一种超声波光催化装置及其处理水体中有机污染物的方法与流程

本发明涉及环境保护技术领域的一种光催化装置，尤其涉及一种能有效处理水体中有机污染物的超声波光催化装置及其处理水体中有机污染物的方法。

背景技术：

目前水处理行业以及大气污染治理行业对有机物、氮氧化合物以及其与诸多无机物螯合派生的复杂有机物处理的方法很多，包括生物降解、物理吸附以及以化学氧化还原、微电解、电解、光催化、声光联合催化氧化等为代表的高级氧化技术，其中光催化作为水或污水处理的新技术，有以下优点：一是作为应用最广泛的高活性光催化剂——二氧化钛具有稳定性好、无毒、廉价等优点；二是在紫外线的照射下，二氧化钛具备极强的氧化—还原作用，将光催化剂表面的各种细菌及污染物摧毁。

但是，目前的光催化单独作用装置，单一的光催化装置降解污染物时有以下缺陷：1.催化剂是静态的，不能充分和水中污染物接触；2.催化剂易发生团聚；3.催化剂表面吸附的污染物易达到饱和；4.单一光催化的自由基产生率不高。因此，单一光催化降解污染物的效果不理想。

技术实现要素：

针对现有的技术问题，本发明提供一种能有效处理水体中有机污染物的超声波光催化装置及其处理水体中有机污染物的方法，以缓解单一光催化降解污染物的效果不理想的问题。

本发明采用以下技术方案实现：一种能有效处理水体中有机污染物的超声波光催化装置，其包括：

催化容器，其用于容纳所述水体；

光催化灯，其悬挂在催化容器的顶壁上，并用于发光以催化所述水体中的有机污染物的分解；

电动搅拌器，其设置在催化容器中，并用于搅拌所述水体；

超声波发生器，其声波产生端设置在催化容器中，并用于产生超声波以辐射所述水体；

布水器，其设置在催化容器中，并用于在催化容器中均匀布水；以及

回流泵，其进水端连通催化容器，出水端连通布水器；回流泵用于吸取催化容器中的所述水体，并将所述水体同布水器的原有进水一同输送至布水器中。

作为上述方案的进一步改进，催化容器的底部开设进气口；所述能有效处理水体中有机污染物的超声波光催化装置还包括：

加压泵，其用于向进气口供气。

作为上述方案的进一步改进，催化容器为玻璃钢制成的圆筒，且所述圆筒的侧壁上开设多个取样口；多个取样口沿所述圆筒的轴向等间距设置。

作为上述方案的进一步改进，超声波发生器为频率、声强均可调的超声波发生器，且具有超声波振动棒，所述超声波振动棒设置在催化容器中。

作为上述方案的进一步改进，光催化灯为高压汞灯或者紫外灯。

作为上述方案的进一步改进，回流泵通过至少两根进水管道分别连通布水器和催化容器；布水器与回流泵之前设有两根进水管道，且其中一根进水管道安装在另一根进水管道的侧壁上。

作为上述方案的进一步改进，布水器包括具有中空结构的圆盘以及多个喷头，圆盘与回流泵的出水端连通，多个喷头均匀安装在圆盘上且向下设置。

作为上述方案的进一步改进，电动搅拌器包括电机、搅拌杆以及多个搅拌叶片；搅拌杆转动安装在催化容器中，且底端位于所述水体内；多个搅拌叶片环绕安装在搅拌杆的底端上；所述电机用于驱动搅拌杆转动，并带动搅拌叶片绕搅拌杆旋转，以搅拌所述水体。

本发明还提供一种能有效处理水体中有机污染物的方法，其应用上述任意能有效处理水体中有机污染物的超声波光催化装置，并用于处理垃圾渗液；所述垃圾渗液置于催化容器中，所述能有效处理水体中有机污染物的方法包括以下步骤：

