基于微反应器超声压电催化过硫酸盐处理水中有机污染物的系统及方法

本发明涉及水处理，更具体地，涉及一种基于微反应器超声压电催化过硫酸盐处理水中有机污染物的系统及方法。

背景技术：

1、水环境中的有机污染物难以去除且危害性强，对生态系统和人类健康均有潜在威胁。虽然吸附、混凝、膜过滤等物理方法能处理部分有机污染物，但其无法实现有机污染物的转化。高级氧化技术则能够通过活性氧物种的氧化作用实现污染物的降解甚至矿化。其中，基于过硫酸盐的高级氧化技术被广泛应用于水中各类有机污染物的氧化降解。尽管单独使用过硫酸盐即可实现部分有机污染物的直接氧化，但是，其过程中污染物降解深度低，产生了较多的高毒性氧化产物。为了提高降解深度，还需活化过硫酸盐以形成硫酸根自由基等氧化能力更强的活性氧物种。

2、近年来，将压电场引入过硫酸盐高级氧化过程构建的压电/催化剂/过硫酸盐体系受到研究者的关注。这一反应体系中，外力作用下的催化剂晶格内原子位错引起正负电荷中心偏移形成压电场，进而导致电子和空穴的分离，进一步与过硫酸盐作用形成多种活性氧物种。

3、尽管压电/催化剂/过硫酸盐体系可高效稳定降解有机污染物，但驱动压电效应形成所需机械力带来的高能耗制约了反应体系的实际应用性。目前，压电催化中应用最广泛的机械力为超声。但常规尺度超声压电催化反应处理水中有机污染物时，由于反应过程中反应器尺度和超声场不匹配，靠近超声源的位置声能高，远离超声源的位置声能低，导致超声场分布不均匀。声能低的位置无法有效驱动压电效应的产生，且催化剂颗粒易团聚，进一步降低了催化效果。为保证较好的催化效果，需要提高超声功率以保证所有位置都有足够强度的声能，这导致了超声能量的低利用效率，限制了催化剂性能的发挥。同时，压电/催化剂/过硫酸盐高级氧化反应系统中，污染物的高效降解依赖于活性氧物种的氧化作用，而活性氧物种寿命很短，仅能扩散到邻近催化剂表面附近的微米量级区域。常规尺度反应系统内，液相主体中的过硫酸盐和污染物等反应物向催化剂表面附近的扩散及反应中生成的活性氧物种向液相主体的扩散都需要经过较长的距离，加之催化剂颗粒的团聚减小了固液相界面，不利于活性氧物种生成和污染物的降解。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于微反应器超声压电催化过硫酸盐处理水中有机污染物的系统及方法，通过将微反应器技术与超声压电催化过硫酸盐技术相结合，显著提升超声能量利用率，并提升降解速率以缩短反应时间，实现水中有机污染物的高效降解。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种基于微反应器超声压电催化过硫酸盐处理水中有机污染物的系统，包括进料装置、超声微反应器和产物收集装置；所述进料装置与所述超声微反应器连通，用于将反应物料输送至所述超声微反应器中；所述反应物料包括含有有机污染物的水、过硫酸盐和催化剂；所述超声微反应器包括微反应芯片，所述微反应芯片表面设有液体入口和液体出口，所述微反应芯片内还设置有微通道，所述微通道的入口流道和出口流道分别与所述液体入口和所述液体出口相对应，所述反应物料通过所述进料装置经所述液体入口流入，依次经过所述入口流道和所述出口流道后经所述液体出口排出；所述超声微反应器还包括压电陶瓷片和超声源组件；所述压电陶瓷片和所述微反应芯片相接触，所述超声源组件通过导线和所述压电陶瓷片相连接，所述压电陶瓷片用于接收来自所述超声源组件发射的超声波信号，所述微反应芯片用于接收来自压电陶瓷片所接收到并转化后发出的超声波信号以对所述微通道内的水中有机污染物进行催化降解；所述产物收集装置和所述液体出口连通，用于收集经所述液体出口排出的目标产物溶液。

4、本发明还提供了一种基于微反应器超声压电催化过硫酸盐处理水中有机污染物的方法，采用如上述的基于微反应器超声压电催化过硫酸盐处理水中有机污染物的系统；所述方法包括以下步骤:

5、将含有有机污染物的水、催化剂和过硫酸盐混合，得到反应物料；

6、将所述反应物料通过所述进料装置送入所述超声微反应器的微通道内，启动超声源组件，使反应物料在微通道内输送的同时，通过超声源组件对微通道内的反应物料进行超声压电催化降解反应，得到中间液；

