一種光催化裝置及其閥控應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】一種光催化裝置，包括在紫外或可見光照射以金屬泡沫上負(fù)載光催化材料。金屬泡沫為片狀、柱狀或環(huán)狀的金屬泡沫，金屬泡沫是泡沫鋁、泡沫鎂鋁合金、泡沫鐵、鎳或鎳鐵合金?；蚪饘倥菽遣捎酶叻肿影l(fā)泡泡沫，再在泡沫表面鍍金屬層。將所有的紫外燈裝在上蓋上，電連接處絕緣密封，上蓋再密封在外殼上；外殼上預(yù)先安裝好金屬泡沫筒、塊、波浪條。本發(fā)明金屬泡沫對(duì)光的反射率高，使裝置的有效催化作用的體積增大，使用長(zhǎng)久，裝置及運(yùn)行成本低。
【專利說明】一種光催化裝置及其閥控應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光化學(xué)氧化法處理環(huán)境污染的裝置及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)迅速發(fā)展，廢水的種類和數(shù)量迅猛增加，對(duì)水體的污染也日趨廣泛和嚴(yán)重，威脅人類的健康和安全。由于廢水的成分更復(fù)雜，有些還有毒性，廢水處理更困難也更重要。一些典型的高濃度有機(jī)廢水，如焦化廢水、制藥廢水、紡織/印染廢水、石油/化工廢水、垃圾滲濾液等，其主要生產(chǎn)工段的出水COD濃度一般均在3000?5000mg/L以上，有的工段出水甚至超過10000mg/L，即使是各工段的混合水，一般也均在3000mg/L以上。高濃度難降解廢水難處理的原因，本質(zhì)上是由其特性決定的，除了在處理時(shí)的外部環(huán)境條件(如溫度、PH值等)沒有達(dá)到生物處理的最佳條件外，還有兩個(gè)重要的原因，一是由于化合物本身的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，在微生物群落中，沒有針對(duì)要處理的化合物的酶，使其具有抗降解性；二是在廢水中含有對(duì)微生物有毒或者能抑制微生物生長(zhǎng)的物質(zhì)(有機(jī)物或無機(jī)物)，從而使得有機(jī)物不能快速的降解。處理這類廢水，多還采用生物處理，且以好氧法或好氧法的改進(jìn)型(如A/0工藝等)為主，有的也采用厭氧生物處理。從這些工藝在國(guó)內(nèi)外的實(shí)際運(yùn)用情況看，主要存在工藝流程長(zhǎng)、外加物(如外加碳源物、調(diào)節(jié)PH藥劑等)量大且費(fèi)用高等問題，從而導(dǎo)致整體上單位水量造價(jià)和單位水量成本均較高。而光催化氧化法處理可以最少添加化學(xué)品，節(jié)約成本。
[0003]光化學(xué)氧化法是在化學(xué)氧化和光輻射共同作用，使氧化反應(yīng)在速率和氧化能力上比單獨(dú)的化學(xué)氧化或光輻射有明顯提高，這種一種水或空氣的處理技術(shù)。光氧化法尤其是以紫外光為輻射源，同時(shí)水中投入包括芬頓試劑在內(nèi)的一定氧化劑如過氧化氫，臭氧或一些催化劑，它對(duì)難降解而具有毒性的小分子有機(jī)物去除效果極佳，光氧化反應(yīng)使水中產(chǎn)生許多活性極高的自由基，這些自由基很容易破壞有機(jī)物結(jié)構(gòu)。屬于光化學(xué)氧化法包括光敏化氧化，光激發(fā)氧化，光催化氧化等。
