CN107200376B - 转盘光触媒废水处理装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种转盘光触媒废水处理装置及方法，该装置包括旋转电机等，旋转电机与金属导电转轴的一端连接，所述金属导电转轴的另一端设有固定面，圆形导电基光阳极转盘贴合固定面并与金属导电转轴呈垂直连接；所述圆形导电基光阳极转盘整体水平浸没于废水反应池的待处理废水中，并贴***行于圆形导电基光阳极转盘平面安装的一个石英玻璃透光窗，紫外辐照光源正对着石英玻璃透光窗；圆形导电基光阳极转盘外侧安装有导电对电极。本发明利用圆形导电基光阳极转盘的转动提供机械切向速度，增强传质，提高反应效率。
Description
技术领域
本发明涉及工业废水处理技术领域，具体地，涉及一种转盘光触媒废水处理装置及方法。
背景技术
工业废水达标排放日益严格，部分地区已实施GB18918-2002中一级B标准，COD排放指标仅为60mg/L，客观上对废水处理的技术提出了更高的要求。常用的工业废水COD处理方法中，混凝沉淀、离子交换均为辅助方法；活性炭吸附仅用作末端处理，处理费用很高，且活性炭吸附饱和后需再生；好氧与厌氧等生化方法需预先对水质进行调节，使得pH、COD负荷适合微生物处理，大部分工业废水尤其是难降解工业废水无法处理到所需排放指标；膜分离方法浓水无法有效处理。因此，需发展直接彻底矿化COD的高级氧化废水深度处理方法，以满足低COD处理的需求。
已有的矿化COD高级氧化方法如Fenton试剂方法、超临界氧化方法各有自身的优劣，比如Fenton方法需不断投加H2O2、超临界方法则处理费用与对设备的要求都很高，而光催化废水处理技术不但不需要投入化学药剂，在酸性与碱性废水介质中都能有效反应，还能在紫外照射条件下，自身产生电能输出，将废水中的污染物中的化学能转化为电能回收，理论上具有较好的经济性。这种能同步产电并降解废水的光催化反应器统称为光催化燃料电池反应器(PFC)。与粉末为光触媒的光催化废水处理不同，由于光催化燃料电池反应器要回收电能，光触媒必须负载在导体上，以便导出光催化反应产生的电子，对外供电。因此，必须将光触媒负载后制成光催化电极(又叫光催化阳极)。以TiO2为代表的半导体光触媒为固体，废水中的污染物则分散在废水溶液中，污染物需扩散到固体电极表面才能与光触媒上的激发空穴发生界面反应，具有典型界面反应的特点。在以低浓度COD废水为处理对象时，传质阻力是速度限制步骤，因此，如何克服传质阻力光催化燃料电池反应器废水处理设计需要克服的主要难点之一。
斜板反应器起到降低传质阻力的作用。但斜板反应器仅依靠重力流进行切割，反应速率提高有限。而现有的光催化转盘反应器主要是为了减少溶液光吸收损失，传质强化也很有限。如中国专利文献号CN102398955提出的一种双转盘光电液膜反应器，该反应器通过转轴带动光阳极转盘和光阴极转盘的同时转动来进行废水降解，转盘一半的面积浸没在溶液中，通过转动在表面形成液膜，减少了溶液吸收和光的反射。而转盘转动中液膜随着转盘一起转动，并无相对剪切速率，传质增强有限，有待提高。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种转盘光触媒废水处理装置及方法。
根据本发明的一个方面，提供一种转盘光触媒废水处理装置，其特征在于，包括旋转电机、金属导电转轴、圆形导电基光阳极转盘、导电对电极、废水反应池、紫外辐照光源，旋转电机与金属导电转轴的一端连接，所述金属导电转轴的另一端设有固定面，圆形导电基光阳极转盘贴合固定面并与金属导电转轴呈垂直连接；所述圆形导电基光阳极转盘整体水平浸没于废水反应池的待处理废水中，并贴***行于圆形导电基光阳极转盘平面安装的一个石英玻璃透光窗，紫外辐照光源正对着石英玻璃透光窗；圆形导电基光阳极转盘外侧安装有导电对电极，导电对电极的横切面中心平面与圆形导电基光阳极转盘在同一平面，即与圆形导电基光阳极转盘电极同心安装；在圆形导电基光阳极转盘、导电对电极与石英玻璃窗之间形成废水处理狭缝区；运行中，紫外辐照光源的紫外光由石英玻璃窗射入，辐照在圆形导电基光阳极转盘表面，圆形导电基光阳极转盘在旋转电机带动下转动，废水从废水反应池底部进入，经过废水处理狭缝区后从另一侧排出。