向所述垃圾渗液中加入催化剂并通过电动搅拌器进行搅拌，以形成混合液；其中，所述催化剂为纳米tio2或掺杂纳米试剂；

向所述混合液中加入naoh溶液或h2so4溶液，以调节所述混合液的酸碱度；

通过光催化灯对所述混合液进行辐射；

利用超声波发生器对所述混合液进行超声波辐射；

驱动回流泵工作，使布水器在催化容器中均匀布水；

每隔一个预设时间测定一次所述混合液的cod去除率，并在所述cod去除率达到预设去除率后结束处理。

作为上述方案的进一步改进，所述混合液的纳米tio2浓度为0.6g/l，光催化灯的光强为20μw/cm²，超声波发生器的振动频率为20khz，回流泵的流量为1l/min，所述混合液的ph值为3.2；其中，处理所述垃圾渗液中有机污染物的处理时间为120min。

本发明的能有效处理水体中有机污染物的超声波光催化装置及其处理方法，通过电动搅拌器对水体进行搅拌，使水体可以与催化剂充分混匀，从而使催化剂能够充分与水体中的有机污染物接触，并利用光催化灯的辐射能量对有机污染物进行催化分解，以实现降解有机污染物的目的。在本发明中，通过设置超声波发生器，以产生超声波，以对水体进行超声波辐射，可以有效地降低催化剂团聚的发生，同时防止催化剂表面吸附的污染物达到饱和，而且提高催化剂的催化效果，并提高光催化的自由基产生率，从而加快对有机污染物的催化降解。并且，本发明还通过回流泵和布水器，在催化容器中均匀布水，且水体形成了闭合的回路，以形成活水状态，增加了水体在容器内的停留时间，进一步使水体与催化剂充分接触，同时加速了光催化作用，进而提升光催化效果。

附图说明

图1为本发明实施例1的能有效处理水体中有机污染物的超声波光催化装置的结构示意图；

图2为本发明实施例2的能有效处理水体中有机污染物的超声波光催化装置的结构示意图；

图3为本发明实施例3的能有效处理水体中有机污染物的超声波光催化装置的结构示意图；

图4为图3中的超声波光催化装置的正视图。

符号说明：

1超声波发生器12取样口

2电动搅拌器13喷头

3光催化灯14曝气管

4布水器15搅拌杆

5回流泵16搅拌叶片

6进水管道17刻度条

7加压泵18药剂投加漏斗

8进气口19阀门

9出液开关20显示屏

10催化容器21ph传感器

11圆盘

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请参阅图1，本实施例提供了一种能有效处理水体中有机污染物的超声波光催化装置，其可以催化降解水体中的有机污染物。该超声波光催化装置包括催化容器10、光催化灯3、电动搅拌器2、超声波发生器1、布水器4、回流泵5以及加压泵7。在本实施例中，光催化剂优选为纳米tio2或掺杂纳米试剂，当然在其他实施例中，光催化剂还可以选择氧化锌、氧化锡、二氧化锆、硫化镉等多种氧化物或硫化物半导体。

催化容器10用于容纳水体，并且为对水体催化反应的容器。催化容器10可以选用现有的催化桶，并且催化容器10的内壁上可以涂覆防腐蚀防氧化涂料，以避免水体腐蚀氧化催化容器10。在本实施例中，催化容器10可为玻璃钢制成的圆筒，圆筒的容积为20l，以便于容纳足够多的水体。圆筒的侧壁上开设多个取样口12，多个取样口12沿圆筒的轴向等间距设置。其中，可以在每个取样口12上安装一个出液开关9，以控制取样口12液体的进出。在本实施例中，出液开关9优选为龙头，并且龙头呈阶梯式分布，以便于在龙头下放置取样容器，如放置玻璃杯等。

光催化灯3悬挂在催化容器10的顶壁上，并用于发光以催化水体中的有机污染物的分解。在本实施例中，光催化灯3可为高压汞灯或者紫外灯。光催化灯3可以为催化剂进催化作用提供光能，并且由于纳米tio2颗粒的尺寸很小，所以电子比较容易扩散到晶体表面，导致原本不带电的晶体表面的2个不同部分出现了极性相反的2个微区，即光生电子和光生空穴。由于光生电子和光生空穴都具有很强的能量，远远高出一般有机污染物的分子链的强度，所以可以轻易将有机污染物分解成最原始的状态，从而实现对水体中有机污染物的分解。