[0004]光催化氧化法是在使用光催化材料(光觸媒)的前提下，由于光觸媒材料經(jīng)光線照射后，可能產(chǎn)生活性物質(zhì)。目前公開的光觸媒的主要是二氧化鈦，以納米TiO2或摻雜某些金屬或金屬氧化物更好，但已經(jīng)在發(fā)展如鉍氧化物等可見光催劑的光催化材料。納米二氧化鈦在經(jīng)紫外線輻射或光照后吸收能量，其價(jià)帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，形成了電子和空穴與吸附于其表面的O2和H2O作用，可以生成超氧化物陰離子自由基。這些自由基具有光觸化分解有害氣體、有機(jī)污染物和光催化抗菌的功能，可廣泛用于空氣凈化和水處理等領(lǐng)域。因此，光觸媒可用于抗菌、防污、易潔、空氣凈化、水質(zhì)凈化等作用。但是TiO2粉末顆粒細(xì)微，不便回收，應(yīng)用手段上需要?jiǎng)?chuàng)新，同傳統(tǒng)水處理方法相比，目前的光催化氧化的固定成本和處理費(fèi)用反而較高，設(shè)備復(fù)雜，推廣使用受限。
[0005]CN201310053472公開了一種高效光催化水處理方法與裝置，包括罐體、石英管、回流接口、超強(qiáng)紫外燈管、三維蜂窩陶瓷網(wǎng)光化學(xué)反應(yīng)室、污水布水器、污水接口、曝氣接口、曝氣組件、排污口、布藥組件、藥劑接口、粗效過濾網(wǎng)、高壓反沖裝置、高壓水接口、尾氣回收口及往復(fù)運(yùn)動(dòng)裝置。
[0006]CN200410067601空氣凈化用光催化反應(yīng)腔，包括反應(yīng)腔外殼、光催化凈化網(wǎng)、氣體孔道、密封板和光源，由光催化凈化網(wǎng)組成氣體孔道，由多個(gè)氣體孔道緊密并聯(lián)組成蜂窩狀反應(yīng)腔，通過密封板將每個(gè)氣體孔道的兩端中的一端間隔封閉，氣體孔道方向與氣體流動(dòng)方向平行。
[0007]CN200980135994公開了基于結(jié)構(gòu)化的三維碳泡沫或碳材料泡沫的光催化劑。
[0008]CN201310348060公開了 Lu、N共摻雜TiO2光催化蜂窩陶瓷網(wǎng)的制備方法，以蜂窩陶瓷網(wǎng)作為第一載體，在第一載體上負(fù)載比表面積為300?400m2 / g、并摻雜了鑭、鈰和鐵元素的活性Al2O3涂層作為第二載體，其中Al2O3: La: Ce: Fe具有一定的質(zhì)量比。
[0009]CN201110392237 —種用于氮氧化物催化凈化光催化材料及制備方法，該催化材料以堇青石蜂窩陶瓷為載體，在載體表面均勻涂覆一層納米二氧化鈦/三氧化二鋁(TiO2/Al2O3)活性涂層，負(fù)載稀土氧化物制備而成。
[0010]CN200610098232是TiO2光催化劑在蜂窩陶瓷表面負(fù)載的制備方法，采用正交法配制純鈦酸溶膠和含有銀或鐵或鑭離子鈦酸溶膠；采用堇青石質(zhì)蜂窩陶瓷和炻器蜂窩陶瓷為載體；采用溶膠-凝膠法將鈦酸溶膠負(fù)載在蜂窩陶瓷載體上得到成品。
[0011]由上可見，TiO2光催化劑在三維碳泡沫、碳材料、泡沫蜂窩陶瓷表面負(fù)載光催化氧化進(jìn)行空氣或水處理(尤其是水處理)的主要裝置單元，然而由紫外燈光透不過碳材料、泡沫蜂窩陶瓷材料只有表面層光催化材料有效(反光折光性能亦不好)，作用區(qū)域(厚度)只有2mm左右，薄型泡沫蜂窩陶瓷其實(shí)是無法制備并投入實(shí)用的，影響到光催化的作用強(qiáng)度和效率，這也固定成本和處理費(fèi)用反而高的原因。負(fù)載二氧化鈦的光催化以及新型光催化助齊U，雖然具有對(duì)水分子催化分解成氫氧的活性，在水處理中尚不能得到廣泛的應(yīng)用，其原因主要在于:有效的催化劑作用區(qū)域太小，無紫外光的區(qū)域無法進(jìn)行催化反應(yīng)，蜂窩陶瓷只能接觸到的表層的水進(jìn)行流動(dòng)，不能使所有的水體均進(jìn)行催化反應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的是，提出水或空氣處理的光催化裝置及其應(yīng)用，采用負(fù)載催化材料的金屬泡沫制備光催化裝置，能夠大大提高光催化的作用強(qiáng)度和效率，且適于使用，大大降低光催化水或空氣處理的成本。
