一种基于清洁能源驱动的光催化处理有机废水的装置及工艺

1.本发明涉及清洁能源技术和水处理技术领域，具体涉及一种基于清洁能源驱动的光催化处理有机废水的装置及工艺。


背景技术：

2.利用常规的生物技术来处理废水中有机污染物，其效果并不是十分理想，而光催化技术能够很好的解决该难题，其能够利用清洁、可再生的太阳能，在温和的条件下通过光催化氧化还原反应实现废水中有机污染物的高效去除。光催化处理污染物技术是利用光能激发半导体分解有机物的过程。其机理是半导体光催化剂在可见光的照射下，吸收光子能量，从而使半导体光催化剂中的电子-空穴对分离，被光激发产生的光生电子与空穴会不断向半导体表面迁移。迁移到光催化剂表面的光生空穴具有氧化能力，与半导体表面的h2o和oh-发生反应，形成氧化能力更强的
·
oh；而迁移到光催化剂表面的光生电子具有一定的还原能力，与吸附在半导体表面的o2发生反应，生成具有强氧化能力的
·o2-。因此，能够与废水中有机污染物发生一系列氧化还原反应，将其分解为其他物质并最终完全矿化。
3.同时，风能是世界上不断增长的可持续发展能源之一。近年来利用风力发电的运营成本降低，太阳能夜晚无法发电，风能恰好能够弥补这些缺点。此外，随着人类活动的剧增，大气中的碳氧化物浓度不断递升，进一步激化了热效应等空气污染。通过化学途径将二氧化碳转化为可使用的基础化工原料，能够在减缓大气中二氧化碳的上升趋势的同时降低海洋酸化的可能性。
4.因此，本发明构建了一种基于清洁能源驱动的光催化处理有机废水的装置及工艺，具体使用清洁能源为太阳能和风能，其可在一定程度上解决光催化剂容易失活、凝聚，对太阳能利用率低，粉末回收困难，成本高的共性难题，且在实际应用中，解决了太阳光难以照射到水面下导致光催化效率降低的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于清洁能源驱动的光催化处理有机废水的装置及工艺。所述装置结构简易、轻便、节能、高效，不仅能够降解实际废水中的有机污染物，与此同时还能还原降解过程中所产生的二氧化碳。
6.一种基于清洁能源驱动的光催化处理有机废水的装置，包括降解室、供电装置以及二氧化碳回收装置，所述降解室的顶部由透明材料所组成，且顶部设有光源，所述降解室内置有若干光催化水轮参与降解反应，所述光催化水轮由中心动力轴和固定在中心动力轴上且表面涂有光催化剂的叶片组成，相邻两个水轮互相镶嵌，当中心动力轴转动时，能够带动水轮依次转动，所述中心动力轴两端安装在降解室前后两侧，横向通过动力传送带连接，所述供电装置包括与水轮相连的蓄电池，以及向蓄电池充电的太阳能光伏板和风能发电装置。
7.本发明的光催化装置的尺寸可以根据具体实践需求进行调整。
8.本发明的光催化装置以太阳能光伏电池和风能发电机作为原动力，使水轮叶片表面发生光催化反应，无需耗损其余能量。
9.降解室中的光催化水轮数量和每个水轮上的光催化叶片数量，及其材质需要根据实际应用情况来设定。每1～7个光催化水轮将降解室划分为一个相应的降解池，每个水轮上可固定3～9个光催化叶片，当需要使用多个降解池时，可以将其相互串联使用。
10.作为优选，待处理的有机污染物所带电荷的类型与所述可见光响应型光催化水轮叶片表面电荷的类型相反。若可见光响应型光催化叶片表面所带正电荷，则当待处理的有机污染物所带负电荷时，具有较好吸附效果。
11.当待处理的的有机污染物所带电荷与光催化水轮叶片表面均为正电荷时，会相互排斥，具有较弱吸附效果。
