申请日2018.10.25
公开(公告)日2019.01.22
IPC分类号C02F1/30; C02F1/72; B01J31/28; C02F103/30; C02F101/30
摘要
本发明公开一种用于降解印染废水的光催化装置，包括池体，池体中竖直设有至少两块光源安装板，光源安装板将池体分隔成多个混流室，混流室中竖直穿设有搅拌轴，搅拌轴上设有至少一个旋流叶片组件，搅拌轴的下端穿出池体后固套有皮带轮，多个皮带轮上套设有同一个皮带。与现有技术相比，本发明包括同时进行的光催化和芬顿氧化，利用多个混流室延长废水的停留时间，通过改变搅拌轴的旋转方向，带动旋流叶片既转动，又不断改变搅拌范围，实现污水在装置中的旋流反应，促使光催化剂和双氧水充分反应，生成·OH，利用包含光源的光源安装板作为隔板，保障光源的有效照射范围;光催化剂具有可见光响应频率范围宽，光转换效率高和稳定性好的特点。
权利要求书
1.一种用于降解印染废水的光催化装置，其特征在于：包括池体(1)，所述池体(1)中竖直设有至少两块光源安装板(2)，所述光源安装板(2)中设有光源(2a)，所述光源安装板(2)将所述池体(1)分隔成多个混流室，所述混流室中竖直穿设有搅拌轴(3)，所述搅拌轴(3)上设有至少一个旋流叶片组件，所述搅拌轴(3)的下端穿出所述池体(1)后固套有皮带轮(4)，多个所述皮带轮(4)上套设有同一个皮带(5);
所述旋流叶片组件包括正对设置的旋流叶片(6)，两个所述旋流叶片(6)分别与所述搅拌轴铰接，两个所述旋流叶片(6)连接有同一个叶片驱动装置(7)，所述旋流叶片(6)的表面涂覆有复合光催化剂，所述复合光催化剂由5-磺基水杨酸铁(III)负载在核/壳型Fe3O4@MOF磁性载体上而成。
2.根据权利要求1所述的用于降解印染废水的光催化装置，其特征在于：所述叶片驱动装置(7)包括定位套筒(71)和连接斗(72)，所述搅拌轴(3)上设有外螺纹(3a)，所述定位套筒(71)与所述搅拌轴(3)螺纹连接，所述定位套筒(71)的上筒口与所述连接斗(72)的下开口固定连接，所述连接斗(72)通过滑动件(8)与所述旋流叶片(6)滑动连接。
3.根据权利要求2所述的用于降解印染废水的光催化装置，其特征在于：所述滑动件(8)包括导向滑块(81)，所述旋流叶片(6)的下表面开设有滑槽(82)，所述滑槽(82)中滑动连接有所述导向滑块(81)，所述导向滑块(81)与所述连接斗(72)的上开口铰接。
4.根据权利要求1-3任一项所述的用于降解印染废水的光催化装置，其特征在于：所述搅拌轴(3)的上部设有三个所述旋流叶片组件，所述混流室中设有曝气组件(9)，所述曝气组件(9)与所述搅拌轴(3)的下部转动连接。
5.根据权利要求4所述的用于降解印染废水的光催化装置，其特征在于：所述曝气组件(9)包括固定连接的上曝气盘(91)和下进气接头(92)，上曝气盘(91)和下进气接头(92)上开设有同一个通孔，所述搅拌轴(3)与所述通孔轴承连接，所述下进气接头(92)固定穿设在所述池体(1)的底板上，所述上曝气盘(91)上设有多个曝气头，所述下进气接头(92)管道连接有高压气源。
6.根据权利要求1、2、3或5任一项所述的用于降解印染废水的光催化装置，其特征在于：所述光源安装板(2)有三块，所述光源安装板(2)的上部开设有导液孔(2b)，所述池体(1)的顶部开设有进水口(1a)和出水口(1b)，所述进水口(1a)和出水口(1b)分别位于两个外侧的混流室中。