7、收集经所述液体出口排出的中间液，并分离出所述催化剂，得到目标产物溶液。

8、实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

9、(1)本发明的超声微反应器尺寸与超声波长相匹配，因此声能分布均匀，超声能量利用效率高。超声压电催化反应中常用的超声频率为几十千赫兹，对应的在水中的波长为几厘米，基于此，本发明通过采用与之相匹配的微反应芯片，保证了超声微反应器中声场强度均匀，从而超声能量利用效率高，解决了由于反应过程中超声场和反应器尺度不匹配，声能分布不均匀，由此导致的超声能量的低利用效率的问题。

10、(2)本发明的超声微反应器尺寸与反应物种扩散距离相匹配，有利于活性氧物种生成及参与反应。本发明通过采用特征尺寸为亚毫米量级的微通道，大幅缩短了反应物和活性氧物种的扩散距离；同时，强度均匀的超声和有限的通道尺寸抑制了催化剂颗粒的团聚，增大了固液相界面。因此，本发明的超声微反应器可促进活性氧物种生成及污染物的降解。

11、基于以上优势，将微反应器技术与超声压电催化过硫酸盐技术相结合，可显著提升超声能量利用率，并提升降解速率以缩短反应时间，从而实现水中有机污染物的高效降解。

技术特征：

1.一种基于微反应器超声压电催化过硫酸盐处理水中有机污染物的系统，其特征在于，包括进料装置、超声微反应器和产物收集装置；

2.根据权利要求1所述的基于微反应器超声压电催化过硫酸盐处理水中有机污染物的系统，其特征在于，所述微通道包括单通道和多通道中的一种；

3.根据权利要求1所述的基于微反应器超声压电催化过硫酸盐处理水中有机污染物的系统，其特征在于，所述微反应芯片的数量为1个或多个；

4.根据权利要求1所述的基于微反应器超声压电催化过硫酸盐处理水中有机污染物的系统，其特征在于，所述压电陶瓷片的材质包括石英、钛酸钡、钛酸锶、钛酸铅、锆钛酸铅、氧化锌、硫化锌、硫化钼和硫化钨中的一种或两种以上；

5.根据权利要求1所述的基于微反应器超声压电催化过硫酸盐处理水中有机污染物的系统，其特征在于，所述压电陶瓷片与所述微反应芯片接触的方式包括直接放置、粘贴和镶嵌中的一种或两种以上；

6.根据权利要求1所述的基于微反应器超声压电催化过硫酸盐处理水中有机污染物的系统，其特征在于，所述超声源组件包括依次通过导线相连接的超声波发生器、功率放大器和阻抗匹配仪，所述阻抗匹配仪和所述压电陶瓷片通过导线相连接。

7.根据权利要求1所述的基于微反应器超声压电催化过硫酸盐处理水中有机污染物的系统，其特征在于，所述进料装置包括第一液体容器和泵；

8.根据权利要求1所述的基于微反应器超声压电催化过硫酸盐处理水中有机污染物的系统，其特征在于，所述含有有机污染物的水包括含有染料、抗生素、酚类和内分泌干扰物中的一种或两种以上的水；

9.一种基于微反应器超声压电催化过硫酸盐处理水中有机污染物的方法，其特征在于，采用如权利要求1-8中任意一项所述的基于微反应器超声压电催化过硫酸盐处理水中有机污染物的系统；

10.根据权利要求9所述的基于微反应器超声压电催化过硫酸盐处理水中有机污染物的方法，其特征在于，所述含有有机污染物的水中有机污染物浓度为1mg/l～200mg/l；

技术总结
本发明公开了一种基于微反应器超声压电催化过硫酸盐处理水中有机污染物的系统及方法，系统包括依次连通的进料装置、超声微反应器和产物收集装置；超声微反应器包括微反应芯片、压电陶瓷片和超声源组件，压电陶瓷片和微反应芯片相接触，超声源组件通过导线和压电陶瓷片相连接，微反应芯片内设置有微通道，微通道的入口流道和出口流道分别与微反应芯片的液体入口和液体出口相对应。本发明通过将微反应器与超声压电催化过硫酸盐技术相结合，使反应物料在微通道内输送的同时，通过超声源组件对反应物料进行超声压电催化降解反应，显著提升超声能量利用率，并提高降解速率以缩短反应时间，实现水中有机污染物的高效降解。

技术研发人员：师亚威,马畅,杨耀,赵洁,李梦琪,孙亚,丁光辉
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/12