电动搅拌器2设置在催化容器10中，并用于搅拌水体。电动搅拌器2可以采用现有的电动搅拌器，并且根据催化容器10的内部尺寸进行选型。其中，电动搅拌器2可包括电机、搅拌杆15以及多个搅拌叶片16。搅拌杆15转动安装在催化容器10中，且底端位于水体内；多个搅拌叶片16环绕安装在搅拌杆15的底端上。电机用于驱动搅拌杆15转动，并带动搅拌叶片16绕搅拌杆15旋转，以搅拌水体。电动搅拌器2将水体进行充分的搅拌，使催化剂与水体进行充分的接触和混匀，使催化剂能够充分接触到有机污染物，并进行充分的催化反应。

超声波发生器1的声波产生端设置在催化容器10中，并用于产生超声波以辐射水体。超声波发生器1可为频率、声强均可调的超声波发生器，且具有超声波振动棒和超声波信号源，超声波振动棒设置在催化容器10中，并将超声波信号源产生的超声波传递至水体中。超声波发生器1可通过示波器显示波形，同时通过波段调节器调节频率和功率。超声波发生器1通过产生的超声波，以对水体进行超声波辐射，使得催化剂与水体中的有机污染物充分接触，可以有效地降低催化剂团聚的发生，同时防止催化剂表面吸附的污染物达到饱和，而且提高催化剂的催化效果，并提高光催化的自由基产生率，从而加快对有机污染物的催化降解。

布水器4设置在催化容器10中，并用于在催化容器10中均匀布水。布水器4可采用现有的布水器，可吸取催化容器10中的水体，并将水体重新均匀分布在催化容器10中。在本实施例中，布水器4可包括具有中空结构的圆盘11以及多个喷头13，中空结构可以储水。圆盘11与回流泵5的出水端连通，多个喷头13均匀安装在圆盘11上且向下设置。如此，圆盘11内的水体可以在压力的作用下，通过喷头13喷射出去，以达到均匀布水的效果。

回流泵5的进水端连通催化容器10，出水端连通布水器4。回流泵5用于吸取催化容器10中的水体，并将所述水体同布水器4的原有进水一同输送至布水器4中。其中，回流泵5可通过至少两根进水管道6分别连通布水器4和催化容器10。布水器4与回流泵5之前设有两根进水管道6，且其中一根进水管道6安装在另一根进水管道6的侧壁上，这样，还可以通过另一根进水管道6的端部进行供水，以增加催化容器10中水体的体积。而且，通过回流泵5与布水器4在催化容器10均匀布水的同时，水体也形成了闭合的回路，以形成活水状态，增加了水体在容器内的停留时间，进一步使水体与催化剂充分接触，同时加速了光催化作用，进而提升光催化效果。

催化容器10的底部可开设进气口8，并且进气口8可由均匀分布在催化容器10底壁上的多个进气孔组成。多个进气孔均通过一根气管连通加压泵7的出气端，即加压泵7用于向进气口8供气，并在催化容器10的底部进行曝气，以加快光催化反应，提高有机污染物的分解速度。加压泵7可采用现有的气体增压泵，以对水体进行曝气。

综上所述，相较于现有的光催化装置，本实施例的能有效处理水体中有机污染物的超声波光催化装置具有以下优点：

本实施例的能有效处理水体中有机污染物的超声波光催化装置，通过电动搅拌器2对水体进行搅拌，使水体可以与催化剂充分混匀，从而使催化剂能够充分与水体中的有机污染物接触，并利用光催化灯3的辐射能量对有机污染物进行催化分解，以实现降解有机污染物的目的。

在本实施例中，该装置通过设置超声波发生器1，以产生超声波，以对水体进行超声波辐射，可以有效地降低催化剂团聚的发生，同时防止催化剂表面吸附的污染物达到饱和，而且提高催化剂的催化效果，并提高光催化的自由基产生率，从而加快对有机污染物的催化降解。

并且，本实施例提供的催化装置还通过设置回流泵5和布水器4，在催化容器10中均匀布水，且水体形成了闭合的回路，以形成活水状态，增加了水体在容器内的停留时间，进一步使水体与催化剂充分接触，同时加速了光催化作用，进而提升光催化效果。

