CN103936294B - 一种镀膜玻璃片的制备方法以及光催化净水装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种镀膜玻璃片的制备方法以及光催化净水装置，镀膜玻璃片的制备方法包括：取2重量份无水乙醇，加入钛酸丁酯，充分溶解后加入冰醋酸得到第一溶液；取1重量份无水乙醇，调节pH值后加入FeCl₃搅拌均匀后得到第二溶液，将第二溶液逐滴滴入第一溶液中，剧烈搅拌直至形成二氧化钛溶胶，采用浸渍提拉法在玻璃片表面覆盖一层二氧化钛溶胶，真空下干燥并活化后得到镀膜玻璃片；光催化净水装置包括壳体、紫外光源、光催化室和超滤组件，光催化室内设有多个采用上述制备方法制成的镀膜玻璃片；光催化净水装置对待净化的水采用过滤、光催化氧化和超滤三重净化，不仅能够完全去除水中的消毒副产物，还能有效抑制细菌滋生，提高了最终出水效果。

Description

一种镀膜玻璃片的制备方法以及光催化净水装置

技术领域

本发明属于环保与节能技术领域，涉及一种玻璃片的制备方法以及催化式净水装置。

背景技术

我国水资源总量上并不丰富，特别是近年来由于地表水源受到工业废水的乱排乱放、不合理的矿产开发以及诸多人为因素的影响，已经有上百种有机化合物、重金属离子等进入水源，使得饮用水的安全性越来越令人担忧，水资源面临匮乏的问题越来越突出。解决这一问题的根本措施在于对水源污染物进行控制排放和减量排放以及水厂对水源污染物的深度处理，但上述措施在短期内均难以实现。

目前，在全国县级以上的4000多家自来水厂中，有98%仍在使用传统的水处理工艺，该种处理工艺难以有效去除水中含有的重金属离子和有机化合物。另外，有些自来水厂采用吸附净化或超滤净化等处理手段来净化水，虽然能够使水中的一些有害物质得到有去除，但是吸附剂的更换和再生比较困难，若长久不更换更易滋生细菌，从而对饮用者的健康造成额外的损害。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种镀膜玻璃片的制备方法以及光催化净水装置，该光催化净水装置不仅能够有效去除水中的多种有机或无机消毒副产物还能同时抑制水中细菌的滋生。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种镀膜玻璃片的制备方法，其包括如下步骤：

（1）、取2重量份无水乙醇，加入钛酸丁酯，待充分溶解后加入冰醋酸作为抑制剂，得到第一溶液；

（2）、取1重量份无水乙醇，用去离子水调节pH值至2.0±0.2，加入FeCl₃搅拌均匀后得到第二溶液；

（3）、将第二溶液逐滴滴入第一溶液中，剧烈搅拌直至形成二氧化钛溶胶；

（4）、采用浸渍提拉法在玻璃片表面覆盖一层二氧化钛溶胶，把覆盖有二氧化钛溶胶的玻璃片置于真空下干燥，用马弗炉对玻璃片上的二氧化钛进行活化，得到镀膜玻璃片。

上述无水乙醇与钛酸丁酯的体积比为5:1，冰醋酸和钛酸丁酯的摩尔比为0.5，FeCl₃的摩尔分数为钛酸丁酯的0.4%。

一种光催化净水装置，包括由隔紫外光的材料制成的壳体、设置在壳体内的光催化室以及设置在壳体的内表面和光催化室的外表面所形成空腔内的若干个紫外光源，壳体的顶部设有进水口并且其底部设有出水口，光催化室包括由透光材料制成的外壳和多块插接在外壳内侧面上预留的插孔内的镀膜玻璃片，镀膜玻璃片由权利要求1的制备方法而制成。

上述隔紫外光的材料为不锈钢、碳钢、玻璃钢和隔光塑料中的一种。上述紫外光源为波长为254nm的紫外灯。进一步地，若干个紫外灯均匀排布在外壳的周围，优选地，紫外灯有四根。