[0013]一種光催化裝置，在金屬泡沫上負(fù)載光催化材料，金屬泡沫為塊狀、片狀或柱狀、環(huán)狀整體的金屬泡沫，金屬泡沫如泡沫鋁，鎂鋁合金、也可以是泡沫鐵、鎳或鎳鐵合金鋁，另一類金屬泡沫是采用高分子發(fā)泡泡沫，再在泡沫表面鍍金屬層，化學(xué)鍍或物理鍍均可，如將鍍層的厚度達(dá)到I微米或以上，可使整個(gè)泡沫的表強(qiáng)提高，更適合于制備物品，比重提高。高分子發(fā)泡泡沫材料可以是PU、PP、PS、PE等。
[0014]以上金屬泡沫尤其是采用開孔(通孔)泡沫，發(fā)泡制備時(shí)采用發(fā)泡劑攪拌方式或反應(yīng)型生成泡沫材料，工藝采取趨向于泡沫開孔的工藝方向制備。光催化物質(zhì)以納米級(jí)二氧化鈦為主要代表，但不限于此，也可以是其它任何紫外或可見光光催化材料，目前通常認(rèn)為紫外光的催化效率遠(yuǎn)大于可見光，負(fù)載方式由現(xiàn)有技術(shù)充分公開。如采用鈦酸溶膠和含有銀或鐵或鑭離子鈦酸溶膠負(fù)載并高溫固定。
[0015]本發(fā)明光催化裝置閥控應(yīng)用，液體(水或氣)流沿著負(fù)載光催化物質(zhì)的開孔金屬泡沫的橫截面方向流動(dòng)，進(jìn)行光催化處理，而不平行于負(fù)載光催化材料的表層，紫外燈管與一至二層負(fù)載光催化物質(zhì)的金屬泡沫構(gòu)成一個(gè)光催化水處理單元，液體流可連續(xù)經(jīng)過若干個(gè)光催化水處理單元，待處理水流的充分接觸。光化學(xué)反應(yīng)時(shí)可截?cái)喔鞣N一定分子量的有毒物質(zhì)，分解有毒有害物質(zhì)，至少也使水的可生化性的指標(biāo)有質(zhì)的提高，便于后道進(jìn)行生化處理或它處理，閥控應(yīng)用是指通過閥門將雙向水流按周期(如每周、每天或每工作若干小時(shí))交替的通過具有過濾作用的開孔金屬泡沫的橫截面，雙向水流流向垂直于紫外或可見光源區(qū)，即垂直于直管燈管。
[0016]光催化裝置及其應(yīng)用，水流沿著負(fù)載光催化物質(zhì)的金屬泡沫的橫截面方向流動(dòng)進(jìn)行光催化處理的條件下，負(fù)載光催化物質(zhì)的金屬泡沫的橫截面可以是橫條或圓，負(fù)載光催化物質(zhì)的金屬泡沫的橫截面是圓，則紫外燈管位于圓心的位置。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明金屬泡沫對(duì)光的反射率高，使裝置的有效催化作用的體積增大，作用區(qū)域(厚度)可以達(dá)到IOmm左右或更大，并可以使水流沿著厚度方向流動(dòng)，而使每支紫外燈管的作用于有催化效應(yīng)的體積達(dá)到現(xiàn)有技術(shù)的六至十倍以上，尤其是開孔金屬泡沫，待處理水流的一次流過可全部充分接觸光催化材料，大大增強(qiáng)光催化的效率，從而降低光催化的成本；解決了實(shí)際應(yīng)用所需要的主要問題，閥控應(yīng)用是指通過閥門將雙向水流按周期(如每周、每天或每工作若干小時(shí))交替的通過具有過濾作用的開孔金屬泡沫，可確保長(zhǎng)期運(yùn)行，便于催化劑的沖洗和清潔。裝置及運(yùn)行成本低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2是本發(fā)明另一種結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]如圖1-2所示，負(fù)載光催化物質(zhì)的金屬泡沫1、紫外燈管(光源)2、透明玻璃管3、外殼4、過濾檔板5。紫外燈管外部的透明玻璃管3尤其是采用石英玻璃。圖中箭頭為水流方向。