12.进一步优选，根据实际情况可以在所述可见光响应型光催化水轮叶片上面引入不同的官能团(如亲水基团、氢键基团、疏水基团等)，这样能使光催化叶片与带负电荷的污染物产生强力静电吸附作用，且能够通过较强的氢键作用和较强的分子间引力作用对带有相同电荷的有机污染物发生强力吸附。利用分子间力、静电力、氢键等作用力进一步增大污染物在光催化叶片表面的定向迁移和吸附，进而提高有机污染物降解速率。
13.因此，在实践过程中，可根据待处理的有机污染物种类来构思设计在光催化叶片上负载何种催化剂，并为其引入相应的官能基团。
14.作为优选，每个反应水轮的叶片均由具有光催化活性的材料所组成。反应水轮叶片基底可以使用泡沫镍、泡沫碳、钛片、铁片、铂片等有一定硬度且能够耐酸碱腐蚀的材料。所述可见光响应型光催化剂为ti基mof、ni基 mof、fe基mof、zn基mof等具有光响应效果的材料制备得到。
15.所述光催化水轮由光催化叶片和中心动力轴所组成。所述光催化叶片固定在中心动力轴上，且将中心动力轴固定在降解室的前后两侧。优选的，所述光催化叶片数量为3～9片。
16.本发明中降解室中水轮数量至少为1，当有多个水轮时，各水轮上光催化叶片相互镶嵌设置，且其中心动力轴位置罗列在同一水平面上，同时通过动力传送带外接蓄电池。由于水轮中叶片面积越大，与废水的接触面积越大，能够一定程度上吸附更多污染物，从而提高降解速率。因此，在实际使用条件允许的情况下，作为优选，3个光催化水轮为一个降解池。
17.相邻降解池之间通过透明隔板隔离而成，为保证废水扩散均匀，所述透明隔板上设有连通孔，连通孔的个数和孔径大小可根据降解室实际大小来设计。
18.本发明中为提高光通量，作为优选，还可以用透明材料制作整个降解装置，如透明玻璃、石英、亚克力板等。
19.通过设置光源，在阴雨天气等没有太阳光时可以为光催化降解反应提供所需的光能。
20.作为优选，所述光源的波长范围在180nm～1500nm之间(如led灯、氙灯、氘灯、汞灯、钨灯等等)，进一步优选，所述波长范围在200nm～500 nm之间。
21.实践过程中，装置中降解室为密封构造，且需要设置进水口和出水口，进出水口大小按实际装置大小的一定比例来设计。本发明中进水口位于降解室一侧，出水口位于进水
口对侧。
22.此时，为保证在运行过程中不会因水流冲击而导致光催化水轮叶片松动，叶片长度应略小于降解池的宽度。为确保水流畅通，光催化水轮之间的距离应小于降解室的长度，本发明中水轮两侧边缘到降解室侧壁适当留有 2～3cm的距离，避免因间隙过大，造成浪费。
23.为保证降解室中反应物扩散到光催化水轮叶片表面的速率，所述水轮下方设有搅拌桨。搅拌桨边缘与水轮最底侧应保持一定距离，以免搅拌桨旋转时损坏光催化叶片。同时，也可以通过循环泵在进出水口处进行水循环，促进降解室内废水的水体流动和物质扩散。
24.作为优选，所述相邻中心动力轴之间的距离略小于两个水轮叶片的宽度。间距太小，两叶片之间容易阻挡，对可见光也有一定的阻碍作用；间距太大，水轮叶片无法相互镶嵌转动，影响其降解速率。
25.考虑到光催化反应装置可能会产生co2和水，因此在所设光催化降解室周围设置通过控制阀与降解室相连通的co2回收装置。
26.本发明中在降解室和回收室连通处设控制阀作为连通阀门，所述降解室设有进水口，所述进水口处设有进水阀门，所述回收室设有连通阀门，所述出水口设有对应的出水阀门；为便于管理和控制整个工作过程，使其能够定期自动进行，所述光催化装置还设置了用于定时控制进水阀门和出水阀门开关的自动控制器，所述自动控制器由蓄电池供电。
27.定时开关进出水阀门的具体间隔时间可根据处理实际废水速度来设定，通常可以在实验室进行预实验来设定。