上述透紫外光的材料为有机玻璃。上述进水口的底部设有滤网，优选地，滤网的平均网孔孔径为100～130目。上述光催化净水装置还包括用于对从光催化室的排水口排出的水进行超滤的超滤组件，超滤组件的一端与排水口相连并且其另一端与出水口相连。进一步地，超滤组件由并联的两排纳滤膜组成，优选地，纳滤膜用于截留分子量为200～1000的污染物。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

在本发明的光催化净水装置中，因为光催化室的透光外壳能够使紫外光源所发出的紫外光透射到光催化室内，从而对光催化室内的水进行紫外杀菌，并且透射的紫外光同时也能使光催化室内的镀膜玻璃片上的二氧化钛产生光生空穴和光生电子，光生空穴可使光催化室内的水产生具有强氧化性的羟基自由基，该羟基自由基能够把水中的污染物降解成无害物质，所以光催化净水装置能够同时利用紫外杀菌法和光催化氧化法对水进行双重净化，从而提高了水的净化效果。

附图说明

图1为本发明实施例中的光催化净水装置的结构示意图。

图2为图1所示实施例的俯视图。

附图标记：

壳体1、光源室2、滤网3、外壳4、纳滤膜5、紫外灯6、光催化室7、镀膜玻璃片8、进水口9、出水口10、排水口11、排水管12、出水管13和超滤室14。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

实施例

本实施例提供了一种用于对水进行净化的光催化净水装置，其不仅能够有效去除水中的污染物（例如自来水在消毒过程中产生的多种副产物）还能同时杀灭水中的细菌。该光催化净水装置包括壳体1、光催化室7、光源室2和超滤室14。

其中，壳体1为空心的立方体结构，由阻隔紫外光透过的隔光材料制成。该隔光材料可以为不锈钢、碳钢、玻璃钢和隔光塑料中的任意一种。壳体1的顶部设有进水口9并且其侧壁的底部设有出水口10。进水口9的底部设有滤网3，滤网3用于对从进水口9进入的待净化水中的颗粒物进行过滤。滤网3的平均网孔孔径为100～130目。

光催化室7设置在滤网3的下方，用于对被滤网3过滤后的水进行氧化除污。光催化室7包括外壳4和设置在外壳4内的多块镀膜玻璃片8。外壳4由允许紫外光透射的透光材料制成，本实施例中为有机玻璃。外壳4的底部设置有排水口11，排水口11用于把经过光催化室7处理后的水排出。外壳4的内侧面上预留了多个图中未显示的插孔，镀膜玻璃片8一一对应插接在相应的插孔内。多块镀膜玻璃片8在外壳4的内侧面上排列成数排，相邻两排的镀膜玻璃片8呈错位排列，每排中相邻两块镀膜玻璃片8之间留有用于供过滤后的水通过的间隙。上述的镀膜玻璃片8采用溶胶凝胶法自行制得，其制备方法如下：

第一步，取2重量份无水乙醇，加入钛酸丁酯作为前驱体，待充分溶解后加入冰醋酸作为抑制剂，得到第一溶液；

第二步，取1重量份无水乙醇，用去离子水调节pH值至2.0±0.2，加入FeCl₃搅拌均匀后得到第二溶液；

第三步，将第二溶液逐滴滴入第一溶液中，剧烈搅拌直至形成二氧化钛溶胶；

第四步，采用浸渍提拉法在玻璃片表面覆盖一层二氧化钛溶胶，把覆盖有二氧化钛溶胶的玻璃片置于真空下干燥，然后用马弗炉对干燥后的二氧化钛进行活化，以除去二氧化钛溶胶中的有机成分，得到本实施例所使用的镀膜玻璃片。