[0021]水流沿著負(fù)載光催化物質(zhì)的金屬泡沫的橫截面方向流動(dòng)進(jìn)行光催化處理的條件下，負(fù)載光催化物質(zhì)的金屬泡沫的橫截面可以是橫條或圓，或其它波浪形。
[0022]負(fù)載光催化物質(zhì)的金屬泡沫的橫截面是圓，則紫外燈管位于圓心的位置。即金屬泡沫采用金屬泡沫筒結(jié)構(gòu)，中心位置為紫外燈管，石英玻璃管套住紫外燈管，石英玻璃管外壁設(shè)有圈狀刷，針對(duì)圖2可同時(shí)洗刷透明玻璃管3和金屬泡沫筒的內(nèi)壁。金屬泡沫筒有序排列成一至N排M列，M、N為正整數(shù)，N等于2-5，M大于N (參見圖2);如圖2。一個(gè)或排列若干金屬泡沫筒構(gòu)成一個(gè)紫外光催化處理單元，紫外燈電連接處均通過絕緣密封。當(dāng)然單個(gè)金屬泡沫筒的結(jié)構(gòu)是光催化裝置的基礎(chǔ)。
[0023]圖1的負(fù)載光催化物質(zhì)的金屬泡沫I是平板結(jié)構(gòu)，多層圖1結(jié)構(gòu)的光催化單元可以得到疊層的應(yīng)用。
[0024]本發(fā)明可將所有的紫外燈裝在上蓋上，電連接處絕緣密封，上蓋再密封在外殼4上。外殼4上預(yù)先安裝好金屬泡沫筒、塊、波浪條等，也包括安裝清洗刷等。
[0025]金屬泡沫采用1.5-8mm的泡沫孔(更小或更大的泡沫孔亦可)更好，8_10_厚的金屬泡沫的表面積可以是相同面積金屬板的五十倍以上，且為內(nèi)凹結(jié)構(gòu)對(duì)負(fù)載材料的包容和固定性良好。
[0026]納米級(jí)催化材料用多種方法均容易負(fù)載并保持活性，通孔和曲孔直通或反射紫外線均是有效的光源，涂覆的納米級(jí)光催化劑的光催化效果好，且基本不影響金屬基的反射。
[0027]光催化裝置及其應(yīng)用，液體流與紫外或可見光的光源直管垂直的方向，即使待處理的水流的全部均在紫外光照射的條件下充分接觸催化劑，從而使水體的有害物質(zhì)被充分處理，斷開多種有害物質(zhì)分子，使全部需要降解的污染水被處理，也使水的可生化性指標(biāo)有質(zhì)的提高；水流沿著負(fù)載光催化物質(zhì)的圓筒通孔金屬泡沫的橫截面方向流動(dòng)進(jìn)行光催化處理，紫外燈管與負(fù)載光催化物質(zhì)的一層圓筒通孔金屬泡沫構(gòu)成一個(gè)光催化水處理單元，水流可同時(shí)經(jīng)過若干個(gè)光催化水處理單元。
[0028]由此，本發(fā)明也同時(shí)是一過濾器，雙向水流作用時(shí)有助于保持過濾器的的清潔，從而也使光催化作用良好，當(dāng)然在運(yùn)行中必要的表面化學(xué)清潔也沒有超出本發(fā)明的范圍。
[0029]采用鋁金屬泡沫的另一好處是鋁或鋁合金表面的氧化鋁成份本身也是有效的促進(jìn)催化的成份，鐵基金屬亦然。且鋁金屬泡沫具有O。4左右堆重的比重，材料使用經(jīng)濟(jì)，效果良好。采用高分子發(fā)泡泡沫材料可以是PU、PP、PS、PE發(fā)泡的方式，尤其是發(fā)泡時(shí)控制成開孔泡沫，此泡沫通過真空蒸發(fā)鍍膜或其它方式進(jìn)行，也可以電鍍方式在泡沫材料表面鍍成材料。
[0030]本發(fā)明也可以應(yīng)用于光敏化氧化，光激發(fā)氧化，光催化氧化等。如光催化氧化紫外一臭氧聯(lián)用技術(shù)可以氧化臭氧所不能氧化的微污染水中的有機(jī)物，如三氯甲烷、六氯苯、四氯化碳、苯，本發(fā)明的效率比現(xiàn)有裝置的效率高出五倍以上，且裝置便宜。
