申请日2018.07.18
公开(公告)日2018.12.21
IPC分类号C02F1/30; C02F9/08; C02F101/30
摘要
本发明涉及一种便携式处理有机废水的光催化反应器，包括转轴和若干个光催化板，若干个光催化板与转轴的管壁交错连接，光催化剂板由基板和包覆在基板表面的光催化反应凝胶膜组成，光催化反应凝胶膜包含光催化反应位点和极性基团，光催化反应位点的周围区域为强吸附极性基团区域，强吸附极性基团区域与非强吸附极性基团区域的电荷均为正或均为负，强吸附极性基团区域的电位高于非强吸附极性基团区域的电位，强吸附极性基团区域由强吸附极性基团构成或由弱吸附极性基团集聚构成。本发明的光催化反应器具有催化效率高、负载的催化剂不易脱落、结构简单和便于携带使用等优点，适合处理范围小的高浓度有机废水，有极好的推广价值。
权利要求书
1.一种便携式处理有机废水的光催化反应器，包括转轴和若干个光催化板，若干个光催化板与转轴的管壁交错连接，其特征是：
所述光催化剂板由基板和包覆在基板表面的光催化反应凝胶膜组成，所述光催化反应凝胶膜包含光催化反应位点和极性基团，所述光催化反应位点的周围区域为强吸附极性基团区域;
所述强吸附极性基团区域与非强吸附极性基团区域的电荷均为正或均为负;
所述强吸附极性基团区域的电位高于非强吸附极性基团区域的电位;
所述强吸附极性基团区域由强吸附极性基团构成或由弱吸附极性基团集聚构成。
2.根据权利要求1所述的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，其特征在于，便携式处理有机废水的光催化反应器还包括透光的圆柱形壳体、曝气管、通气口和鼓风泵，圆柱形壳体的两端分别开有进水口和出水口，进水口上安装有过滤网，圆柱形壳体顶部设有与外界连通的通气口，曝气管一端与壳体外的鼓风泵连接，另一端穿过圆柱形壳体的侧壁进入壳体内部;所述基板为圆形，所述转轴的转速为10～30转/分钟;所述光催化反应凝胶膜的厚度为1.5～2.0mm;所述交错连接是指光催化板等距多层排列，其间距为20～30cm，共有5层。
3.根据权利要求2所述的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，其特征在于，所述曝气管的曝气速率为20～150mL/min;所述便携式处理有机废水的光催化反应器采用太阳光或LED灯作为光源，所述LED灯为100W氙灯，LED灯布置在圆柱形壳体的内侧壁上。
4.根据权利要求1所述的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，其特征在于，所述弱吸附极性基团与非强吸附极性基团区域的极性基团为相同的极性基团。
5.根据权利要求1或4所述的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，其特征在于，所述光催化反应凝胶膜主要由基材和光催化反应体系组成;
所述基材为具有孔隙的网状凝胶，所述基材上含有吸附位点，所述基材的吸附位点吸附光催化反应体系并将其固定在孔隙内;
所述基材含有非强吸附极性基团;
所述光催化反应体系含有极性基团和光催化反应位点，光催化反应体系中的极性基团为强吸附极性基团或弱吸附极性基团。
6.根据权利要求5所述的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，其特征在于，所述光催化反应凝胶膜中光催化反应体系的含量为2.37～2.47wt%，所述基材为高分子水凝胶薄膜，其吸水率为88～92%;所述非强吸附极性基团为-COO-。
7.根据权利要求6所述的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，其特征在于，所述高分子水凝胶薄膜的材质为海藻酸钠、海藻酸钾、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钾、单羧基壳聚糖、单羧基壳聚糖钠、香菇多糖、香菇多糖钠、木糖、木糖钠或羧甲基淀粉。
8.根据权利要求5所述的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，其特征在于，所述光催化反应体系主要由催化剂和包裹层组成，包裹层包裹在催化剂的表面，所述催化剂表面含有光催化反应位点，所述包裹层形成强吸附极性基团区域，所述催化剂与包裹层的质量比为1.40～12.46:100。
9.根据权利要求8所述的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，其特征在于，所述催化剂为纳米银、纳米二氧化钛、纳米氧化锌或掺杂纳米二氧化钛，所述催化剂的平均粒径为：纳米银6～22nm，纳米二氧化钛、纳米氧化锌或掺杂纳米二氧化钛10～30nm。
