，生產(chǎn)過氧化物自由基(O2-·)。過氧化物自由基與水分子反應(yīng)產(chǎn)生OH，OH-和氧分子。當(dāng)水含有過氧化氫時(shí)，過氧化氫吸收UV能量，產(chǎn)生OH，或與e-CB或者溶解的氧反應(yīng)生產(chǎn)OH·。產(chǎn)生的OH自由基(OH·)參與有機(jī)物質(zhì)的氧化。
然而，使用光催化劑TiO2和按照如上所述反應(yīng)機(jī)制的消毒方法具有如下的幾個(gè)缺點(diǎn)。當(dāng)將粉末狀的二氧化鈦加至含有污染物的水中時(shí)，使用TiO2粉末的水的連續(xù)處理導(dǎo)致用于再懸浮TiO2粉末的大量電能的消耗，另外，光催化劑應(yīng)該從已處理的水中回收。當(dāng)將TiO2直接涂布在紫外線燈上時(shí)，在燈的使用期限的末端TiO2很可能不合需要地與燈一起被丟棄。另外，當(dāng)用TiO2涂布反應(yīng)器的內(nèi)部時(shí)，如果反應(yīng)器的尺寸大，涂布操作非常困難。此外，在用TiO2涂布后，反應(yīng)器應(yīng)該在高于500℃下熱處理，因此限制了可以在反應(yīng)器制造中使用的材料。此外，當(dāng)將TiO2固定到玻璃珠上時(shí)，TiO2膜層逐漸從玻璃珠的表面被連續(xù)的水流浸蝕。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決在背景技術(shù)中遇到的問題，對(duì)通過光催化反應(yīng)用于水消毒的反應(yīng)器，和使用該裝置鈍化或破壞包含在水中的微生物和有機(jī)物質(zhì)的方法的深入和透徹的研究導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)，包含光催化反應(yīng)器的裝置和使用該裝置用于水消毒的方法，其中通過將過氧化氫加入待處理的水中，將加有過氧化氫的水導(dǎo)入包含固定光催化劑的多孔珠的光催化反應(yīng)器中，將空氣注入光催化反應(yīng)器和將UV射線施加于光催化反應(yīng)器中的方法將污染水消毒，由于導(dǎo)入空氣和過氧化氫可以縮短消毒的操作時(shí)間和提高消毒效率，而且能夠小尺寸地建造反應(yīng)器，因此允許在狹窄的地方安裝它，和拆除它，這樣易于它的清洗，從而完成本發(fā)明。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供用于水消毒的裝置，其包含光催化反應(yīng)器，該光催化反應(yīng)器包含固定光催化劑的多孔珠并且裝備有用于UV照射的紫外線燈和用于往其中注入空氣的入口。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供使用用于水消毒的裝置有效鈍化在污染水中的微生物的方法。
附圖簡述與附圖結(jié)合，本發(fā)明的上述和其它目的，特征以及其它優(yōu)勢(shì)將從下面的詳細(xì)描述中被理解更清楚，其中

圖1是顯示按照本發(fā)明第一位實(shí)施方案用于水消毒的裝置的構(gòu)造的截面圖；圖2是顯示包括在本發(fā)明裝置中的光催化反應(yīng)器的側(cè)視圖；圖3是按照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案具有平行排列的幾個(gè)光催化反應(yīng)器、用于水消毒的裝置的視圖。
圖4是顯示固定TiO2的珠粒的照片；圖5a和5b是顯示固定TiO2的多孔珠和玻璃珠的殺菌活性的曲線圖，其中在圖5a和5b中分別將活細(xì)胞數(shù)和對(duì)大腸桿菌的殺菌率(％)對(duì)時(shí)間作圖；圖6a和6b是顯示按照光催化反應(yīng)器的直徑每一紫外線燈的殺菌效果和生存力的曲線圖，其中在圖6a和6b中分別將活細(xì)胞數(shù)和對(duì)大腸桿菌的殺菌率(％)對(duì)時(shí)間作圖；圖7a和7b是曲線圖，其中當(dāng)將空氣注入光催化反應(yīng)器時(shí)，在圖7a和7b中分別將活細(xì)胞數(shù)和對(duì)大腸桿菌的殺菌率(％)對(duì)時(shí)間作圖；圖8是顯示當(dāng)光催化反應(yīng)發(fā)生時(shí)，過氧化氫的濃度對(duì)大腸桿菌消毒效率的影響的曲線圖，其中將在不同過氧化氫濃度下的殺菌率(％)對(duì)時(shí)間作圖；圖9是顯示當(dāng)未誘導(dǎo)光催化反應(yīng)時(shí)，過氧化氫的濃度對(duì)大腸桿菌消毒效率的影響的曲線圖，其中將在不同過氧化氫濃度下的殺菌率(％)對(duì)時(shí)間作圖；圖10是顯示過氧化氫濃度對(duì)豆萌芽的影響的曲線圖；圖11a和11b是曲線圖，其中當(dāng)將處理的水的體積加倍和誘導(dǎo)光催化反應(yīng)時(shí)，在圖11a和11b中分別將大腸桿菌的活細(xì)胞數(shù)和殺菌率(％)對(duì)時(shí)間作圖；圖12a和12b是其中將活細(xì)胞數(shù)和對(duì)用于豆萌芽的水中細(xì)菌的殺菌率(％)對(duì)時(shí)間作圖的曲線圖；和圖13a和13b是其中將活細(xì)胞數(shù)和對(duì)用于豆萌芽的水中的真菌的殺真菌率(％)對(duì)時(shí)間作圖的曲線圖。
*參考號(hào)簡述100裝置 10光催化反應(yīng)器11固定光催化劑的多孔珠
12紫外線燈 13出水口14進(jìn)水口15內(nèi)部構(gòu)架16外部構(gòu)架 17O形環(huán)18鎖定裝置 20第一貯水池(water resirvoir)21供水管22供水泵30進(jìn)氣管31氣泵40紫外線穩(wěn)定裝置41電路 50過濾器51第二貯水池實(shí)施本發(fā)明的最佳方式本發(fā)明涉及用于水消毒的裝置，其參照附圖將被詳細(xì)描述。
圖1顯示按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案用于水消毒的裝置的構(gòu)造。
如圖1所示，用于水消毒的裝置100，其中通過光催化反應(yīng)將水消毒，包含光催化反應(yīng)器10，其含有固定光催化劑的多孔珠11。紫外線燈12是每隔一定間隔軸向安裝在光催化反應(yīng)器10中，當(dāng)用交叉線畫成陰影時(shí)，如在圖2中最好地看出，以使燈12位于十字形的中心和末端，，由此當(dāng)將固定光催化劑的多孔珠11曝露于來自紫外線燈12的UV照射時(shí)產(chǎn)生OH自由基。將進(jìn)氣管30軸向安裝在光催化反應(yīng)器10的下層內(nèi)部，通過進(jìn)氣管30將來自氣泵31的空氣注入光催化反應(yīng)器10的內(nèi)部。進(jìn)水口14和出水口13分別被安裝在光催化反應(yīng)器10的下部和上部，并且當(dāng)沿縱軸切斷時(shí)對(duì)角地位于反應(yīng)器10的外殼上，因此增大了水在光催化反應(yīng)器10中的停留時(shí)間。將用于防止固定光催化劑的多孔珠11從反應(yīng)器10中不希望有的排出的過濾器50安裝在進(jìn)水口14和出水口13中的每一個(gè)中。反應(yīng)器10的外殼具有密封結(jié)構(gòu)，其具有內(nèi)部和外部構(gòu)架15和16。內(nèi)部構(gòu)架15和外部構(gòu)架16是通過鎖定裝置18彼此裝備在一起的，該鎖定裝置18具有由橡膠制成，夾在兩個(gè)構(gòu)架15和16之間的O形環(huán)17。
光催化反應(yīng)器10的內(nèi)部和外部構(gòu)架15和16是由透明的丙烯酸樹脂(acryl)制成，因此允許使用者用肉眼觀察光催化反應(yīng)器10的內(nèi)部以及檢查紫外線燈12的異常和更換時(shí)間。
通過使用固定光催化劑的珠如白云母珠或膨潤土珠可以形成多孔珠11。詳細(xì)地，如圖4所示，通過在800℃烘烤具有高孔隙率的白云母，用光催化劑涂布其表面，然后在1400℃熱處理來制備由白云母制成的多孔珠11多孔珠。該光催化劑是TiO2。通過具有大的表面積，固定光催化劑的多孔珠11能夠有效鈍化或破壞微生物和有機(jī)物質(zhì)。優(yōu)選多孔珠直徑為6-10mm。當(dāng)直徑低于該范圍時(shí)，多孔珠緊密堆積在一起，從而阻斷水在光催化反應(yīng)器中的流動(dòng)。相反，當(dāng)直徑在該范圍以上時(shí)，多孔珠的總表面積減小，從而降低了消毒效率。
特別地，當(dāng)曝露于紫外光時(shí)，固定光催化劑的多孔珠11在將水消毒的方法中作為催化劑。在固定光催化劑的多孔珠11被使用數(shù)次后，通過熱處理可以容易地去除多孔珠11的孔中吸收的微生物和有機(jī)物質(zhì)，因此允許它們的半永久性的使用。
填充在光催化反應(yīng)器內(nèi)部的固定光催化劑的多孔珠11與涂布光催化劑的常規(guī)玻璃珠相比是有利的，如下。多孔珠由于它們的孔隙率具有對(duì)微生物和有機(jī)物質(zhì)的優(yōu)異的吸收能力，由于它們大的表面積具有改善的消毒效率，以及可以被半永久性的使用。相反，玻璃珠由于光催化劑容易脫附具有短的使用期限，該脫附是由連續(xù)的水流導(dǎo)致。
