1.本实用新型涉及一种搅拌器、用于降解水中抗生素的反应装置及降解系统。
背景技术:2.随着大量抗生素在兽医临床和畜牧养殖业中的应用,水体环境中含有大量难降解抗生素,对人类健康和生态系统存在危害。目前,最值得关注的是残留在水体中的磺胺类药物(sulfonamides, sas)和氟喹诺酮类抗菌药(fqs)等抗生素。sas是指具有对氨基苯磺酰胺结构的一类药物的总称,其通过干扰细菌的酶系统对氨基苯甲酸的利用而发挥抑菌作用,后者是微生物生长必需物质叶酸的组成部分。由于其抗菌谱广,价格低廉,目前仍是兽医临床和畜牧养殖业中最常用的药物添加剂之一,其在水体中的残留带来了食品安全和环境污染等系列问题。氟喹诺酮类抗菌药(fqs)由于抗菌谱广、抗菌活性强、体内分布广,组织浓度高等优点,在近些年来在养殖业中广泛使用。氟喹诺酮类抗生素(fqs)在环境中即使痕量存在也会对人体健康甚至整个生态系统存在潜在危害,如何加速水体中fqs的降解,降低环境中的fqs污染正受到各国学者的高度关注。
3.目前,光降解是有效降解水环境中的sas和fqs的降解方式之一,但在自然环境中发生的光降解速度慢、转化率低,因此考虑引入光催化剂加快降解速率。光催化技术具有廉价、无二次污染等优点,且光催化技术由太阳光作为驱动,成本较低、条件温和,这对于新型能源的开发和环境的治理都有重要作用。此外,光催化能将许多物质降解得十分彻底,最终产物除了二氧化碳和水外,初始污染物中含有的卤素、硫、磷和氮等分别被转化为x
‑
、so
42
‑
、po
43
‑
、no3‑
等无机盐离子,大大减轻甚至完全消除了其危害性。
4.但是,目前用于降解水中抗生素的装置的降解能力有限,经处理后的水体中的抗生素及一些其他有机物未得到有效降解。
技术实现要素:5.针对现有技术存在的不足,本实用新型的目的是提供一种有效降解水中抗生素的搅拌器、反应装置及降解系统。
6.为达到上述目的,本实用新型采用的技术方案是:
7.本发明提供了一种搅拌器,包括
8.搅拌轴,所述的搅拌轴的内部具有第一容纳空间,
9.第一搅拌体,所述的第一搅拌体与所述的搅拌轴的端部相固定连接,所述的第一搅拌体的内部具有第二容纳空间,所述的第二容纳空间和所述的第一容纳空间相连通,
10.第二搅拌体,所述的第二搅拌体与所述的第一搅拌体相固定连接,所述的第二搅拌体的内部具有第三容纳空间,所述的第三容纳空间和所述的第二容纳空间相连通,
11.可见光发生装置,所述的可见光发生装置设置于所述的第一容纳空间、所述的第二容纳空间和所述的第三容纳空间内,
12.所述的搅拌轴、所述的第一搅拌体、所述的第二搅拌体为石英玻璃材质,且外表面
形成有光催化剂膜。
13.优选地,所述的光催化剂为cuwo4、gc3n4、mos2中的一种或多种。
14.进一步优选为钨酸铜,钨酸铜的禁带宽度约为2.2ev,能吸收约560nm的可见光,可以弥补紫外光催化过程中的带宽限制问题。
15.本实用新型中,钨酸铜通过常规方法制得获得,例如通过乙酸铜一水合物(c4h6cuo4·
h2o) 和二水钨酸钠(na2wo4·
2h2o)制备而成。
16.优选地,所述的可见光发生装置为光纤灯。
17.进一步优选地,所述的搅拌轴上设有使光纤灯通入搅拌器内部的开口。
18.根据一种具体且优选地实施方案,所述的搅拌器包括一个搅拌轴、一个第一搅拌体和多个第二搅拌体,所述的第一搅拌体呈圆柱体型,所述的搅拌轴和所述的第二搅拌体呈长方体型,所述的搅拌轴和所述的第二搅拌体等间距均匀地分布在所述的第一搅拌体的曲面上并向外延伸,所述的搅拌轴在所述的第一搅拌体径向方向上的延伸长度大于所述的第二搅拌体。
19.采用上述结构的搅拌器能够增大搅拌器与水体的接触面积,从而增大水体与光接触面积,提高光降解效果。
20.本发明第二方面还提供种用于降解水中抗生素的反应装置,包括反应容器,所述的反应容器中安装有所述的搅拌器。