10.根据权利要求8所述的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，其特征在于，所述包裹层由游离的油酸铵络合物的烷基链与吸附在催化剂表面的油酸铵络合物的烷基链相互穿插形成;所述光催化反应体系中的极性基团为油酸铵端基电离形成的基团。
说明书
一种便携式处理有机废水的光催化反应器
技术领域
本发明属于有机废水处理装置领域，涉及一种便携式处理有机废水的光催化反应器。
背景技术
近年来，研究人员对半导体光催化剂的研究取得了重大进展，在可见光下有催化性能的光催化剂已成为目前最引人注目的环境净化材料，其被广泛应用于环境保护的各个领域，例如处理废水中的染料或农药等有机污染物的有机废水处理领域。
传统的光催化降解水中的有机物方法是将催化剂颗粒分散到反应体系中，充分利用纳米颗粒巨大的比表面积催化分解污水中的污染物，以达到净化污水的目的，但利用这种悬浮液形式的光催化反应器，反应需要的时间长，且反应体系中的纳米颗粒很难被回收，将催化剂从污水中分离和回收的后期处理过程花费昂贵，除此之外，分散的催化剂和溶解的有机物，使得紫外光线的穿透性受到限制，光散射导致的低辐射利用率以及传质作用限制了光催化反应器的整体的污水处理能力，催化剂有可能钝化或被洗出，因此，这种形式的光催化反应器难以得到广泛的推广应用。研究人员开始研究将纳米尺度的光催化材料负载嵌入基材的内部，而不是分散在外表层，这样可以使催化剂直接接触流动的液体，且可有效降低催化剂的洗出机率，采用具有高吸附性(量)的基材，还可提高从废水中去除有机污染物的效率，避免了将催化剂分离的后处理过程。以往学者研究了将TiO2混合进固定的载体中，如玻璃、不锈钢、纤维、碳纳米管和聚合物，但这些固载方法都有着各种各样的问题，如催化剂容易剥离、兼容性差以及复合材料的柔韧性差等。
研究资料表明，目前已有的专利涉及的多种类型的光催化反应器比如平板型和浅池型结构的光催化反应器，其已被用于光降解研究和水处理研究中，并取得了一些成功，但是也存在一些缺点，比如占地面积大、水利复合小、使用人造光源和操作不方便等。特别是处理小范围溶度高的有机废水时，由于大型设备不适宜运用，因此，给有机废水的处理带来了一定的困难。
因此，研究一种催化效率高、负载的催化剂不易脱落、结构简单且便于携带使用的光催化反应器具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术中存在的问题，提供一种催化效率高、负载的催化剂不易脱落、结构简单且便于携带使用的光催化反应器，该反应器可有效解决现有技术中广泛存在的工艺流程复杂、设备多和二次污染等问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种便携式处理有机废水的光催化反应器，包括转轴和若干个光催化板，若干个光催化板与转轴的管壁交错连接，所述光催化剂板由基板和包覆在基板表面的光催化反应凝胶膜组成，所述光催化反应凝胶膜包含光催化反应位点和极性基团，所述光催化反应位点的周围区域为强吸附极性基团区域，光催化反应凝胶膜中强吸附极性基团区域以外的区域为非强吸附极性基团区域;
所述强吸附极性基团区域与非强吸附极性基团区域的电荷均为正或均为负;
所述强吸附极性基团区域的电位高于非强吸附极性基团区域的电位;
所述强吸附极性基团区域由强吸附极性基团构成或由弱吸附极性基团集聚构成。
本发明的光催化反应凝胶膜，非强吸附极性基团区域为吸附-富集区域，可吸附并储存大量分散环境下的有机污染分子，强吸附极性基团区域为吸附-反应区域，可吸附并催化有机污染分子降解，当光催化反应位点上的有机污染分子反应完成后，由于强吸附极性基团区域的电位高于非强吸附极性基团区域的电位，薄膜载体上非强吸附极性基团区域吸附的有机污染物分子在浓度梯度和静电引力的作用下，可自发迁移到强吸附极性基团区域包裹的光催化反应位点上，达到继续进行反应的效果，极大的提高了反应效率。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，便携式处理有机废水的光催化反应器还包括透光的圆柱形壳体、曝气管、通气口和鼓风泵，圆柱形壳体的两端分别开有进水口和出水口，进水口上安装有过滤网，圆柱形壳体顶部设有与外界连通的通气口，曝气管一端与壳体外的鼓风泵连接，另一端穿过圆柱形壳体的侧壁进入壳体内部;所述基板为圆形，所述转轴的转速为10～30转/分钟;所述光催化反应凝胶膜的厚度为1.5～2.0mm;所述交错连接是指光催化板等距多层排列，其间距为20～30cm，共有5层。光催化板的层数以及间距包括但不限于此，工作人员可根据实际情况进行调整。
如上所述的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，所述曝气管的曝气速率为20～150mL/min，通过曝气实现有机物与光催化反应所使用的催化剂的表面的充分接触，曝气可以传热传质，也可以为光催化反应提供足够的氧;所述便携式处理有机废水的光催化反应器采用太阳光或LED灯作为光源，所述LED灯为100W氙灯，LED灯布置在圆柱形壳体的内侧壁上。在日照正常的情况下，可直接运用太阳光进行反应，在特殊天气或者光源不足的情况下可运用LED灯等人工光源进行反应。