28.通过设置co2回收装置，将收集到的降解产生废气统一还原处理，处理过程中可能会生成甲酸、甲烷、甲醇等产物。所述回收室中吸收液定期进行回收并分离，提取其中有用的产物进行二次利用。
29.考虑到二氧化碳具有较高稳定性，且因其具有惰性从而加剧了转化的难度，作为优选，将二氧化碳导入回收室中使其溶于吸收液内，定期对其中吸收液进行更换。通过对回收室内吸收液进行光电催化还原，添加一定量的电子给体作为牺牲剂来抑制光生电子和空穴的复合以及还原产物被氧化的逆反应，根据具体的反应条件，从而获得甲醛，甲醇，甲酸，甲烷等基础化工原料。
30.本发明的光催化装置具体工作过程如下：
31.将该光催化装置置于待降解的废水中，打开进水阀门使待处理的废水进入降解室中(此时连通阀和出水阀门均关闭)并进行一定时间的物理吸附，吸附完全后开启电源，保证中心动力轴以一定速度旋转的同时使光催化叶片以相同速度旋转并接触光源进行光催化降解反应。待反应进行一段时间后打开连通阀门，使反应后产生的二氧化碳和其他废气导入回收室中，进行反应、分离，得到有用的副产物。同时，每隔一定的时间后，打开出水阀门使反应后的废水排出。
32.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
33.(1)巧妙地将太阳能光伏电池系统、风能发电系统、光催化降解有机污染物系统和废气回收装置同时还原二氧化碳制基础化工原料系统自耦合相匹配，构建了一种新型、低能耗且高效的以太阳能和风能协同驱动的光催化降解有机污染物的装置，将可持续发展的
清洁能源转化为可利用的化学能，同时实现了废水处理和二氧化碳还原双重目标；
34.(2)本发明利用太阳能和风能等可持续发展的清洁能源作为动力，带动负载光催化剂的水轮叶片旋转，解决了光催化剂易失活、凝聚，太阳光难以照射到水面下，催化剂粉末回收困难、成本高等光催化技术通常面对的瓶颈和问题。在运行过程中，能将太阳能和风能转化为可利用的能源以保证光催化系统的正常运行，不会对环境造成污染，兼具了技术先进性和环境友好型的优点；
35.(3)本发明的光催化降解装置操作简单，结构简易、轻便，各种参数可根据实际情况随时调控；
36.(4)本发明装置在运行过程中利用无穷尽的太阳能和风能作为驱动能，在降解有机污染物的同时可产生并储存基础化工原料，不会对环境造成二次污染，是一种绿色的水处理方法。
附图说明
37.图1为本实施例的基于清洁能源驱动的光催化处理有机废水的装置的结构示意图；
38.图2为光催化水轮叶片结构示意图；
39.图3为本实施例的光催化装置的工作原理图。
具体实施方式
40.下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
41.本实施例的基于清洁能源驱动的光催化处理有机废水的装置如图1所示，包括降解室1以及与降解室1连通的二氧化碳回收室2(本实施例中二氧化碳回收室位于降解室左侧)，降解室1的顶部使用透明材料，并装有光源3。降解室中横向设有光催化水轮4，光催化水轮叶片41插入中心动力轴 42的孔隙中，使光催化水轮叶片能够以相同速度同时旋转。中心动力轴42 与发电机相连延伸至降解室外侧连接蓄电池5。
42.本实施例中光催化水轮叶片具体结构示意图如图2所示，包括导电基底 411及其表面负载的两层可见光型光催化剂412和413。
43.本实施例中中心动力轴42到降解室顶部和底部距离相同。其中，中心动力轴到降解室底部和顶部距离均为2.5cm。