7.根据权利要求6所述的用于降解印染废水的光催化装置，其特征在于：所述述复合光催化剂以下方法制备：将FeCl3置于乙二醇中，搅拌溶解后加入无水醋酸钠，继续搅拌至完全溶解后，将体系温度升至170-300℃，反应5-12h，反应结束后，将沉淀物分离、洗涤、干燥，得到磁性纳米微球，将磁性纳米微球加入质量浓度为0.02-0.1mol/L的巯基乙酸的乙醇溶液中，在25℃下微波反应0.5-2h，反应结束后，将沉淀物分离、洗涤、干燥，即得到所述巯基化Fe3O4纳米球;将所述巯基化Fe3O4纳米球加入FeCl3的乙醇溶液，超声分散2-10min，然后在水浴65～80℃条件下，搅拌反应10-30min，反应结束后，将沉淀物分离、乙醇洗涤后，加入均苯三甲酸的乙醇溶液，超声分散2-10min，然后在水浴65～80℃条件下，搅拌反应10-30min，反应结束后，将沉淀物分离、乙醇洗涤后，巯基化Fe3O4纳米球外包覆有单层MOF，重复多次，直到巯基化Fe3O4纳米球外包覆有多层MOF，形成所述核/壳型Fe3O4@MOF;将九水硝酸铁溶解于稀硝酸中得到质量浓度为0.02-0.1mol/L的硝酸铁溶液，然后在室温下，将5-磺基水杨酸搅拌加入硝酸铁溶液中，调节溶液的pH值为3.0-5.0后，将核/壳型Fe3O4@MOF加入体系中，室温下搅拌反应18-30h，反应结束后，将沉淀物分离、洗涤、在25℃下真空干燥，得到所述复合光芬顿催化剂。
8.根据权利要求7所述的用于降解印染废水的光催化装置，其特征在于：所述FeCl3、无水醋酸钠和乙二醇的质量体积比为(1-5)g：(5-12)g：100ml。
9.根据权利要求7或8所述的用于降解印染废水的光催化装置，其特征在于：所述FeCl3乙醇溶液的质量浓度为0.5-5mol/L，所述均苯三甲酸乙醇溶液的质量浓度为0.5-5mol/L;所述MOF层为10-40层。
10.根据权利要求9所述的用于降解印染废水的光催化装置，其特征在于：所述九水硝酸铁和5-磺基水杨酸的摩尔比为1：(1.5-2.5);所述九水硝酸铁与核/壳型Fe3O4@MOF的摩尔质量比为(0.02-0.1)mmol：(0.8-1.5)g。
说明书
用于降解印染废水的光催化装置
技术领域
本发明涉及有机废水处理领域，特别涉及一种用于降解印染废水的光催化装置。
背景技术
我国是纺织印染业大国，纺织印染业不仅用水量巨大，废水排放量也不小。据统计平均每生产1kg产品需消耗0.2～0.5m3水，目前我国印染废水的排放总量约占整个工业废水量的35%。印染废水较难处理是因为其具有成分十分复杂、色度、有机物含量高等水质特点，加上印染过程中使用的多种染料、助剂等具有很强的毒性，进而难以被生物利用降解。近年来，随着印染行业的飞速发展，新型染料及助染剂被大量的开发与应用，使得印染废水的处理难度也在不断升高。
对于此类废水的处理，生化法处理效果并不理想，一般很难达到相关标准的要求，活性炭吸附法对有机物去除效果显著，但活性炭吸附容量有限，吸附饱和后再生困难，导致运行费用偏高;光催化技术具有高效、稳定、无二次污染以及适用各类有机污染物降解等突出优点，是高级氧化法中很有应用前景的技术之一，但以往的光催化技术大部分采用紫外光作为激发源，成本高，光利用效率较低，而且自然太阳光中紫外光仅占<5%，利用太阳能光催化处理废水中难降解的有机污染物已引起国内外学者的普遍关注;芬顿反应常用于水中难降解有机污染物的处理，其利用二价铁离子和双氧水产生强氧化性的羟基自由基将有机分子彻底氧化，是一种环境友好的绿色催化工艺。但芬顿反应通常在均相下进行，但对反应体系的pH值要求苛刻，并且还存在催化剂难以分离与回收、铁离子流失造成二次污染等缺点，这些问题和缺点的存在大大限制了芬顿反应在降解水中有机污染物中的应用;若将光催化技术与类芬顿技术耦合，也就是光类芬顿技术，能够有效解决类芬顿技术的缺陷，并能表现出更高的催化活性。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种用于降解印染废水的光催化装置，解决了现有催化氧化处理存在降解效率低，能耗高、二次污染大，不能应对污水指标大幅度波动问题。
本发明采用的技术方案如下：一种用于降解印染废水的光催化装置，关键在于：包括池体，所述池体中竖直设有至少两块光源安装板，所述光源安装板中设有光源，所述光源安装板将所述池体分隔成多个混流室，所述混流室中竖直穿设有搅拌轴，所述搅拌轴上设有至少一个旋流叶片组件，所述搅拌轴的下端穿出所述池体后固套有皮带轮，多个所述皮带轮上套设有同一个皮带;
所述旋流叶片组件包括正对设置的旋流叶片，两个所述旋流叶片分别与所述搅拌轴铰接，两个所述旋流叶片连接有同一个叶片驱动装置，所述旋流叶片的表面涂覆有复合光催化剂，所述复合光催化剂由5-磺基水杨酸铁(III)负载在核/壳型Fe3O4@MOF磁性载体上而成。
优选的，所述叶片驱动装置包括定位套筒和连接斗，所述搅拌轴上设有外螺纹，所述定位套筒与所述搅拌轴螺纹连接，所述定位套筒的上筒口与所述连接斗的下开口固定连接，所述连接斗通过滑动件与所述旋流叶片滑动连接。
优选的，所述滑动件包括导向滑块，所述旋流叶片的下表面开设有滑槽，所述滑槽中滑动连接有所述导向滑块，所述导向滑块与所述连接斗的上开口铰接。
优选的，所述搅拌轴的上部设有三个所述旋流叶片组件，所述混流室中设有曝气组件，所述曝气组件与所述搅拌轴的下部转动连接。
优选的，所述曝气组件包括固定连接的上曝气盘和下进气接头，上曝气盘和下进气接头上开设有同一个通孔，所述搅拌轴与所述通孔轴承连接，所述下进气接头固定穿设在所述池体的底板上，所述上曝气盘上设有多个曝气头，所述下进气接头管道连接有高压气源。
优选的，所述光源安装板有三块，所述光源安装板的上部开设有导液孔，所述池体的顶部开设有进水口和出水口，所述进水口和出水口分别位于两个外侧的混流室中。
优选的，所述复合光催化剂以下方法制备：将FeCl3置于乙二醇中，搅拌溶解后加入无水醋酸钠，继续搅拌至完全溶解后，将体系温度升至170-300℃，反应5-12h，反应结束后，将沉淀物分离、洗涤、干燥，得到磁性纳米微球，将磁性纳米微球加入质量浓度为0.02-0.1mol/L的巯基乙酸的乙醇溶液中，在25℃下微波反应0.5-2h，反应结束后，将沉淀物分离、洗涤、干燥，即得到所述巯基化Fe3O4纳米球;将所述巯基化Fe3O4纳米球加入FeCl3的乙醇溶液，超声分散2-10min，然后在水浴65～80℃条件下，搅拌反应10-30min，反应结束后，将沉淀物分离、乙醇洗涤后，加入均苯三甲酸的乙醇溶液，超声分散2-10min，然后在水浴65～80