一种改性光纤传导多波段紫外LED光催化装置

本发明公开了多波段紫外led光催化装置，具体涉及一种用于船舶压载水及沉积物处理的改性光纤传导多波段紫外led光催化装置，属于污水处理领域。

背景技术：

1、国际航运业是对外贸易与交流的重要支柱，但船舶的全球移动也成为国家生物安全风险源之一。船舶在营运过程中，压载水中的部分外来水生生物和浮游植物休眠体、病原体、细菌，连同水中的固体颗粒等一起积聚在压载舱底部，形成压载水沉积物。其中，一些有害生物能够抵抗恶劣环境，可在沉积物中至少存活6年，在环境适宜时会再次萌发，形成有害赤潮等海洋灾害。许多研究证明船舶压载水及沉积物是形成有害赤潮等海洋灾害的重要源头之一。虽然近两年世界各国开始积极规范压载水沉积物的相关管理体系，但目前对压载水沉积物的排放和处理处置行业标准尚处于空缺状态，且缺少基础数据；对压载水及沉积物中有害生物的消杀与控制技术研究也停留在实验室小试阶段，目前还存在很大漏洞和问题，可能造成重大环境污染和生物安全危害。

2、国际《压载水公约》于2019年1月22日起对我国正式生效，该公约旨在降低船舶压载水及沉积物所引发的外来物种入侵问题。目前全球超过50％的压载水管理系统采用紫外技术。但由于含有沉积物的压载水掺杂大量泥沙等固体颗粒，水文条件复杂，导致现有紫外灭活系统的生物灭活过程仍存在单位灭活率低、能耗高等问题，这是由于现有紫外灭活系统紫外光源较为传统，灭活效率有限。开发一种高效低能耗的压舱水及沉积物处理装置具有重大的环保意义。

3、cn101541685a公开了一种用紫外辐射装置和催化剂处理压舱水的设备。包括具有jlv辐射装置的外壳，以及催化剂包括多个湍流和混合发生装置的板，所述催化剂布置在外壳中，催化剂具有由穿孔、孔、冲孔、结构化压制品、波纹等一种或多种湍流和混合发生装置。

4、cn201512425u公开了一种紫外光催化船舶压载水处理反应器，该反应器包括反应单元，反应墙体，固定装置和阀门；反应单元由紫外灯、保护管及多孔光催化剂组成；保护管中心放置有紫外灯，负载在载体上的多孔光催化剂紧贴保护管的外壁并固定在其两侧，反应单元的一端通过固定装置固定在反应腔体的底部，另一端包括紫外灯的电源接口端采用密封结构安装在反应腔体的上端盖上，阀门通过转接头安装在反应腔体的进水口和出水口处。

5、cn204939024u公开了一种紫外反应装置，包括反应容器，及安装在反应容器中的多根紫外灯管，反应器内固定有左右各一个灯座，各灯管的两段分别固定在两个灯座上，且紫外灯管排列成同心双环状的灯管阵列；灯管阵列上套置有一个能左右滑动的清洗盘，清洗盘上装有多个清洗座，清洗座上有清洗孔，清洗孔的孔壁上有软质清洗垫。所述反应装置特别适合处理船舶压载水。

技术实现思路

1、本发明针对现有紫外灭活系统紫外光利用效率低、能耗高的问题，提出一种用于船舶压载水及沉积物处理的改性光纤传导多波段紫外led光催化装置。本发明解决了传统低压、中压紫外汞灯存在的紫外光利用效率低、能耗高、紫外灯中的汞泄漏等问题，实现了紫外技术的高利用、绿色低碳。本发明可提高船舶压载水及沉积物的处理技术和水平，对保护国家生物安全具有重要意义。

2、本发明的一个方面，公开了一种用于船舶压载水及沉积物处理的改性光纤传导多波段紫外led光催化装置，包括：潜水泵、反应器筒体、多波段紫外led光源、改性石英光纤、光纤罩、光纤支架、流量计和隔膜阀；改性石英光纤支架安装在反应器套筒内；改性石英光纤插入到光纤支架内，两端形成光纤束；改性石英光纤包层外侧涂有cu/n-tio2光催化剂；多波段紫外led光经改性石英光纤传导后散射到反应器筒体内。

3、所述cu/n-tio2光催化剂是由铜、氮负载于tio2载体，其中cu2+与光催化剂tio2的摩尔比为0.5-5％，优选为1-2％；n3-与tio2的摩尔比为1-10％，更优选为2-5％。