实施例2

请参阅图2，本实施例提供了一种能有效处理水体中有机污染物的超声波光催化装置，其与实施例1的装置相似，区别在于本实施例中未开设进气口8，并且增加了曝气管14。

曝气管14上开设多个曝气孔，并设置在催化容器10的底壁上，其中，曝气管14可通过焊接、卡接等方式进行安装。曝气管14与加压泵7连通，且加压泵7向曝气管14供气，使曝气管14对水体曝气。这样，相对于实施例1提供的催化装置，本实施例提供的催化装置可以将曝气管14拆卸，以便于清洗和维修，同时，曝气管14的数量可以设置为多个，并且平行设置在催化容器10的底壁上，以充分对水体进行曝气。

实施例3

请参阅图3以及图4，本实施例提供了一种能有效处理水体中有机污染物的超声波光催化装置，其在实施例1的基础上增加了刻度条17、药剂投加漏斗18、阀门19、显示屏20以及ph传感器21。

在本实施例中催化容器10为透明容器，且催化容器10的侧壁上设置垂直于底壁的刻度条17，刻度条17用于显示水体的体积。如此，在添加水体时，用户可以根据刻度条17上显示的刻度，掌握催化容器10内水体的体积，以防止添加过量，同时也便于在催化容器10内水体过少时补充水体。

药剂投加漏斗18的斗口朝上设置，其出料口设置在催化容器10的内腔顶部中。在向催化容器10添加水体时，用户可向药剂投加漏斗18的斗口添入水体，以增加催化容器10中的水体。这样可以便于向催化容器10加液，方便使用。阀门19用于调节药剂投加漏斗18的通道大小，以便于控制进液的流量大小，同时在进行催化反应时，可闭合药剂投加漏斗18。

ph传感器21安装在催化容器10中，并用于检测催化容器10中水体的ph值。显示屏20安装在催化容器10的外壁上，并用于显示ph传感器21检测的ph值，以便于用户实时掌握水体的酸碱度，同时，还可在催化容器10的侧壁上开设ph调节口，用户可通过ph调节口向催化容器10中添加酸液或者碱液，以调节水体的酸碱度。

实施例4

本实施例提供了一种能有效处理水体中有机污染物的方法，其应用实施例1-3中任意一个实施例的催化装置，并用于处理垃圾渗液。其中，垃圾渗液置于催化容器10中，能有效处理水体中有机污染物的方法包括以下步骤：

步骤一、向垃圾渗液中加入催化剂并通过电动搅拌器2进行搅拌，以形成混合液；其中，催化剂为纳米tio2或掺杂纳米试剂；

步骤二、向混合液中加入naoh溶液或h2so4溶液，以调节混合液的酸碱度；

步骤三、通过光催化灯3对混合液进行辐射；

步骤四、利用超声波发生器1对混合液进行超声波辐射；

步骤五、驱动回流泵5工作，使布水器4在催化容器10中均匀布水；

步骤六、每隔一个预设时间测定一次混合液的cod去除率，并在cod去除率达到预设去除率后结束处理。

基于上述方法，本实施例进行了多组实验，以检测装置去除有机污染物的效果。

实验1

向垃圾渗滤液中加入一定质量的纳米tio2，使得混合液中纳米tio2的浓度为0.6g/l，用naoh溶液和h2so4溶液调节混合液，使其酸度为3.2，另外单一使用超声波发生器1的超声波振动棒辐射混合液，当超声波振动棒的频率为20khz，回流泵5的流量1l/min时，通过电动搅拌器2搅拌混合液使之充分混合。每隔15min取样一次，将样品放入离心机以除去固体，并取上清液且采用gb11914-89测定反应前后水体的cod值。当处理时间达120min时，溶液cod去除率为13.25％。

实验2

向垃圾渗滤液中加入一定质量的纳米tio2，使得混合液中纳米tio2的浓度为0.6g/l，用naoh溶液和h2so4溶液调节混合液，使其酸度为3.2，另外单一使用光催化灯3辐射混合液，当光催化灯3的光强为20μw/cm²，回流泵5的流量1l/min时，通过电动搅拌器2搅拌混合液使之充分混合。每隔15min取样一次，将样品放入离心机以除去固体，并取上清液且采用gb11914-89测定反应前后水体的cod值。当处理时间达120min时，溶液cod去除率为67.32％。