按照本發(fā)明的實(shí)施例，當(dāng)使用固定光催化劑的多孔珠和玻璃珠在光催化反應(yīng)器中進(jìn)行水消毒時(shí)，參考圖5a和5b，固定TiO2的珠具有比涂布TiO2的玻璃珠更大的消毒能力。
在光催化反應(yīng)器10中每隔一定間隔安裝紫外線燈12，其中紫外線燈之間的間隔影響污染水中的消毒效率。因?yàn)楫?dāng)來自紫外線燈12的紫外光照射在固定光催化劑的多孔珠11之上時(shí)產(chǎn)生作為強(qiáng)氧化劑的OH自由基(OH)，應(yīng)該將紫外線燈12成行安裝，允許將所有的多孔珠11曝露于紫外線?？梢园凑展獯呋磻?yīng)器10的尺寸改變紫外線燈12之間的間隔。按照本發(fā)明的實(shí)施例，當(dāng)在其中每隔一定間隔排列紫外線燈12、直徑為20cm、長度為72cm的圓筒狀光催化反應(yīng)器10中進(jìn)行水的消毒時(shí)，當(dāng)以55-80mm的間隔排列紫外線燈12時(shí)取得最有效的消毒。然而，當(dāng)將大量的污染水消毒時(shí)，可以按照光催化反應(yīng)器10的尺寸改變紫外線燈12之間的間隔。
按照現(xiàn)有技術(shù)，將紫外線燈的電極放置在光催化反應(yīng)器中，因此紫外線燈需要用昂貴的石英覆蓋，以便防止紫外線燈的電極與水接觸。然而，按照本發(fā)明，可以無需石英管來安裝紫外線燈12，因?yàn)樽贤饩€燈12的電極伸至光催化反應(yīng)器10的外部，允許反應(yīng)器10完全的封閉效應(yīng)，因此降低材料的成本。因?yàn)閮?nèi)部和外部構(gòu)架15和16是由透明的丙烯酸樹脂制成，光催化反應(yīng)器10的內(nèi)部是可見的，因此允許使用者用肉眼研究燈12的任何異常和確定用新的替換現(xiàn)有的燈12的時(shí)間。此外，內(nèi)部和外部構(gòu)建15和16是通過鎖定裝置18裝備的，以保持光催化反應(yīng)器10的氣密性。根據(jù)需要松開鎖定裝置18，從而只通過松開鎖定裝置18用新的替換紫外線燈12。鎖定裝置18可以選自常規(guī)的螺母和螺栓，和其它類型可分離的鎖定裝置。
為了將空氣注入光催化反應(yīng)器10中，將進(jìn)氣管30安裝在光催化反應(yīng)器10的下部。將進(jìn)氣管30細(xì)致地穿孔以防止它被涂布光催化劑的多孔珠11堵塞，并與可以具有或不具有調(diào)節(jié)器的氣泵31連接，以便控制氣壓。將來自氣泵31的空氣通過進(jìn)氣管30導(dǎo)入光催化反應(yīng)器10中，從而增大了水中溶解氧的量。然而，因?yàn)榇罅靠諝獾牧魅朐谒挟a(chǎn)生暖流并因此增大水的反應(yīng)效率，優(yōu)選氣泵31是大功率的。
為了防止固定光催化劑的多孔珠11流出至供水管21中，在進(jìn)水口14和出水口13中安裝由塑料制成的過濾器50。過濾器50的孔徑大小可以根據(jù)多孔珠的大小而變化。
根據(jù)本發(fā)明，用于水消毒的裝置100另外包含供水管21，通過其將水注入光催化反應(yīng)器10，和控制紫外線燈12操作的紫外線穩(wěn)定裝置40。
如上所述，按照本發(fā)明的用于水消毒的裝置100包含光催化反應(yīng)器10，其包括固定光催化劑的多孔珠11，紫外線燈12和進(jìn)氣管30。為了將大量的污染水消毒，如圖3所示，可以大尺寸地制造或者小尺寸地制造和然后平行排列多個(gè)光催化反應(yīng)器10。依照尺寸和排列光催化反應(yīng)器的這種制造可以被本領(lǐng)域的技術(shù)人員修改，用于水消毒的裝置100可以用于消毒和然后再循環(huán)包括農(nóng)業(yè)用水和在水族館中使用的海水或淡水的各種水。
按照本發(fā)明的另一方面，提供使用上述裝置100鈍化或破壞在污染水中的微生物和有機(jī)物質(zhì)的方法。
通過光催化反應(yīng)水消毒的方法包含步驟將過氧化氫加入待處理的水中；將加有過氧化氫的水導(dǎo)入包含固定光催化劑的多孔珠11的光催化反應(yīng)器10中；和將空氣通過進(jìn)氣管30注入光催化反應(yīng)器10，和將紫外射線施加于光催化反應(yīng)器10中以誘導(dǎo)光催化反應(yīng)。