4、cu/n-tio2光催化剂制备方法为：

5、(1)将钛酸四丁酯缓慢滴加到20-50℃的无水乙醇中，持续搅拌10-60min后得到混合溶液a；

6、(2)将无水乙醇、去离子水、冰醋酸混合搅拌后得到溶剂混合物，将硝酸铜与尿素溶解于溶剂混合物，并将ph值调整到1-3，得到溶液b；

7、(3)溶液b中逐滴加入溶液a并连续搅拌，待b溶液滴加完成后，再充分反应1-3h得到沉淀物，对沉淀物清洗；

8、(4)将步骤(3)得到的沉淀物进行干燥、研磨，将得到的粉末进行煅烧，煅烧完成后保温6-24h后，制得cu/n-tio2光催化剂。

9、步骤(1)中所述无水乙醇和钛酸四丁酯的体积比为3-10:1，更优选是5-6:1。

10、步骤(2)中所述无水乙醇、去离子水、冰醋酸的体积比是3-15:0.2-5:0.5-5；更优选是5-10:0.5-2:1-2；硝酸铜、尿素与钛酸四丁酯的摩尔比为1-2:1-2:70-120；步骤(2)中使用无机酸调节ph值，优选使用盐酸或硝酸。

11、步骤(3)中溶液a和溶液b的体积比为1-5:1，更优选为1.5-3:1。

12、步骤(4)的干燥温度为70-100℃，优选为80-90℃；煅烧温度为300-800℃，优选是450-550℃。

13、所述光催化剂采用涂覆的方式将cu/n-tio2光催化剂颗粒固定在光纤表面，涂覆采用的本领域常规的粘合剂，优选粘合剂是环氧乙烷；所述cu/n-tio2光催化剂颗粒的粒径为1-200nm，优选为10-50nm。

14、所述多波段紫外led光源包括短波紫外光源和长波紫外光源，其中短波紫外的波长200-275nm，长波紫外的波长320-400nm；优选的，所述短波紫外的波长230-260nm，长波紫外的波长为340-380nm；为充分发挥不同波长紫外光在光催化和生物灭活方面的优势并弥补各自的劣势，进一步提高生物灭活效率。

15、优选的，系统中包含两组光纤，一组光纤与水流方向平行，传送长波紫外led光；另一组光纤与水流方向垂直，传送短波紫外led光。

16、所述改性石英光纤的直径是0.18-0.20mm，所述石英光纤包括纤芯、包裹于纤芯外侧的包层，及包裹于包层外侧的cu/n-tio2涂层，所述cu/n-tio2涂层的厚度是0.06-0.08mm；所述包层的厚度是0.01-0.05mm；所述纤芯的直径是0.08-0.12mm；所述涂层提高了石英光纤侧发光能力。所述包层材料是掺氟石英，其中氟的掺杂量为0.1-10wt％。

17、优选的，系统中包含两组光纤，一组光纤与水流方向平行，传递长波紫外led光；另一组光纤与水流方向垂直，传递短波紫外led光；所述两组光纤的数量比是3:7-7:3；优选为2:3-3:2。

18、所述光纤的排布密度为0.1-2根/cm3；优选为0.3-0.7，更优选为0.4-0.6根/cm3。

19、压载水及沉积物中微生物的灭活效果用对数灭活率来反映。对数灭活率公式为：

20、

21、式中：η-为对数灭活率，n0-灭活前原液的微生物个数，nt-灭活后水样中微生物个数。

22、本发明的有益技术效果：多波段紫外led光经改性石英光纤传导后散射到反应器筒体内，同时与改性cu/n-tio2光催化剂产生协同灭活效果。相较传统的压载水及沉积物灭活方法，本发明将改性石英光纤与多波段紫外led光源结合，利用改性光纤弯曲性能好及侧发光能力强的特性，将改性石英光纤合理的布置在反应器内部，通过改性光纤传递多波段紫外led光，不仅可使反应器内各处的紫外强度分布均匀，而且减少了紫外灯管数量，降低了能耗，提高了紫外灭活效率。同时利用多波段紫外与改性cu/n-tio2光催化剂的协同灭活作用，能够充分发挥不同波长紫外光在光催化和生物灭活方面的优势并弥补各自的劣势，进一步提高生物灭活效率。