实验3

向垃圾渗滤液中加入一定质量的纳米tio2，使得混合液中纳米tio2的浓度为0.6g/l，用naoh溶液和h2so4溶液调节混合液，另外使用光催化灯3发光辐射混合液以及使用超声波发生器1的超声波振动棒辐射混合液，当光催化灯3的光强为20μw/cm²，超声波振动棒的频率为20khz，回流泵5的流量1l/min时，通过电动搅拌器2搅拌混合液使之充分混合。每隔15min取样一次，将样品放入离心机以除去固体，并取上清液且采用gb11914-89测定反应前后水体的cod值。当混合液的ph达3.2时，溶液cod去除率为98.64％。

实验4

向垃圾渗滤液中加入一定质量的纳米tio2，用naoh溶液和h2so4溶液调节混合液，使其酸度为3.2，另外使用光催化灯3发光辐射混合液以及使用超声波发生器1的超声波振动棒辐射混合液，当光催化灯3的光强为20μw/cm²，超声波振动棒的频率为20khz，回流泵5的流量1l/min时，通过电动搅拌器2搅拌混合液使之充分混合。每隔15min取样一次，将样品放入离心机以除去固体，并取上清液且采用gb11914-89测定反应前后水体的cod值。当混合液中纳米tio2的浓度为0.6g/l时，溶液cod去除率为98.64％。

实验5

向垃圾渗滤液中加入一定质量的纳米tio2，使得混合液中纳米tio2的浓度为0.6g/l，用naoh溶液和h2so4溶液调节混合液，使其酸度为3.2，另外使用光催化灯3发光辐射混合液以及使用超声波发生器1的超声波振动棒辐射混合液，当光催化灯3的光强为20μw/cm²，回流泵5的流量1l/min时，通过电动搅拌器2搅拌混合液使之充分混合。每隔15min取样一次，将样品放入离心机以除去固体，并取上清液且采用gb11914-89测定反应前后水体的cod值。当超声波振动棒的频率为20khz时，溶液cod去除率为98.64％。

实验6

向垃圾渗滤液中加入一定质量的纳米tio2，使得混合液中纳米tio2的浓度为0.6g/l，用naoh溶液和h2so4溶液调节混合液，使其酸度为3.2，另外使用光催化灯3发光辐射混合液以及使用超声波发生器1的超声波振动棒辐射混合液，当光催化灯3的光强为20μw/cm²，超声波振动棒的频率为20khz时，通过电动搅拌器2搅拌混合液使之充分混合。每隔15min取样一次，将样品放入离心机以除去固体，并取上清液且采用gb11914-89测定反应前后水体的cod值。当回流泵5的流量1l/min时，溶液cod去除率为98.64％。

实验7

向垃圾渗滤液中加入一定质量的纳米tio2，使得混合液中纳米tio2的浓度为0.6g/l，用naoh溶液和h2so4溶液调节混合液，使其酸度为3.2，另外使用光催化灯3发光辐射混合液以及使用超声波发生器1的超声波振动棒辐射混合液，当光催化灯3的光强为20μw/cm²，超声波振动棒的频率为20khz，回流泵5的流量1l/min时，通过电动搅拌器2搅拌混合液使之充分混合。每隔15min取样一次，将样品放入离心机以除去固体，并取上清液且采用gb11914-89测定反应前后水体的cod值。当处理时间达120min时，溶液cod去除率为98.64％。

通过上述实验1-7可以发现，同时使用超声波发生器1和光催化灯3两者时，溶液cod去除率远远大于使用一者的溶液cod去除率。因此，在实际应用中，可以进行一下设置：混合液的纳米tio2浓度为0.6g/l，光催化灯3的光强为20μw/cm²，超声波发生器1的振动频率为20khz，回流泵5的流量为1l/min，混合液的ph值为3.2；而且，处理垃圾渗液中有机污染物的处理时间为120min。本实施例的能有效处理水体中有机污染物的方法，其能提高光催化的自由基产生率，提升光催化降解污染物的效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。