來自第一貯水池20的水通過安裝在其下部的進(jìn)水口14流入光催化反應(yīng)器10，在其中循環(huán)，然后通過出水口13流出，其是由供水泵22刺激的。在光催化反應(yīng)器10中的水被OH自由基消毒，所述OH自由基是當(dāng)將紫外線照射于多孔珠11之上時(shí)產(chǎn)生的，并且將消毒過的水儲(chǔ)存在第二貯水池51中。
另外，為了提高消毒效率，將少量過氧化氫加入第一貯水池20的水中。過氧化氫的濃度可以根據(jù)水的體積而變化，并且優(yōu)選為25-50mg/L，其中因?yàn)楫?dāng)高濃度使用過氧化氫時(shí)在經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定性方面可能的問題優(yōu)選使用最少量的過氧化氫。如圖8所示，當(dāng)用不同濃度的過氧化氫處理水時(shí)，水中消毒效率隨過氧化氫的濃度增大，從而縮短了水消毒的所需時(shí)間。
如圖9所示，其中將加入過氧化氫而不曝露于UV的消毒效率與曝露于UV的消毒效率相比較，證明過氧化氫單獨(dú)不能有效地鈍化水中的微生物，然而通過用過氧化氫連同曝露于紫外射線可以獲得高消毒效率。
另外，由于使用進(jìn)氣管30和氣泵31通過增大水中溶氧的量可以獲得高得多的消毒效率。當(dāng)將空氣從氣泵31通過進(jìn)氣管30導(dǎo)入光催化反應(yīng)器10時(shí)，增大了水中的溶解氧的量，導(dǎo)致暖流的形成并因此增大水中污染物和OH自由基的接觸。注入在本發(fā)明中使用的光催化反應(yīng)器的空氣體積為30L/min，其中優(yōu)選氣泵在不負(fù)面影響光催化反應(yīng)器操作的同時(shí)盡可能的功率大。
如圖7所示，當(dāng)將空氣導(dǎo)入光催化反應(yīng)器中時(shí)，在初始階段水的消毒效率高于當(dāng)不使用空氣進(jìn)行消毒時(shí)的消毒效率。按照本發(fā)明的實(shí)施例，在第一個(gè)1分鐘期間，當(dāng)注入或不注入空氣時(shí)觀測(cè)到殺菌率分別為95％或90.6％。該結(jié)果是由于導(dǎo)入的空氣產(chǎn)生暖流并因此增大了溶解氧的水平的事實(shí)，其導(dǎo)致OH自由基的產(chǎn)量增大和因此更有效的消毒。
如以下表1和圖10中明顯的，用過氧化氫處理的水是穩(wěn)定的。表1顯示過氧化氫對(duì)豆的萌芽的影響。


如表1中明顯的，在50mg/L的過氧化氫的濃度下萌芽率輕微減小，但隨時(shí)間過去恢復(fù)。如圖10中明顯的，豆芽的總長隨過氧化氫的濃度而增大。在500mg/L的過氧化氫的濃度下豆芽的總長顯著增大，其中顯著性水平是5％。在未用過氧化氫處理或用100mg/L的過氧化氫處理的水中生長的豆芽之間下胚軸的長度不存在顯著性差異，但是在500mg/L的過氧化氫下，下胚軸的長度顯著增大。此外，豆芽根的長度隨過氧化氫的加入而增大。在用或不用過氧化氫處理的豆芽之間下胚軸的厚度不存在顯著性差異。這些結(jié)果說明用過氧化氫處理的水是穩(wěn)定的。
當(dāng)處理的水的體積加倍時(shí)，用于水消毒的裝置100，其包含含有固定光催化劑的多孔珠11的光催化反應(yīng)器10，如圖11a和11b所示，也顯示了優(yōu)異的消毒效率，其中初始消毒效率稍微較低，但不久恢復(fù)。此外，使用平行排列的幾個(gè)光催化反應(yīng)器10可以實(shí)現(xiàn)大量水的處理。
與附圖結(jié)合參考下列實(shí)施例將更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。然而，提供下列實(shí)施例只是為了舉例說明本發(fā)明，本發(fā)明不局限于它們。
<實(shí)施例1>使用光催化反應(yīng)器進(jìn)行水消毒的方法使用各種反應(yīng)器確定水消毒的最佳條件，最佳條件如下。使用具有720mm長度和200mm直徑的光催化反應(yīng)器10，直徑為8mm的固定TiO2的多孔珠11，和在254nm處發(fā)射39W的最大紫外光的紫外線燈12，加入0-75mg/L的過氧化氫和以30L/min的速率通過進(jìn)氣管30注入空氣來進(jìn)行水消毒。在本發(fā)明的所有實(shí)驗(yàn)和比較實(shí)施例中，通過每隔一定間隔收集樣品，連續(xù)稀釋樣品，將100μl最終稀釋的樣品涂在固體培養(yǎng)基上允許細(xì)菌和真菌的生長，和然后計(jì)數(shù)在培養(yǎng)基上生長的菌落來評(píng)估消毒效率。
