CN105798057A - 一种旋转式反应发生器及基于旋转式反应发生器光催化修复有机污染土壤的方法 - Google Patents

一种旋转式反应发生器及基于旋转式反应发生器光催化修复有机污染土壤的方法 Download PDF

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李智
靳菁
罗文连
贺治国
周洁
王子规
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    • B09C—RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09C1/00—Reclamation of contaminated soil
    • B09C1/08—Reclamation of contaminated soil chemically

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Abstract

本发明公开了一种旋转式反应发生器及基于旋转式反应发生器光催化修复有机污染土壤的方法；旋转式反应发生器包括操作面板、电机和旋转搅拌筒；旋转搅拌筒内壁设有搅拌叶片，旋转搅拌筒内轴芯处设有紫外灯杆；采用旋转式反应发生器修复有机污染土壤的方法为：在有机污染土壤中掺入铁掺杂介孔纳米二氧化钛颗粒后，加入到旋转式反应发生器的旋转搅拌筒内；开启电机及紫外灯杆，通过电机带动旋转搅拌筒转动，使有机污染土壤在搅拌叶片作用下充分搅拌混合，进行紫外光催化反应；该旋转式反应发生器能使土壤与紫外光充分接触，促进有机物污染土壤中有机物快速、高效光催化降解，实现有机污染土壤的快速高效修复。