21.本实用新型的反应装置在使用时,待处理水体通入反应容器中,搅拌体浸入水面以下且在旋转时保证其不会与容器内壁发生碰撞。
22.本实用新型的搅拌器可通过电驱动实现自动搅拌。
23.优选地,所述的反应装置还包括微波反应器,所述的反应容器置于所述的微波反应器中。
24.微波具有加热快速、均质与高选择性的优点,在光催化剂的基础上加入微波条件,可以进一步提高降解效果。
25.本发明第三方面还提供一种用于降解水中抗生素的降解系统,包括依次连接的进样装置、所述的反应装置、用于水质检测的检测装置。
26.优选地,所述的进样装置包括盛装有待处理样品的第一容器,盛装有用于稀释所述待处理样品的蒸馏水的第二容器,与所述的第一容器、所述的第二容器及所述的反应装置的进口相连通的用于提供使所述的第一容器和所述的第二容器中的液体进入所述的反应装置中的动力的第一泵;所述的反应装置的出口与所述的检测装置相连接;所述的检测装置包括用于检测水质 bod5值、cod值、ph值、toc值中的至少一项的第一检测系统和/或用于检测反应后的样品中的抗生素的第二检测系统。
27.进一步优选地,所述的进样装置还包括与所述的第一泵相连接的第一六通阀,两端分别与所述的第一六通阀相连接的第一定量环,与所述的第一六通阀相连接的第三容器,与所述的第一六通阀相连接的第二泵,所述的第一六通阀还与所述的反应装置的进口相连接;
28.所述的第一六通阀具有第一工作状态和第二工作状态,
29.当所述的第一六通阀处于第一工作状态时,所述的第一容器和所述的第二容器与所述的第一泵相连通,所述的第一泵通过所述的第一六通阀和所述的第一定量环的一端相
连通,所述的第一定量环的另一端通过所述的第一六通阀和所述的第三容器相连通;
30.当所述的第一六通阀处于第二工作状态时,所述的第二泵通过所述的第一六通阀与所述的第一定量环的一端相连通,所述的第一定量环的另一端通过所述的第一六通阀和所述的反应装置的进口相连通;
31.所述的检测装置还包括与所述的反应装置的出口相连接的第二六通阀,两端分别与所述的第二六通阀相连接的第二定量环,与所述的第二六通阀相连接的第三泵,所述的第二六通阀还与所述的第一检测系统相连接,所述的第二六通阀还与所述的第二检测系统相连接;
32.所述的第二六通阀具有第一工作状态和第二工作状态,
33.当所述的第二六通阀处于第一工作状态时,所述的反应装置的出口通过所述的第二六通阀和所述的第二定量环的一端相连通,所述的第二定量环的另一端通过所述的第二六通阀和所述的第一检测系统相连通;
34.当所述的第二六通阀处于第二工作状态时,所述的第三泵通过所述的第二六通阀和所述的第二定量环的一端相连通,所述的第二定量环的另一端通过所述的第二六通阀和所述的第二检测系统相连通;
35.所述的第二检测系统包括与所述的第二六通阀相连接的第三六通阀,进口和出口分别与所述的第三六通阀相连接的用于吸附反应后的样品中的抗生素的固相萃取柱,与所述的第三六通阀相连接的液相色谱仪,所述的第三六通阀还与所述的第一检测系统相连接;
36.所述的第二检测系统还包括与所述的固相萃取柱的进口相连接的第四六通阀,两端分别与所述的第四六通阀相连接的第三定量环,与所述的第四六通阀相连接的盛装有洗脱液的第四容器,与所述的第四六通阀相连接第五容器,与所述的第三定量环和所述的第四六通阀相连接的第四泵;
37.所述的第三六通阀和所述的第四六通阀具有第一工作状态和第二工作状态,
38.当所述的第三六通阀和所述的第四六通阀处于第一工作状态时,所述的固相萃取柱的进口通过所述的第三六通阀与所述的第二六通阀相连接,所述的固相萃取柱的出口通过所述的第三六通阀和所述的第一检测系统相连通、
39.所述的第四容器通过所述的第四六通阀和所述的第三定量环的一端相连通,所述的第三定量环的另一端与所述的第四泵相连通,所述的第四泵通过所述的第四六通阀和所述的第五容器相连通;