44.在每个光催化水轮的底部均设置一个搅拌桨6，使降解室内废水中有机污染物尽可能多的吸附在光催化水轮叶片41上，并且搅拌桨的动能由蓄电池5统一提供。本实施例中，搅拌桨6到光催化水轮叶片41底端的距离为 0.5cm。
45.在实践过程中，搅拌桨的旋转速度可根据具体应用情况来调控，针对不同的待降解污染物7，采用不同的旋转速度。同时，为提高降解率，控制可见光响应型光催化水轮叶片所带电荷的类型与待降解的有机污染物所带电荷的类型相反。
46.本实施例中降解室1仅设一个降解池，使用时打开降解池的进水阀门11 即可让废水进入降解池。降解池内共设置三个中心动力轴42，每个中心动力轴上均插入五片光催化水轮叶片41，相邻中心动力轴上的叶片互相镶嵌而成，中心动力轴被固定在降解池前后两侧，且通过动力传送带相连。待反应进行一段时间后，打开出水阀门13使降解后的废水排出
降解池。
47.本实施例中二氧化碳回收室2位于降解室的左侧，打开连通阀门12可在反应结束之后将二氧化碳和其余废气排入回收室2。在回收室内对废气进行反应、分离，从而得到有用的副产物。
48.本实施例装置的工作原理如图3所示，以风能发电机8和太阳能光伏板 9为蓄电池5充电，并由蓄电池5直接为降解室内光源3、中心动力轴42和搅拌桨6进行供电。
49.实施例1
50.降解室内光催化水轮叶片以具有一定硬度和导电性的钛片作为基底，表面负载可见光型材料nh
2-mil-125(ti)，调节中心动力轴转速为800r/min，距反应叶片2.5cm处放置一个500w可调氙弧光灯作为光源，采用截止滤光片得到可见光。降解室中加入一定浓度的四环素和0.2m na2so4水溶液为模拟废水。
51.一种利用上述装置的降解有机废水的工艺，将含有有机污染物的废水引入降解室进行降解处理，并通过二氧化碳回收装置收集产生的废气，在降解处理过程中进行如下步骤：
52.s1：调节废水的ph值至7；
53.本实施例中调节废水ph值之前，先测定待处理废水的原ph值，当待处理废水本身ph值在7～8范围内时，可以不进行调节。若小于7，则加入一定浓度naoh溶液进行调节(如1m的naoh溶液)至7；若大于8，则加入一定浓度h2so4溶液调节(如1m的h2so4溶液)调节至8。
54.s2：将调节ph值后的废水通入降解室，且浸没到中心动力轴下方0.2cm 处；
55.s3：静置30min进行物理吸附；
56.s4：开启搅拌桨，使搅拌桨的转速为300r/min，使太阳光从降解室顶部的透明玻璃透入并均匀照射至光催化水轮叶片表面，光照强度为30 mw/cm2。维持步骤s4直至降解室中有机污染物的浓度下降至设定的目标值后停止，并利用二氧化碳本身的重力作用将其排出降解室。
57.在降解过程中抽取降解室顶部空气检测分析二氧化碳含量，使其溶解至水中测量其ph，同时利用分光光度计测定废水(降解室中污水)中污染物含量变化。经过120min处理后，通过检测分析，四环素降解率为87％，降解室顶部空气溶于蒸馏水中ph为8.31，甲酸产量为1.8mm。
58.实施例2
59.与实施例1相同，所不同的是光催化叶片材料表面在nh
2-mil-125(ti) 基础上新负载了一层ni基mof来降解目标污染物四环素。
60.抽取降解室顶部空气检测分析二氧化碳含量，将其溶解至蒸馏水中测量其ph，同时利用分光光度计测定废水(降解室中污水)中污染物含量变化。经过120min处理后，通过检测分析，四环素降解率为95％，降解室顶部空气溶于蒸馏水中ph为9.03，甲酸产量为3.2mm，甲醛产量为21μm。
61.以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。