Description

一种旋转式反应发生器及基于旋转式反应发生器光催化修复有机污染土壤的方法
技术领域
本发明涉及一种用于有机污染土壤的光催化修复的装置，以及涉及利用该装置进行光催化修复有机污染土壤的方法，属于有机污染物修复技术领域。
背景技术
光催化反应是指光诱导的发生在光催化剂与其表面吸附物、或有机物之间的一种光化学反应。光催化剂主要是指一些半导体物质，它们在吸收一定波长的光线后产生光生载流子光致空穴与光生电子，光生载流子可能复合，也可能俘获催化剂表面的吸附物，产生一些活性极高的活性氧自由基或直接与表面的有机物发生氧化还原反应。
光催化反应是土壤中有机污染物非生物转化的一种重要形式，自从20世纪70年代开始这一领域的研究以来，人们进行了大量的工作。最初的光催化研究都集中于水体，后来逐步扩展到土壤表面农用化学品的降解。有机污染物在土壤中的光催化效果与在水***中相比有很大的区别，光催化速率慢，这主要与土壤对光的阻碍效应有关，但是与在土壤中的其它迁移转化过程相比，光转化则很快，因此光催化降解是有机污染物在土壤表面降解的一种重要途径。
有机污染物在土壤表面可发生各种不同类型的光化学反应。一方面，滞留在土壤表面的某些有机污染物自身可以吸收一定波长的光子，从而利用吸收的能量发生直接光化学反应。另一方面，在光照的土壤表面可以形成大量的单线态氧，一些不能直接吸收光子能量的有机污染物与这些单线态氧可以发生光氧化反应。另外，土壤中的一些粘土矿物具有光催化活性，吸收光子后形成的光致电子和光致空穴以及由此产生的一些活性氧自由基能够将有机污染物氧化或还原。在这些光化学反应过程中，有机污染物被破坏，但土壤的结构和性质受到的影响较小而且往其中添加可能促进污染物光化学反应的快速进行，这使得光化学技术成为一种潜在的可选择的土壤修复技术。
入射光依据波长不同在土壤中的穿透深度有限，因此光化学反应只能发生在土壤表面有限的薄层内，而下层的污染物只有通过扩散迁移到光照区域后才能发生光化学反应。这是土壤中有机污染物光化学反应缓慢从而限制光化学技术在土壤修复中应用的重要原因之一。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的一个目的是在于提供一种能使有机污染土壤与紫外光充分接触，促进有机物污染土壤中有机物快速、高效光催化降解的旋转式反应发生器。
本发明的另一个目的是在于提供一种基于所述旋转式反应发生器快速、高效光催化降解有机物，实现有机污染土壤修复的方法。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种用于有机污染土壤修复的旋转式反应发生器，该旋转式反应发生器包括操作面板、电机和旋转搅拌筒；所述旋转搅拌筒内壁设有若干搅拌叶片，旋转搅拌筒内轴芯处设有紫外灯杆。
优选的方案，紫外灯杆***设有石英管，所述紫外灯杆套在所述石英管内。
较优选的方案，石英管体紫外线透射率为85％～90％。
较优选的方案，紫外灯杆输出功率为1071μW/cm2，主波峰254nm。
优选的方案，旋转搅拌筒壁上设有物料进出口。
优选的方案，电机与旋转搅拌筒之间通过齿轮承接。
优选的方案，电机及紫外灯杆由操作面板控制。
本发明还提供了一种基于旋转式反应发生器光催化修复有机污染土壤的方法，该方法是在有机污染土壤中掺入铁掺杂介孔纳米二氧化钛颗粒后，加入到所述旋转式反应发生器的旋转搅拌筒内；开启电机及紫外灯杆，通过电机带动旋转搅拌筒转动，使有机污染土壤在搅拌叶片作用下充分搅拌混合，进行紫外光催化反应。
优选的方案，有机污染土壤的pH控制在6.3～7.5，水质量百分比含量为30％～50％。
优选的方案，铁掺杂介孔纳米二氧化钛颗粒在有机污染土壤中的掺入质量百分比含量为1％～3％。
优选的方案，旋转搅拌筒旋转速率为40～80r/min，反应时间以8～16h为周期。
本发明的铁掺杂介孔纳米二氧化钛纳米颗粒通过如下方法制备得到：将偏钛酸用碱性溶液中和后，加入氧化铁混合，再通过喷雾干燥得到球形颗粒，所述颗粒通过烧结，即得。
相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益技术效果：
本发明的旋转式反应发生器能使有机物污染土壤接受持续有效的紫外光照，大大增强传质效率，能促进有机物污染土壤中的有机物进行光化学反应，实现有机物污染土壤的快速、高效修复。
本发明的旋转式反应发生器的旋转搅拌筒内壁设有搅拌叶片，轴心设有紫外灯杆，在旋转搅拌筒旋转过程中，搅拌叶片能使有机物污染土壤充分搅拌混合，提高传质效率，同时，通过搅拌叶片可以使有机物污染土壤均匀分布在紫外灯照射范围内，增加了有机污染土壤与紫外光接触时间，消除空间位阻对光催化的影响，大大提高了光催化效率，缩短反应周期，实现有机物的快速、高效降解。
本发明的技术方案中采用了光催化性能较好的铁掺杂介孔纳米二氧化钛纳米颗粒，充分利用其掺杂效应及多孔效应，大大提高光催化效率，大大缩短了光催化反应时间。
本发明的旋转式反应发生器设置简单，操作方便，投资成本低，有利于推广应用。
本发明通过旋转式反应发生器处理有机物污染土壤污染的方法周期短，可以实现机械化生产，无二次污染，满足工业化生产应用要求。
附图说明
【图1】为本发明的旋转式反应发生器简图；
其中，
1为电机，2为齿轮，3为物料进出口，4为搅拌叶片，5为石英管，6为紫外灯杆。
具体实施方式
以下实施例旨在进一步说明本发明内容，而不是限制本发明权利要求的保护范围。
图1为本发明的旋转式反应发生器。旋转式反应发生器主要包括操作面板(图中未显示出，但其设置为本领域公知常识)、电机1和旋转搅拌筒7；电机1主要为旋转搅拌筒7提供动力，电机1与旋转搅拌筒7之间通过齿轮2承接，电机1通过齿轮2带动旋转搅拌筒7转动。所述旋转搅拌筒7内壁设有若干搅拌叶片4，旋转搅拌筒7内轴芯处设有紫外灯杆6。搅拌叶片4均匀分布在旋转搅拌筒7内壁，主要作用是用于土壤的搅拌混合，增强传质效率。紫外灯杆6设置的旋转搅拌筒7的轴心处，紫外灯杆6给旋转搅拌筒7内提供紫外光源。紫外灯杆6外部设有石英管5，石英管5主要用于保护紫外灯杆6。旋转搅拌筒7筒壁上设有物料进出口3，既为物料进口也为物料出口，且包含有可以关和闭的阀或盖。操作面板控制电机1和紫外灯杆6的开关。
实施例1
用偏钛酸作原料，先用碱性溶液(NH4OH水溶液、NaOH水溶液或二者的组合)中和偏钛酸，将其pH调至7～9，随后将氧化铁以质量比1:100的比例加入偏钛酸中，用热空气把偏钛酸喷雾干燥，得到球形颗粒，之后在500℃的温度下烧结该颗粒2小时，得到TiO2粉末(铁掺杂介孔纳米二氧化钛纳米颗粒)。该TiO2粉末具有分级的多孔二级颗粒和极大的比表面积，是一种经济并且高效的TiO2粉末。
实施例2
选取对硝基酚(PNP)和五氯酚(PCP)作为目标污染物，研究土壤中酚类污染物的光化学过程。首先将受污染的土壤样品透过100目的筛网，去除碎石和大颗粒杂物，调节土壤的pH为6.5，含水率为50％，并添加2％的自制TiO2粉末。处理完毕后，加入旋转反应发生器，设置旋转速度50r/min，反应时间为12h。反应结束后，PNP的初始浓度从100mg/kg下降到21.2mg/kg，光转化率为71.8％，继续反应12h后，浓度降到13.7mg/kg，光转化率为86.3％；PCP的初始浓度从100mg/kg下降到23.7mg/kg，光转化率为76.3％，继续反应12h后，浓度降到3.5％，光转化率为96.5％。
实施例3
选取苯并[a]芘(BaP)作为目标污染物，研究土壤中多环芳烃(PAHs)的光化学过程。苯并[a]芘(BaP)是具有5环结构的典型大分子PAH，是最具潜在致癌性的一种PAHs，也是被研究最多的污染物之一。首先将受污染的土壤样品透过100目的筛网，去除碎石和大颗粒杂物，调节土壤的pH为6.3，含水率为35％，并添加2％的自制TiO2粉末。处理完毕后，加入旋转反应发生器，设置旋转速度50r/min，反应时间为12h。反应结束后，PNP的初始浓度从100mg/kg下降到67.3mg/kg，光转化率为32.7％，继续反应12h后，浓度降到41.2mg/kg，光转化率为58.8％，继续反应12h后，浓度降为38.4mg/kg，光转化率为61.6％，反应96h后，浓度降为12.3mg/kg，光转化率为87.7％。