40.当所述的第三六通阀和所述的第四六通阀处于第二工作状态时,所述的固相萃取柱的出口通过所述的第三六通阀和所述的液相色谱仪相连通,所述的固相萃取柱的进口通过所述的第四六通阀和所述的第三定量环的一端相连通,所述的第三定量环的另一端和所述的第四泵相连通。
41.通过多个六通阀的设置,能够实现自动上样、降解,并在线检测降解效果。
42.本实用新型中,固相萃取柱可通过以下方法制备:将cof材料与聚苯胺(pani)以2:1 的比例混合,取一2mm
×
1cm的聚四氟乙烯棒,放入混合好的材料中搅拌3h,随后真空干燥 6h,将棒插入无针头的注射器中,即得到固相萃取柱。
43.进一步优选地,所述的第一容器和所述的第二容器与所述的第一检测系统相连
通。
44.本实用新型设计了一种独特形状的石英玻璃搅拌器,能够提高水体与光的接触面积,同时在搅拌器外表面设置光催化剂膜,且优选使用钨酸铜,钨酸铜的禁带宽度约为2.2ev,能吸收约560nm的可见光,弥补了紫外光催化过程中的带宽限制问题,因此是一种很好的光催化剂。
45.可见光催化反应利用可见光作为能量来源,通过产生高活性的反应中间体,在温和条件下实现了许多常温下不能实现的转化。
46.微波具有加热快速、均质与高选择性的优点,可使用微波辐射辅助进行催化氧化,以去除难降解抗生素,因此在光催化剂的基础上加入微波条件,可以有效优化降解效果。
47.本实用新型的降解系统对畜禽类废水中残留的磺胺类物质和氟喹诺酮类抗菌药的降解效果尤佳。
48.由于上述技术方案运用,本实用新型与现有技术相比具有下列优点:
49.本实用新型可以有效提高水中抗生素的光降解效果。
附图说明
50.附图1为本实用新型的实施例1的搅拌器的结构示意图;
51.附图2~3为本实用新型的实施例2的降解系统在进样时的状态示意图;
52.附图4为本实用新型的实施例2的降解系统在降解时的状态示意图;
53.附图5~7为本实用新型的实施例2的降解系统在检测时的状态示意图;
54.以上附图中:1、第一六通阀;11、第一六通阀的第一通口;12、第一六通阀的第二通口;13、第一六通阀的第三通口;14、第一六通阀的第四通口;15、第一六通阀的第五通口;16、第一六通阀的第六通口;2、第二六通阀;21、第二六通阀的第一通口;22、第二六通阀的第二通口;23、第二六通阀的第三通口;24、第二六通阀的第四通口;25、第二六通阀的第五通口;26、第二六通阀的第六通口;3、第三六通阀;31、第三六通阀的第一通口;32、第三六通阀的第二通口;33、第三六通阀的第三通口;34、第三六通阀的第四通口;35、第三六通阀的第五通口;36、第三六通阀的第六通口;4、第四六通阀;41、第四六通阀的第一通口;42、第四六通阀的第二通口;43、第四六通阀的第三通口;44、第四六通阀的第四通口;45、第四六通阀的第五通口;46、第四六通阀的第六通口;51、第一容器;52、第二容器;53、第三容器;54、第四容器;55、第五容器;61、第一定量环;62、第二定量环;63、第三定量环;71、第一泵;72、第二泵;73、第三泵;74、第四泵;8、反应装置;9、固相萃取柱;101、第一检测系统;102、液相色谱仪;103、开关;201、搅拌轴;202、第一搅拌体;203、第二搅拌体。
具体实施方式
55.下面结合附图对本实用新型作进一步描述,除非文中明确给出不可结合的描述,否则各特征可以根据需要进行结合。
56.在本实用新型的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接:可以是机械连接,也可以是电连接:可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通.对于本领域的普通技术人员而言,可以通过具体情况理解上
述术语在本实用新型中的具体含义。
57.实施例1