其中，无水乙醇与钛酸丁酯的体积比为5:1，冰醋酸和钛酸丁酯的摩尔比为0.5，FeCl₃的摩尔分数为钛酸丁酯的0.4%。

光源室2是壳体1的内表面和光催化室7的外表面所围成的空腔，其内设置有多个用于发射紫外光的紫外光源。本实施例中的紫外光源为波长为254nm的紫外灯6。紫外灯6共有四根，它们均匀排布在光催化室7的周围，以确保光催化室7内的光照均匀。因为光催化室7的外壳4由允许紫外光透射的透光材料制成，所以紫外灯6所发出的紫外光能够透过光催化室7的外壳4而入射到光催化室7内。透射的紫外光不仅对光催化室7内的水具有杀菌抑菌作用，还使得镀膜玻璃片8产生能够氧化水中某些污染物的羟基自由基(·OH)和能够还原水中另一些污染物的光生电子（e^ˉ），从而同时对光催化室7内的水进行杀菌和氧化型或者还原型除污处理。紫外光使得镀膜玻璃片8产生羟基自由基的原理如下：

二氧化钛（TiO₂）是n型半导体材料中的一种，禁带(Forbidden Band)为3.2eV，在波长小于或等于387.5nm的光线（例如紫外光）的照射下，二氧化钛价带(Valence Band)中的电子会受激发而传到导带（Conduction Band）上，形成高活性带负电的光生电子，与此同时价带也会产生光生空穴（h⁺）。光生电子具有强还原性，光生空穴具有强氧化性，从而形成电子-空穴对氧化还原性体系。光生电子与光生空穴会在电场的作用下发生分离，从而迁移到二氧化钛粒子表面的各个位置。一方面，粒子表面的光生空穴可以将附着在其表面的OH^ˉ和H₂O分子氧化成羟基自由基。羟基自由基的标准电极电位为2.80eV，是水体中存在的氧化能力最强的氧化剂，能够不加选择地全部氧化水中因消毒而产生的有机污染物或部分氧化水中的因消毒而产生的无机污染物，使其最终降解成CO₂、H₂O以及其它无害物质，因此不会产生二次污染物；另一方面，二氧化钛的表面产生的光生电子具有很强的还原能力，可以将水体中的某些污染物质进行还原而去除。因此，采用紫外光源加上镀膜玻璃片8对水进行净化具有生物降解所无可比拟的高速度、无选择性和降解完全等优点，而且价格低廉、不产生新的有毒有害物质和具有副作用的物质，能够有效地避免二次污染，能够长期使用，具有广阔的应用前景。掺杂的FeCl₃又能够有效抑制光生电子和光生空穴的复合，提高了量子效率，得到更好的降解效果。因此，本实施例的光催化净水装置通过光催化氧化作用，将水中的消毒副产物等污染物彻底矿化，能够去除常规水处理工艺所无法降解的有机物或具有潜在威胁的污染物质，如三卤甲烷（THMs）、卤乙酸（HAAs）和可能的三氯乙醛氢氧化物（CH）。实践证明，光催化净水装置对这些消毒副产物的去除效果达100%。

超滤室14设置在光催化室7的下方，内置了用于对从排水口11排出的水进行超滤的超滤组件。超滤组件由并联的两排纳滤膜5组成，纳滤膜5的一端通过排水管12与排水口11相连并且另一端通过出水管13与出水口10相连，用于截留水中分子量为200～1000的污染物。经过光催化降解后的水再经由纳滤膜5反应体系进行过滤，能够有效保证净化后的水的水质安全。

本实施例中的光催化净水装置对待净化的水进行净化的步骤如下：

（1）、当待净化的水通过进水口9流入时，滤网3将待净化的水中的悬浮物或大型颗粒物截留下来，截留完毕后的水进入光催化室7；

（2）、紫外灯6发出的紫外光对光催化室7中的细菌进行杀灭并激发镀在镀膜玻璃片8表面的二氧化钛产生电子-空穴对氧化还原性体系，光生空穴能够将H₂O分子氧化成具有很强的氧化活性的羟基自由基，从而不加选择地对水中的有机或无机污染物进行氧化，使其最终降解成CO₂和H₂O等无害物质，同时，光生电子具有很强的还原能力，能够将水中的某些污染物质进行还原而去除；光催化氧化完毕的水进入超滤室14；