Claims (10)

1.一种用于有机污染土壤修复的旋转式反应发生器，其特征在于：包括操作面板、电机和旋转搅拌筒；所述旋转搅拌筒内壁设有若干搅拌叶片，旋转搅拌筒内轴芯处设有紫外灯杆。
2.根据权利要求1所述的用于有机污染土壤修复的旋转式反应发生器，其特征在于：所述的紫外灯杆***设有石英管，所述紫外灯杆套在所述石英管内。
3.根据权利要求2所述的用于有机污染土壤修复的旋转式反应发生器，其特征在于：所述的石英管紫外线透射率为85％～90％。
4.根据权利要求2所述的用于有机污染土壤修复的旋转式反应发生器，其特征在于：所述的紫外灯杆输出功率为1071μW/cm2，主波峰254nm。
5.根据权利要求1所述的用于有机污染土壤修复的旋转式反应发生器，其特征在于：所述的旋转搅拌筒壁上设有物料进出口。
6.根据权利要求1～5任一项所述的用于有机污染土壤修复的旋转式反应发生器，其特征在于：所述的电机与旋转搅拌筒之间通过齿轮承接；所述的电机及紫外灯杆由操作面板控制。
7.基于权利要求1～6任一项所述的旋转式反应发生器光催化修复有机污染土壤的方法，其特征在于：在有机污染土壤中掺入铁掺杂介孔纳米二氧化钛颗粒后，加入到所述旋转式反应发生器的旋转搅拌筒内；开启电机及紫外灯杆，通过电机带动旋转搅拌筒转动，使有机污染土壤在搅拌叶片作用下充分搅拌混合，进行紫外光催化反应。
8.根据权利要求7所述的基于旋转式反应发生器光催化修复有机污染土壤的方法，其特征在于：所述的有机污染土壤的pH控制在6.3～7.5，水质量百分比含量为30％～50％。
9.根据权利要求7所述的基于旋转式反应发生器光催化修复有机污染土壤的方法，其特征在于：所述的铁掺杂介孔纳米二氧化钛颗粒在有机污染土壤中的掺入质量百分比含量为1％～3％。
10.根据权利要求7所述的基于旋转式反应发生器光催化修复有机污染土壤的方法，其特征在于：所述的旋转搅拌筒旋转速率为40～80r/min，反应时间以8～16h为周期。
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