58.如图1所示的搅拌器,包括搅拌轴201、第一搅拌体202、第二搅拌体203和可见光发生装置(图1中未显示)。本实用新型中,可见光发生装置为光纤灯,在其他实施例中,也可使用其他可提供可见光的可见光发生装置。
59.搅拌轴201呈长方体型且内部具有第一容纳空间,搅拌轴201的顶端开设有使光纤灯通入搅拌器内部的开口,搅拌轴201的下端部固定连接一个第一搅拌体202,第一搅拌体202呈圆柱体型且内部具有第二容纳空间,第一搅拌的曲面上固定连接有7个第二搅拌体203,第二搅拌体203呈长方体型且内部具有第三容纳空间,第一容纳空间和第二容纳空间相连通,第二容纳空间和第三容纳空间相连通,搅拌轴201和第二搅拌体203等间距均匀地分布在第一搅拌体202的曲面上并向外延伸,搅拌轴201在第一搅拌体202径向方向上的延伸长度大于第二搅拌体203。在其他实施例中,所述的光纤灯的通口可设置在搅拌轴201的任何部位,优选使用本实施例的方式,便于光纤灯进入搅拌器中。在其他实施例中,搅拌轴201、第一搅拌体202及第二搅拌体203的形状,第二搅拌体203的个数及其在第一搅拌上的位置关系等没有具体限制,优选使用本实施例的方式,使搅拌器的结构更加简洁、待处理水体与光的接触面最大,同时搅拌时操作更方便,搅拌更均匀。
60.本实用新型中,搅拌轴201、第一搅拌体202、第二搅拌体203为石英玻璃材质,且外表面涂覆钨酸铜形成有光催化剂膜,钨酸铜通过乙酸铜一水合物(c4h6cuo4·
h2o)和二水钨酸钠(na2wo4·
2h2o)制备而成。当然在其他实施方式中,也可使用其他可吸收可见光的涂层,优选使用本技术的钨酸铜涂层,能吸收约560nm的可见光,弥补紫外光催化过程中的带宽限制问题。
61.实施例2
62.如图2至图7所示的用于降解水中抗生素的降解系统,包括依次连接的进样装置、用于降解水中抗生素的反应装置8、用于水质检测的检测装置。
63.反应装置8包括微波反应器、设置在微波反应器中的反应容器以及安装在反应容器中的实施例1的搅拌器。反应装置8作用时,第一搅拌体202和第二搅拌体203浸入水面以下且在旋转时不会与容器内壁发生碰撞。
64.本实施例中,进样装置包括盛装有待处理样品的第一容器51,盛装有用于稀释待处理样品的蒸馏水的第二容器52,与第一容器51和第二容器52相连通的第一泵71,与第一泵71相连接的第一六通阀1,与第一六通阀1相连接的第一定量环61、第二泵72以及第三容器53。
65.具体地,第一容器51和第二容器52通过管道相连通并通过管道与第一泵71相连通,第一泵71通过管道与第一六通阀的第四通口14相连接,第一六通阀的第三通口13通过管道与第一定量环61的一端相连接,第一六通阀的第六通口16通过管道与第一定量环61的另一端相连接,第一六通阀的第五通口15通过管道与第三容器53相连接,第一六通阀的第二通口 12与第二泵72相连接,第一六通阀的第一通口11通过管道与反应装置8的进口相连接。
66.第一六通阀1具有第一工作状态和第二工作状态。
67.当第一六通阀1处于第一工作状态时,如图2所示,第一六通阀的第三通口13和第
一六通阀的第四通口14相连通,第一六通阀的第五通口15和第一六通阀的第六通口16相连通,此时,第一容器51和第二容器52与第一泵71相连通,第一泵71通过第一六通阀和第一定量环61的一端相连通,第一定量环61的另一端通过第一六通阀和第三容器53相连通;同时,第一六通阀的第二通口12和第一六通阀的第一通口11相连通,第二泵72通过第一六通阀和反应装置8的进口相连通。
68.当第一六通阀1处于第二工作状态时,如图3所示,第一六通阀的第二通口12和第一六通阀的第三通口13相连通,第一六通阀的第一通口11和第一六通阀的第六通口16相连通,此时,第二泵72通过第一六通阀与第一定量环61的一端相连通,第一定量环61的另一端通过第一六通阀和反应装置8的进口相连通;同时,第一六通阀的第四通口14和第一六通阀的第五通口15相连通,第一容器51和第二容器52与第一泵71相连通,第一泵71通过第一六通阀和第三容器53相连通。