[0031]本發(fā)明的應(yīng)用比較:采用本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)CN200610098232Ti02*催化劑在蜂窩陶瓷表面負(fù)載的二氧化鈦催化材料降解廢水中的磺胺甲惡唑(CltlH11N3O3S)，負(fù)載催化材料的金屬鋁泡沫的體積與蜂窩陶瓷相同:100W的紫外燈，選擇水中典型難降解的磺胺甲惡唑作為目標(biāo)降解物?；前芳讗哼蛩芤旱某跏紳舛葹?.03mmol L—1，實(shí)驗(yàn)過程中，同樣采用充氣(氧)曝氣。整個(gè)光照反應(yīng)在密閉不透光的環(huán)境下進(jìn)行。結(jié)果表明在分別照射20分鐘和240分鐘后，磺胺甲惡唑的去除率達(dá)到90%。
[0032]雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識(shí)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動(dòng)與潤(rùn)飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種光催化裝置，其特征是包括在紫外或可見光照射以金屬泡沫上負(fù)載光催化材料。
2.由權(quán)利要求1所述的光催化裝置，其特征是，金屬泡沫為片狀、柱狀或環(huán)狀的金屬泡沫，金屬泡沫是泡沫鋁、泡沫鎂鋁合金、泡沫鐵、鎳或鎳鐵合金。
3.由權(quán)利要求1所述的光催化裝置，其特征是金屬泡沫是采用高分子發(fā)泡泡沫，再在泡沫表面鍍金屬層。
4.由權(quán)利要求3所述的光催化裝置，其特征是金屬鍍層的厚度達(dá)到I微米以上。
5.由權(quán)利要求1-4之一所述的光催化裝置，其特征是所述金屬泡沫為開孔金屬泡沫。
6.由權(quán)利要求5所述的光催化裝置，其特征是金屬泡沫采用金屬泡沫筒結(jié)構(gòu)，中心位置為紫外燈管，石英玻璃管套住紫外燈管，石英玻璃管外壁設(shè)有圈狀刷；金屬泡沫筒有序排列成一至N排M列，M、N為正整數(shù)。
7.由權(quán)利要求5所述的光催化裝置，其特征是將所有的紫外燈裝在上蓋上，電連接處絕緣密封，上蓋再密封在外殼上；外殼上預(yù)先安裝好金屬泡沫筒、塊、波浪條。
8.由權(quán)利要求5所述的光催化裝置，其特征是金屬泡沫采用1.5-8_的泡沫孔。
9.由權(quán)利要求5-8之一所述的光催化裝置的閥控應(yīng)用，其特征是液體流沿著負(fù)載光催化物質(zhì)的開孔金屬泡沫的橫截面方向流動(dòng)，進(jìn)行光催化處理，紫外燈管與一至二層負(fù)載光催化物質(zhì)的金屬泡沫構(gòu)成一個(gè)光催化水處理單元，液體流可連續(xù)經(jīng)過若干個(gè)光催化水處理單元；通過閥門將雙向水流按周期交替的通過具有過濾作用的開孔金屬泡沫的橫截面，雙向水流流向垂直于紫外或可見光源區(qū)，即垂直于直管燈管。
10.由權(quán)利要求9所述的光催化裝置的閥控應(yīng)用，其特征是水流沿著金屬泡沫筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行光催化處理時(shí)，同時(shí)進(jìn)行曝氣。
【文檔編號(hào)】B01J19/12GK103638889SQ201310737817
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】廖元琨, 鄒德滿 申請(qǐng)人:廖元琨