<實(shí)驗(yàn)實(shí)施例1>按照光催化反應(yīng)器的直徑每一紫外線燈大腸桿菌生存力的測(cè)定為了測(cè)定用于獲得每一紫外線燈最大消毒效率的光催化反應(yīng)器的最佳尺寸，在其中安裝一個(gè)紫外線燈12、直徑為55，80或110mm的光催化反應(yīng)器10中研究大腸桿菌生長的抑制水平。
在將固定TiO2的多孔珠加入每個(gè)光催化反應(yīng)器10中以后，包含大腸桿菌的緩沖液在曝露于紫外線的光催化反應(yīng)器10中循環(huán)15分鐘。得到的消毒效率在下面表2和圖6a和6b中給出。


如表2和圖6a和6b所示，在直徑為55mm的光催化反應(yīng)器10中，在1min后大腸桿菌的初始細(xì)胞數(shù)(7.1×103個(gè)細(xì)胞/ml)減少至375個(gè)細(xì)胞/ml，在15分鐘后減少至13個(gè)細(xì)胞/ml，其分別顯示95％和99.8％的殺菌效率。在直徑為80mm的光催化反應(yīng)器10中，在1min后大腸桿菌的初始細(xì)胞數(shù)(7.3×103個(gè)細(xì)胞/ml)減少至823個(gè)細(xì)胞/ml，在15分鐘后減少至21個(gè)細(xì)胞/ml，其分別顯示88.6％和99.7％的殺菌效率，其中初始的殺菌活性低于使用直徑為55mm的光催化反應(yīng)器時(shí)的殺菌活性，但在15min后恢復(fù)到與直徑為55mm的光催化反應(yīng)器相似的水平。然而，在使用直徑為110mm的光催化反應(yīng)器時(shí)，在1min后大腸桿菌的初始細(xì)胞數(shù)(7.1×103個(gè)細(xì)胞/ml)減少至3.1×103個(gè)細(xì)胞/ml，在15分鐘后減少至201個(gè)細(xì)胞/ml，分別顯示57.5％和97.2％的殺菌效率，其遠(yuǎn)低于使用直徑為55mm和80mm的光催化反應(yīng)器時(shí)的殺菌效率。這些結(jié)果顯示直徑為55mm和80mm的光催化反應(yīng)器提供高的消毒效率，然而直徑為110mm的光催化反應(yīng)器給出顯著低的消毒效率。因此，每一紫外線燈12光催化反應(yīng)器的最適當(dāng)?shù)某叽缡侵睆綖?5mm-80mm。
<實(shí)驗(yàn)實(shí)施例2>空氣的注入對(duì)大腸桿菌鈍化的影響使用氣泵31通過進(jìn)氣管30以30L/min的速率將空氣注入光催化反應(yīng)器10中，研究大腸桿菌的生存力15min，并與不注入空氣的情形比較。結(jié)果在以下表3，和圖7a和7b中給出。


如表3和圖7a以及7b所示，當(dāng)不注入空氣時(shí)，在1min后大腸桿菌的初始細(xì)胞數(shù)(7.1×103個(gè)細(xì)胞/ml)減少至668個(gè)細(xì)胞/ml，顯示90.6％的殺菌效率，在15分鐘后減少至70個(gè)細(xì)胞/ml。相反，當(dāng)注入空氣時(shí)，在1min后大腸桿菌的初始細(xì)胞數(shù)(7.1×103個(gè)細(xì)胞/ml)減少至357個(gè)細(xì)胞/ml，顯示95％的殺菌效率，在15分鐘后減少至13個(gè)細(xì)胞/ml。發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)入空氣時(shí)的消毒效率高于在未導(dǎo)入空氣時(shí)的消毒效率。認(rèn)為該結(jié)果是由于注入的空氣在其中發(fā)生光催化反應(yīng)的光催化反應(yīng)器10的水中產(chǎn)生暖流，因此使OH自由基更有效地反應(yīng)，以及增大溶解氧的量和因此產(chǎn)生OH自由基的事實(shí)導(dǎo)致的。
<實(shí)驗(yàn)實(shí)施例3>H2O2的注入對(duì)大腸桿菌生長的影響將過氧化氫以10，15，20和25mg/L的量加入光催化反應(yīng)器10的水中，使用氣泵31以30L/min的速率加入空氣，評(píng)估大腸桿菌的生存力15min。結(jié)果在以下表4和圖8中給出。