69.本实施例中,检测装置包括与用于检测水质bod5值、cod值、ph值、toc值中的至少一项的第一检测系统101,用于检测反应后的样品中的抗生素的第二检测系统,与反应装置8的出口相连接的第二六通阀2,两端分别与第二六通阀2相连接的第二定量环62,与第二六通阀 2相连接的第三泵73。当然在其他实施方式中,可根据需求选择一个或多个检测系统,本实施例通过第一检测系统101和第二检测系统的配合使用,提高检测的准确度。
70.具体地,第二六通阀的第二通口22通过设有开关103的管道与反应装置8的出口相连接,第二六通阀的第三通口23通过管道与第一检测系统101相连接,第二六通阀的第四通口24通过管道与第二定量环62的一端相连接,第二六通阀的第一通口21通过管道与第二定量环62 的另一端相连接,第二六通阀的第六通口26与第三泵73相连接,第二六通阀的第五通口25 通过管道与第二检测系统相连接。
71.第二六通阀2具有第一工作状态和第二工作状态,
72.当第二六通阀2处于第一工作状态时,如图5所示,第二六通阀的第二通口22和第二六通阀的第一通口21相连通,第二六通阀的第三通口23和第二六通阀的第四通口24相连通,此时,反应装置8的出口通过第二六通阀2和第二定量环62的一端相连通,第二定量环62的另一端通过所述的第二六通阀2和第一检测系统101相连通;同时,第二六通阀的第五通口 25和第二六通阀的第六通口26相连通,第三泵73通过第二六通阀2和第二检测系统相连通。
73.当第二六通阀2处于第二工作状态时,如图6所示,第二六通阀的第一通口21和第二六通阀的第六通口26相连通,第二六通阀的第四通口24和第二六通阀的第五通口25相连通,此时,第三泵73通过第二六通阀2和第二定量环62的一端相连通,第二定量环62的另一端通过第二六通阀2和第二检测系统相连通;同时,第二六通阀的第二通口22和第二六通阀的第三通口23相连通,反应装置8的出口通过第二六通阀2和第一检测系统101相连通。
74.本实施例中,第二检测系统包括与第二六通阀2相连接的第三六通阀3,进口和出口分别与第三六通阀3相连接的用于吸附反应后的样品中的抗生素的固相萃取柱9,与第三六通阀3 相连接的液相色谱仪102、与固相萃取柱9的进口相连接的第四六通阀4,两端分别与第四六通阀4相连接的第三定量环63,与第四六通阀4相连接的盛装有洗脱液的第四容器54,与第四六通阀4相连接第五容器55,与第三定量环63和第四六通阀4相连接的第四泵74。
75.具体地,第三六通阀的第三通口33通过管道与第二六通阀的第五通口25相连接,
第三六通阀的第四通口34通过管道与固相萃取柱9的进口及第四六通阀的第一通口41相连通,第三六通阀的第六通口36通过管道与固相萃取柱9的出口相连通,第三六通阀的第五通口35通过管道与第一检测系统101相连接,第三六通阀的第一通口31通过管道与液相色谱仪102相连接,第三六通阀的第二通口32被封闭,第四六通阀的第三通口43通过管道与第四泵74相连通,第四泵74通过管道与第三定量环63的一端相连通,第三定量环63的另一端通过管道与第四六通阀的第六通口46相接连,第四六通阀的第五通口45与第四容器54相连通,第四六通阀的第四通口44通过管道与第五容器55相连通,第四六通阀的第二通口42被封闭。
76.第三六通阀3和第四六通阀4具有第一工作状态和第二工作状态,
77.当第三六通阀3和第四六通阀4处于第一工作状态时,如图6所示,第三六通阀的第三通口33和第三六通阀的第四通口34相连通,第三六通阀的第五通口35和第三六通阀的第六通口36相连通,此时,固相萃取柱9的进口通过第三六通阀3与第二六通阀2相连接,固相萃取柱9的出口通过第三六通阀3和第一检测系统101相连通,同时,第四六通阀的第三通口 43和第四六通阀的第四通口44相连通,第四六通阀的第五通口45和第四六通阀的第六通口 46相连通,第四容器54通过第四六通阀4和第三定量环63的一端相连通,第三定量环63的另一端与第四泵74相连通,第四泵74通过第四六通阀4和第五容器55相连通。