（3）、超滤室14内的纳滤膜5截留水中分子量为200～1000的污染物，经过纳滤膜5净化后的水最终从出水口10排出，供使用者使用。图1中的短箭头表示水的流向。

本实施例中的光催化净水装置具有以下优点：

首先，光催化净水装置先后采用纱网、光催化室和超滤室对待净化的水进行逐级净化，将过滤、光催化氧化和超滤步骤结合在一起，大大提高了出水质量。

其次，紫外光和光催化生成的羟自由基不仅具有强烈的抑止细菌生长和杀菌消毒的能力，还可以彻底去除饮用水在消毒阶段产生的多种消毒副产物，极大地提高了饮用水的安全性，具有出许多传统水处理技术无法比拟的优异特性。

另外，光催化净水装置的镀膜玻璃片一一插接在外壳的内侧面预留的插孔内，便于更换，具体更换周期视水质而定，以保证较好的出水效果。

最后，光催化净水装置结构简单，质量小，制造成本低，可直接与自来水龙头相连，也可以与饮水机相连，应用范围比较灵活。

总之，本实施例中的光催化净水装置采用自制的镀膜玻璃片，不仅能够完全除去水中的多种消毒副产物，还能利用紫外光的杀菌作用有效抑制细菌滋生，同时又以超滤作为保安过滤手段，有效地确保了水质安全，具有广阔的应用前景。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种光催化净水装置，其特征在于：包括由隔紫外光的材料制成的壳体、设置在所述壳体内的光催化室以及设置在由所述壳体的内表面和所述光催化室的外表面所形成空腔内的若干个紫外光源，所述壳体的顶部设有进水口并且其底部设有出水口，所述光催化室包括由透紫外光的材料制成的外壳和多块插接在所述外壳内侧面上预留的插孔内的镀膜玻璃片；

所述紫外光源为波长为254nm的紫外灯，所述若干个紫外灯均匀排布在所述外壳的周围；

所述镀膜玻璃片的排列方向与水平面平行；

所述镀膜玻璃片的制备方法包括如下步骤：

取2重量份无水乙醇，加入钛酸丁酯，待充分溶解后加入冰醋酸作为抑制剂，得到第一溶液；

取1重量份无水乙醇，用去离子水调节pH值至2.0±0.2，加入FeCl₃搅拌均匀后得到第二溶液；

将所述第二溶液逐滴滴入所述第一溶液中，剧烈搅拌直至形成二氧化钛溶胶；

采用浸渍提拉法在玻璃片表面覆盖一层所述二氧化钛溶胶，把覆盖有所述二氧化钛溶胶的玻璃片置于真空下干燥，用马弗炉对所述玻璃片上的二氧化钛进行活化，得到镀膜玻璃片。

2.根据权利要求1所述的光催化净水装置，其特征在于：所述隔紫外光的材料为不锈钢、碳钢、玻璃钢和隔光塑料中的一种。

3.根据权利要求1所述的光催化净水装置，其特征在于：所述紫外灯有四根。

4.根据权利要求1所述的光催化净水装置，其特征在于：所述透紫外光的材料为有机玻璃。

5.根据权利要求1所述的光催化净水装置，其特征在于：所述进水口的底部设有滤网。

6.根据权利要求5所述的光催化净水装置，其特征在于：所述滤网的平均网孔孔径为100～130目。

7.根据权利要求1所述的光催化净水装置，其特征在于：还包括用于对从所述光催化室的排水口排出的水进行超滤的超滤组件，所述超滤组件的一端与所述排水口相连并且其另一端与所述出水口相连。

8.根据权利要求7所述的光催化净水装置，其特征在于：所述超滤组件由并联的两排纳滤膜组成。

9.根据权利要求8所述的光催化净水装置，其特征在于：所述纳滤膜用于截留分子量为200～1000的污染物。

10.根据权利要求1所述的光催化净水装置，其特征在于：所述无水乙醇与所述钛酸丁酯的体积比为5:1。

11.根据权利要求1所述的光催化净水装置，其特征在于：所述冰醋酸和所述钛酸丁酯的摩尔比为0.5。

12.根据权利要求1所述的光催化净水装置，其特征在于：所述FeCl₃的摩尔分数为所述钛酸丁酯的0.4％。