如表4和圖8所示，當(dāng)未加入過氧化氫時(shí)，在1min后大腸桿菌的初始細(xì)胞數(shù)(7.3×103個(gè)細(xì)胞/ml)減少至267個(gè)細(xì)胞/ml，在15分鐘后減少至13個(gè)細(xì)胞/ml，其分別顯示96％和99.8％的殺菌效率。當(dāng)以10mg/L的量加入過氧化氫時(shí)，在1min后大腸桿菌的初始細(xì)胞數(shù)(7.5×103個(gè)細(xì)胞/ml)減少至242個(gè)細(xì)胞/ml，顯示96.7％的殺菌效率，稍微比未加入過氧化氫時(shí)高，在15min后，顯示99.8％的殺菌效率，與未加入過氧化氫時(shí)類似。當(dāng)以15mg/L的量加入過氧化氫時(shí)，在1min后大腸桿菌的初始細(xì)胞數(shù)(9.2×103個(gè)細(xì)胞/ml)減少至203個(gè)細(xì)胞/ml，顯示97.8％的殺菌效率。當(dāng)以20mg/L的量加入過氧化氫時(shí)，在1min后大腸桿菌的初始細(xì)胞數(shù)(8.5×103個(gè)細(xì)胞/ml)減少至157個(gè)細(xì)胞/ml，顯示98％的殺菌效率，并且在15min后小時(shí)顯示完全的殺菌效率。當(dāng)以25mg/L的量加入過氧化氫時(shí)，在1min后大腸桿菌的初始細(xì)胞數(shù)(8.5×103個(gè)細(xì)胞/ml)減少至82個(gè)細(xì)胞/ml，顯示99％的殺菌效率，并且在10min后顯示完全的殺菌效率。這些結(jié)果說明高消毒效率是通過加入少量的過氧化氫實(shí)現(xiàn)的。
<實(shí)驗(yàn)實(shí)施例4>當(dāng)處理的水的體積加倍時(shí)消毒效率的測(cè)定將在光催化反應(yīng)器10中處理的水的量加倍，同時(shí)以20，25，30和50mg/L的量加入過氧化氫，而且使用氣泵31以30L/min的速率注入空氣，評(píng)估大腸桿菌的生存力15min。結(jié)果在下面的表5和圖11中給出。



如表5和圖11所示，當(dāng)未加入過氧化氫時(shí)，在1min后大腸桿菌的初始細(xì)胞數(shù)(3.2×104個(gè)細(xì)胞/ml)減少至1.5×104個(gè)細(xì)胞/ml，在2分鐘后1.2×104個(gè)細(xì)胞/ml，在5分鐘后1.8×103個(gè)細(xì)胞/ml，和在15分鐘后37個(gè)細(xì)胞/ml，其分別顯示51％，62.3％，94.3％和99.8％的殺菌效率。當(dāng)以20mg/L的量加入過氧化氫時(shí)，在1min后大腸桿菌的初始細(xì)胞數(shù)(3.8×104個(gè)細(xì)胞/ml)減少至1.1×104個(gè)細(xì)胞/ml，在2分鐘后7.0×103個(gè)細(xì)胞/ml，在5分鐘后1.8×103個(gè)細(xì)胞/ml，和在15分鐘后15個(gè)細(xì)胞/ml，分別鈍化69.3％，81.8％，95.3％和99.9％的大腸桿菌細(xì)胞。當(dāng)以25mg/L的量加入過氧化氫時(shí)，在1min后大腸桿菌的初始細(xì)胞數(shù)(3.1×104個(gè)細(xì)胞/ml)減少至2.2×104個(gè)細(xì)胞/ml，在2分鐘后1.5×103個(gè)細(xì)胞/ml，和在15分鐘后4個(gè)細(xì)胞/ml，其分別顯示92.8％，95.2％和99.98％的殺菌效率。當(dāng)以30mg/L的量加入過氧化氫時(shí)，在1min后大腸桿菌的初始細(xì)胞數(shù)(3.5×104個(gè)細(xì)胞/ml)減少至1.9×104個(gè)細(xì)胞/ml，在5分鐘后82個(gè)細(xì)胞/ml，和在15分鐘后2個(gè)細(xì)胞/ml，其分別顯示94.4％，99.7％和99.99％的殺菌效率。另外，當(dāng)以50mg/L的量加入過氧化氫時(shí)，在1min后大腸桿菌的初始細(xì)胞數(shù)(3.4×104個(gè)細(xì)胞/ml)減少至1.1×104個(gè)細(xì)胞/ml，在5分鐘后13個(gè)細(xì)胞/ml，和在15分鐘后1個(gè)細(xì)胞/ml，其分別顯示96.6％，99.96％和99.99％的殺菌效率。
<實(shí)驗(yàn)實(shí)施例5>對(duì)用于豆萌芽的水中細(xì)菌的消毒效率的測(cè)定在該試驗(yàn)中，代替包含大腸桿菌的緩沖液，使用更實(shí)際的用于豆萌芽的水，并評(píng)估在水中的消毒效率。將空氣以30L/min的速率注入光催化反應(yīng)器10中，以25，50和75mg/ml的不同量加入過氧化氫。評(píng)估水中細(xì)菌的生存力90min。結(jié)果在下面的表6和圖12a以及圖12b中給出。