78.当第三六通阀3和第四六通阀4处于第二工作状态时,如图7所示,第三六通阀的第四通口34和第三六通阀的第五通口35相连通,第三六通阀的第六通口36和第三六通阀的第一通口31相连通,此时,固相萃取柱9的出口通过第三六通阀3和液相色谱仪102相连通,同时,第四六通阀的第一通口41和第四六通阀的第六通口46相连通,固相萃取柱9的进口通过第四六通阀4和第三定量环63的一端相连通,第三定量环63的另一端和第四泵74相连通,并且第四六通阀的第四通口44和第四六通阀的第五通口45相连通,第四容器54通过第四六通阀 4和第五容器55相连通。
79.本实施例中,第一容器51和第二容器52还与第一检测系统101相连接。
80.本实施例中,将cof材料与聚苯胺(pani)以2:1的比例混合,取一2mm
×
1cm的聚四氟乙烯棒,放入混合好的材料中搅拌3h,随后真空干燥6h,将棒插入无针头的注射器中,即得到固相萃取柱9。
81.本实施例的降解系统对水中抗生素的降解效果尤佳。
82.本实用新型的用于降解水中抗生素的降解系统的工作步骤是:
83.第一步:如图2所示,第一六通阀1处于第一工作状态,第一泵71打开,其余泵关闭,用于连接反应装置8的出口和第二六通阀的管路上的开关103呈关闭状态,第一容器51中的待处理样品和第二容器52中的蒸馏水进入第一定量环61中并流入第三容器53中。
84.第二步:如图3所示,第一六通阀1处于第二工作状态,第二泵72打开,其余泵关闭,用于连接反应装置8的出口和第二六通阀2的管路上的开关103呈关闭状态,第二泵72提供使第一定量环61中的液体进入反应装置8中的动力,第一定量环61中的液体进入反应装置8 中。
85.第三步:如图4所示,第一六通阀1处于第一工作状态,所有泵关闭,进样装置不工作,检测装置不工作,用于连接反应装置8的出口和第二六通阀2的管路上的开关103呈关闭状态,反应装置8中进行降解反应。
86.第四步:如图5所示,进样装置不工作,用于连接反应装置8的出口和第二六通阀2的管路上的开关103呈打开状态,反应后的液体经第二定量环62进入第一检测系统101进行水质 bod5值、cod值、ph值、toc值检测,同时第一容器51中的待处理样品和第二容器52中的水进入第一检测系统101进行水质bod5值、cod值、ph值、toc值检测。
87.第五步:如图6所示,进样装置不工作,用于连接反应装置8的出口和第二六通阀2的管路上的开关103呈关闭状态,第三泵73和第四泵74打开,其余泵关闭,第三六通阀3和第四六通阀4处于第一工作装状态,第二定量环62中的反应后的液体经固相萃取柱9吸附处理后进入第一检测系统101中进行水质bod5值、cod值、ph值、toc值检测,同时第四泵74提供使第四容器54中的洗脱液进入第三定量环63中的动力,洗脱液经第三定量环63后流入第五容器55中。
88.第六步:如图7所示,进样装置不工作,用于连接反应装置8的出口和第二六通阀2的管路上的开关103呈关闭状态,第四泵74打开,其余泵关闭,第四泵74提供动力使第三定量环 63中的洗脱液进入固相萃取柱9进行洗脱,洗脱后的液体进入液相色谱仪102进行抗生素检测。
89.上述步骤循环进行,可实现在线动态微波可见光催化降解水中抗生素,并完成自动检测水质确定降解效果。
90.上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施,并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。