如上所述的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，所述弱吸附极性基团与非强吸附极性基团区域的极性基团为相同的极性基团。
如上所述的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，所述光催化反应凝胶膜主要由基材和光催化反应体系组成;
所述基材为具有孔隙的网状凝胶，所述基材上含有吸附位点，所述基材的吸附位点吸附光催化反应体系并将其固定在孔隙内;
所述基材含有非强吸附极性基团;
所述光催化反应体系含有极性基团和光催化反应位点，光催化反应体系中的极性基团为强吸附极性基团或弱吸附极性基团。
如上所述的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，所述光催化反应凝胶膜中光催化反应体系的含量为2.37～2.47wt%，所述基材为高分子水凝胶薄膜，其吸水率为88～92%;所述非强吸附极性基团为-COO-。
如上所述的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，所述高分子水凝胶薄膜的材质为海藻酸钠、海藻酸钾、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钾、单羧基壳聚糖、单羧基壳聚糖钠、香菇多糖、香菇多糖钠、木糖、木糖钠或羧甲基淀粉。
如上所述的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，光催化反应体系为胶束包覆的纳米粒子聚集体，稳定性由ζ电位判定，当其绝对值大于30mV，为稳定的胶束体系，所述光催化反应体系主要由催化剂和包裹层组成，包裹层包裹在催化剂的表面，所述催化剂表面含有光催化反应位点，所述包裹层形成强吸附极性基团区域，所述催化剂与包裹层的质量比为1.40～12.46:100。
如上所述的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，所述催化剂为纳米银、纳米二氧化钛、纳米氧化锌或掺杂纳米二氧化钛，所述催化剂的平均粒径为：纳米银6～22nm，纳米二氧化钛、纳米氧化锌或掺杂纳米二氧化钛10～30nm。
如上所述的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，所述包裹层由游离的油酸铵络合物的烷基链与吸附在催化剂表面的油酸铵络合物的烷基链相互穿插形成;所述光催化反应体系中的极性基团为油酸铵端基电离形成的基团。
利用本发明的光催化反应器处理有机废水的具体过程为：
待处理的有机废水先经过反应器进水口的过滤网进行预处理，以除掉较大的颗粒物，滤液流进反应器中后通过20～150mL/min速度的曝气作用，使废水与催化剂充分并且反复接触，接着通过可见光的照射作用，将有机废水降解并矿化为水和二氧化碳，最后在曝气作用的带动下，从反应器另一端的出水口排出，与此同时新的废水也输入反应器中继续进行反应。
有益效果：
(1)本发明的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，体积小，方便携带，适合处理范围小的高浓度有机废水;
(2)本发明的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，将光催化反应凝胶膜与圆形基板组合形成光催化剂圆盘(即光催化剂板)，光催化的有效面积大，加强了催化效率，便于回收利用;
(3)本发明的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，与光催化剂结合的高分子水凝胶薄膜为有传输电子能力(导电能力)的材料，从而降低了光催化剂中电子和空穴的复合速率，使其降解效果达到更佳;
(4)本发明的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，在光催化反应体系中，凝胶薄膜材料具有富集和储存的作用，相较于水溶液环境下直接进行反应，凝胶薄膜体系可储存大量的处于均匀分散环境下的待反应分子，极大的提高了反应效率;
(5)本发明的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，光催化反应凝胶膜自身透光性好，相比于水体内部反应，减少了污水及催化剂载体自身对光线的阻挡作用，可使光照效果最大化;
(6)本发明的一种便携式处理有机废水的光催化反应器，在水溶液环境下，当负载催化剂上的有机污染物分子反应完成后，薄膜载体上吸附的有机污染物分子在浓度梯度和静电引力的作用下，可自发迁移到纳米催化剂吸附位点上，达到继续进行反应的效果，使反应可以持续不断的进行，反应中的负载催化剂不易脱落，反应后的凝胶膜可以多次回收，重复利用，降低了生产成本，有极好的工业推广价值。