℃条件下，搅拌反应10-30min，反应结束后，将沉淀物分离、乙醇洗涤后，巯基化Fe3O4纳米球外包覆有单层MOF，重复多次，直到巯基化Fe3O4纳米球外包覆有多层MOF，形成所述核/壳型Fe3O4@MOF;将九水硝酸铁溶解于稀硝酸中得到质量浓度为0.02-0.1mol/L的硝酸铁溶液，然后在室温下，将5-磺基水杨酸搅拌加入硝酸铁溶液中，调节溶液的pH值为3.0-5.0后，将核/壳型Fe3O4@MOF加入体系中，室温下搅拌反应18-30h，反应结束后，将沉淀物分离、洗涤、在25℃下真空干燥，得到所述复合光芬顿催化剂。
优选的，所述FeCl3、无水醋酸钠和乙二醇的质量体积比为(1-5)g：(5-12)g：100ml。
优选的，所述FeCl3乙醇溶液的质量浓度为0.5-5mol/L，所述均苯三甲酸乙醇溶液的质量浓度为0.5-5mol/L;所述MOF层为10-40层。
优选的，所述九水硝酸铁和5-磺基水杨酸的摩尔比为1：(1.5-2.5);所述九水硝酸铁与核/壳型Fe3O4@MOF的摩尔质量比为(0.02-0.1)mmol：(0.8-1.5)g。
有益效果：与现有技术相比，本发明包括同时进行的光催化和芬顿氧化，充分发挥光催化氧化和芬顿氧化的协同效应，产生氧化电势极高的自由基，促进污水中有机物的分解，同时具有操作简便、二次污染小、适应范围广等优点，能够作为生物降解的预处理段或单独作为反应段;
本发明的装置利用多个混流室，延长废水在装置中的停留时间，利用鼓风机，将空气输送至曝气盘内，最终通过曝气头排入底层污水中，对底层污水进行曝气，通过改变搅拌轴的旋转方向，使定位套筒沿着搅拌轴上下运动，从而带动旋流叶片既随着搅拌轴转动，不断改变搅拌范围，使光催化剂、气泡和污水不断碰撞、摩擦形成旋流，促使光催化剂和双氧水充分反应，生成高氧化电势的自由基，促使污水中有机物分解，使污水与气泡混合更加充分，增大气泡与污水的接触面积，使污水与气泡混合更加充分，进一步提高曝气效率，利用包含光源的光源安装板作为隔板，充分保障光源的有效照射范围，确保光催化反应有充足的光照和催化强度，促使各种有机污染物能有效被断链、破环，大大提高生化性;
复合催化剂具有可见光响应频率范围宽，光转换效率高、溶液pH适用范围宽、选择性好、抗干扰能力强且可重复利用等优势;将Fe3O4上从内到外依次包裹MOF和5-磺基水杨酸铁(III)，5-磺基水杨酸铁(III)在可见光激发下，被激发形成过渡态，Fe2+迅速游离到水溶液中，与双氧水产生强氧化性的·OH，生成的Fe3+再次与配体络合，再次循环利用，其类氢醌结构可以根据铁离子催化循环的各个阶段灵活地开关铁在两相间的穿行，使得产生的·OH在水相，而Fe3+行动却被限制在固相，具有非常高的H2O2利用率;将MOF包覆在Fe3O4上形成核/壳型磁性载体，具有高比表面积，并且与阳离子有机染料之间有强静电相互作用，两者协同作用既能将有机污染物快速吸附在催化剂表面，又经过一系列催化剂表面-溶液间的链传动过程，一方面直接降解催化剂表面吸附的有机污染物，同时一部分·OH脱附催化剂表面对废水中的有机污染物进行氧化降解，有效提高反应效率，节省氧化剂耗量;通过外界磁场可以快速将催化剂从溶液中分离，从而实现催化剂的回收再利用，大大降低了废水处理成本;明显提高阳离子有机染料的去除率，较小的催化剂投加量就可以取得良好的催化臭氧效果。