用于豆萌芽4小時(shí)的水包含4.0×104個(gè)細(xì)胞/ml的細(xì)菌。如表6和圖12a以及12b所示，當(dāng)未加入過氧化氫時(shí)，活細(xì)菌的初始數(shù)量在1min后減少至6.8×103個(gè)細(xì)胞/ml，在15分鐘后123個(gè)細(xì)胞/ml，分別顯示82.9％和99.7％的殺菌效率?；罴?xì)菌的數(shù)量在30min后增大至343個(gè)細(xì)胞/ml，但在90min后又減少至220個(gè)細(xì)胞/ml，顯示99.5％的殺菌效率。當(dāng)以25mg/L的量加入過氧化氫時(shí)，發(fā)現(xiàn)在1，15，30和90min后殺菌效率分別為82.6％，99.4％，99.5％和99.9％，其中在初始階段的殺菌效率稍微低于在不加過氧化氫時(shí)的殺菌效率，但在90min后，它增大至高于在不加過氧化氫時(shí)的水平。此外，在消毒過程期間未觀察到消毒效率的減小，盡管在不加入過氧化氫時(shí)觀察到該現(xiàn)象。
但以50mg/L的量加入過氧化氫時(shí)，發(fā)現(xiàn)在1，15和90min后殺菌效率分別為88.2％，99.8％和99.99％。當(dāng)以75mg/L的量加入時(shí)，過氧化氫在1，15和30min后分別顯示91.2％，99.8％和99.99％的殺菌活性，在90min后觀察到對(duì)細(xì)菌的完全鈍化。
發(fā)現(xiàn)對(duì)所有細(xì)菌的消毒效率稍微低于單獨(dú)對(duì)大腸桿菌的消毒效率，并且活細(xì)菌的總數(shù)稍微高于單獨(dú)的活大腸桿菌的總數(shù)。然而，這些結(jié)果是由于下列原因?qū)е?。即，在不包含營養(yǎng)的緩沖液中對(duì)大腸桿菌的生長存在限制，然而由于在水中存在來自豆的有機(jī)酸，細(xì)菌可能連續(xù)增殖。另外，當(dāng)以高于50mg/L的量加入過氧化氫時(shí)，觀察到對(duì)細(xì)菌高得多的消毒效率。
<實(shí)驗(yàn)實(shí)施例6>對(duì)用于豆萌芽的水中真菌的消毒效率的測(cè)定使用與實(shí)驗(yàn)實(shí)施例5相同的方法評(píng)估在用于豆萌芽的水中對(duì)真菌的殺真菌活性。結(jié)果在下面的表7和圖13a以及圖13b中給出。


在豆萌芽4小時(shí)中使用的水包含1.0×104個(gè)細(xì)胞/ml的真菌。如表7和圖13所示，當(dāng)未加過氧化氫時(shí)，在1，15和90分鐘后殺真菌效率分別為69.3％，99.6％和99.7％。當(dāng)以25mg/L的量加入時(shí)，過氧化氫在1，15和90分鐘后分別顯示71.1％，99.5％和99.88％的殺真菌效率。當(dāng)以50mg/L的量加入時(shí)，過氧化氫在1和10分鐘后分別顯示90％和99.8％的殺真菌效率，并且在15min后完全鈍化水中的真菌。當(dāng)以75mg/L的量加入過氧化氫時(shí)，發(fā)現(xiàn)在1min后殺真菌效率為93.7％，并且在4min后未觀察到活的真菌。
<比較實(shí)施例1>在使用固定TiO2的多孔珠或玻璃珠時(shí)的消毒效率測(cè)定在該試驗(yàn)中，將高孔隙率的白云母和玻璃珠用作TiO2固定的載體物質(zhì)。為了將固定TiO2的多孔珠，即固定TiO2的白云母珠的消毒效率與涂布TiO2的玻璃珠的消毒效率比較，其中TiO2作為光催化劑，在用固定TiO2的多孔珠或玻璃珠填充光催化反應(yīng)器10以后，以30L/min的速率加入空氣在曝露于紫外線之下進(jìn)行對(duì)大腸桿菌的消毒15min，并評(píng)估大腸桿菌的生存力。結(jié)果在下面的表8和圖5a以及5b中給出。



如表8和圖5a以及5b所示，其中將固定TiO2的白云母珠的消毒效率與涂布TiO2的玻璃珠的消毒效率進(jìn)行比較，當(dāng)使用涂布TiO2的玻璃珠時(shí)，大腸桿菌的初始細(xì)胞數(shù)(7.1×104個(gè)細(xì)胞/ml)在1min后減少至357個(gè)細(xì)胞/ml和在15min后13個(gè)細(xì)胞/ml，分別顯示95％和99.8％的殺菌效率。
當(dāng)使用固定TiO2的白云母珠時(shí)，活細(xì)菌的數(shù)量在1min后從7.2×103個(gè)細(xì)胞/ml減少至370個(gè)細(xì)胞/ml，在15min后1個(gè)細(xì)胞/ml，分別顯示95％和99.9％的殺菌效率，說明固定TiO2的白云母珠的消毒效率稍微高于涂布TiO2的玻璃珠。
另外，發(fā)現(xiàn)在玻璃珠上的TiO2被連續(xù)水流從玻璃珠的表面逐漸解吸下來，因此要求用TiO2的用過的玻璃珠新的涂布步驟。相反，與玻璃珠相比，TiO2光催化劑更容易浸漬于多孔珠之中，如具有高孔隙率的白云母粉末。而且，由于在高溫下處理固定TiO2的多孔珠，未觀察到TiO2從多孔珠的脫附。
<比較實(shí)施例2>在加入H2O2而不曝露于紫外線時(shí)消毒效率的測(cè)定為了比較在加入過氧化氫(H2O2)而曝露或不曝露于紫外線時(shí)的消毒效率，將過氧化氫以25mg/L的量加入水中，并評(píng)估大腸桿菌的生存力。結(jié)果在圖9中給出。
如圖9所示，當(dāng)在同時(shí)曝露于紫外線下加入25mg/L H2O2進(jìn)行消毒時(shí)在5min后未檢測(cè)到活的大腸桿菌。相反，當(dāng)不提供紫外線時(shí)，發(fā)現(xiàn)即使在15min后殺菌效率僅為51％。這些結(jié)果說明極好的消毒效率不是僅通過過氧化氫實(shí)現(xiàn)的，而是通過在同時(shí)曝露于紫外線下加入過氧化氫實(shí)現(xiàn)的。
工業(yè)適用性如上所述，按照本發(fā)明的用于水消毒的裝置可以縮短水消毒所需的時(shí)間，并且以加入過氧化氫和空氣來改善消毒效率。另外，可以根據(jù)需要小尺寸地制備裝置，因此允許在狹窄地點(diǎn)安裝它。另外，該裝置容易拆除，由此易于它的清洗。因此，用于水消毒的裝置在鈍化或破壞水中的微生物和有機(jī)污染物方面非常有用。
權(quán)利要求
1.一種通過光催化反應(yīng)用于水消毒的裝置，其包含貯存待處理的水的第一貯水池；包含固定光催化劑的多孔珠和裝備有進(jìn)水口，出水口，紫外線燈和進(jìn)氣管的光催化反應(yīng)器；連接在第一貯水池和所述光催化反應(yīng)器之間的供水泵；將空氣通過進(jìn)氣管導(dǎo)入所述光催化反應(yīng)器的氣泵；和貯存來自所述光催化反應(yīng)器處理的消毒過的水的第二貯水池。
2.按照權(quán)利要求1的裝置，其中所述進(jìn)水口和所述出水口中的每一個(gè)裝備有過濾器以防止所述固定光催化劑的多孔珠從所述光催化反應(yīng)器流出。
3.按照權(quán)利要求1的裝置，其中所述進(jìn)水口和所述出水口分別被安裝在所述光催化反應(yīng)器的上部和下部，并彼此對(duì)角放置以增大水在所述光催化反應(yīng)器內(nèi)部中的停留時(shí)間。
4.按照權(quán)利要求1的裝置，其中所述光催化劑是TiO2。
5.按照權(quán)利要求1的裝置，其中所述多孔珠是由白云母制成并且直徑為6-10mm。
6.按照權(quán)利要求1的裝置，其中將所述紫外線燈每隔一定間隔軸向安裝在所述光催化反應(yīng)器中。
7.按照權(quán)利要求1的裝置，其中所述紫外線燈是以所述紫外線燈的電極伸到所述光催化反應(yīng)器的外部這樣的方式安裝。
8.按照權(quán)利要求1的裝置，其中將所述進(jìn)氣管安裝在所述光催化反應(yīng)器的下部并每隔一定間隔精細(xì)地穿孔。
9.按照權(quán)利要求1的裝置，其中所述光催化反應(yīng)器具有將O-形環(huán)夾在內(nèi)部構(gòu)架和外部構(gòu)架之間的密封結(jié)構(gòu)。
10.按照權(quán)利要求1的裝置，其中所述光催化反應(yīng)器裝備有密封的透明丙烯酸樹脂窗口以允許使用者用肉眼觀察所述反應(yīng)器的內(nèi)部。
11.按照權(quán)利要求1的裝置，其中設(shè)計(jì)所述光催化反應(yīng)器以使兩個(gè)或多個(gè)反應(yīng)器平行排列。
12.一種使用權(quán)利要求1的裝置通過光催化反應(yīng)用于水消毒的方法，其包含步驟將過氧化氫加入污染水中；將加有過氧化氫的污染水導(dǎo)入包含固定光催化劑的多孔珠的光催化反應(yīng)器中；將空氣注入所述光催化反應(yīng)器；和將紫外線施加于所述光催化反應(yīng)器之中。
13.按照權(quán)利要求12的方法，其中將所述過氧化氫以25-50mg/L的量加到水中。
全文摘要
本文公開通過UV－TiO
文檔編號(hào)C02F1/72GK1538939SQ02815477
公開日2004年10月20日 申請(qǐng)日期2002年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月6日
發(fā)明者金時(shí)郁, 金仲坤, 金龍昊, 李榮祥 申請(qǐng)人:朝鮮大學(xué)校