优选地，所述圆形导电基光阳极转盘在待处理废水中同步辐照同步转动，废水与高速转动的光催化电极界面反应。这样使光阳极转盘在高速转动的过程中，切割废水溶液，污染物更快地迁移至光催化界面以及光触媒表面产生更多的自由基两个角度同时增强传质。
优选地，所述金属导电转轴为金属材质(包括不局限于铜、铁、铝材质)，金属导电转轴固定面为两层台阶结构，底层台阶的宽度大于上层台阶的宽度，接触面与圆形导电基光阳极转盘贴合，起到固定圆形导电基光阳极转盘作用，上层台阶呈D型，与圆形导电基光阳极转盘的通孔对应，装入圆形导电基光阳极转盘后，圆形导电基光阳极转盘无法相对转轴滑动；上层台阶中心位置向内钻同心圆孔，同心圆孔内壁铣内螺纹，用于连接螺丝。这样能将光阳极转盘固定于金属转轴上不产生相对的滑动，保证转盘导电。
优选地，所述圆形导电基光阳极转盘采用金属导电基底材料(包括不局限于钛、不锈钢材质)，圆形导电基光阳极转盘的盘面呈圆形，圆形导电基光阳极转盘的中心预留同心通孔，用于固定盘面；同心通孔3/4边呈圆形，1/4边呈直线型，同心通孔整体呈D型。这样能固定光阳极转盘，使转盘无法相对金属转轴转动。
优选地，所述导电对电极为矩形截面圆形铜环，内径稍大于圆形导电基光阳极转盘，与圆形导电基光阳极转盘呈同心安装。这样使光催化过程中产生的光电子能够迁移到对电极上，降低光电子和光生空穴的复合率，从而提高催化效率。
优选地，所述废水反应池底部设有一个出水口和一个入水口。这样能够通过出入水口，使废水从反应池底部进入，经过转盘与反应池底部之间的处理狭缝区后被排出。
优选地，所述圆形导电基光阳极转盘的一个基底上设有光催化剂，光催化剂为可见光或紫外光光触媒。这样能固定光触媒，避免催化剂进入水体，可直接将转盘回收二次利用。
本发明提供一种转盘光触媒废水处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，采用溶胶凝胶或阳极氧化或水热、溶剂热方法，均匀在切割好的圆形导电基光阳极转盘上制成一层光触媒薄膜，烧结后冷却；
第二步，将负载了光催化剂的圆形导电基光阳极转盘，按照O型软性垫圈、圆形导电基光阳极转盘、螺丝的形式安装到金属导电转轴并固定；
第三步，将的圆形导电基光阳极转盘与金属导电转轴连接旋转电机，调整器件高度使得的圆形导电基光阳极转盘呈水平安置在在废水反应池中；
第四步，在废水反应池中加入有机废水，并通过外部导线、接触滑轨分别将导电对电极和金属导电转轴相连接；
第五步，打开旋转电机与UV或可见光辐照光源，通过调速器调节转速，使圆形导电基光阳极转盘在辐照条件下，保持高速转动，切割废水溶液；
第六步，打开外部循环泵，从进水口进水，连续处理废水，处理后废水从出水口排出。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
一，本发明利用圆形导电基光阳极转盘的转动提供机械切向速度，增强传质，提高反应效率。
二，本发明在辐照条件下同步转动，从污染物迁移至光催化界面以及光触媒表面产生自由基两个角度同时增强传质。
三，本发明在不使用外加氧化剂条件下，即可实现废水高效的污染物去除，满足废水排放要求。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明转盘光触媒废水处理装置的结构示意图。
图2为本发明中圆形导电基光阳极转盘、废水反应池等元件的结构示意图。
图3为金属导电转轴等元件的结构示意图。
图4为光阳极转盘的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图4所示，本发明转盘光触媒废水处理装置包括旋转电机1、金属导电转轴10、圆形导电基光阳极转盘3、导电对电极4、废水反应池2、紫外辐照光源7，旋转电机1与金属导电转轴10的一端连接，所述金属导电转轴的另一端设有固定面，圆形导电基光阳极转盘贴合固定面并与金属导电转轴呈垂直连接；所述圆形导电基光阳极转盘整体水平浸没于废水反应池的待处理废水中，并贴***行于圆形导电基光阳极转盘平面安装的一个石英玻璃透光窗13，紫外辐照光源7正对着石英玻璃透光窗13；圆形导电基光阳极转盘外侧安装有导电对电极4，导电对电极的横切面中心平面与圆形导电基光阳极转盘在同一平面，即与圆形导电基光阳极转盘电极同心安装；在圆形导电基光阳极转盘、导电对电极与石英玻璃窗之间形成废水处理狭缝区；运行中，紫外辐照光源的紫外光由石英玻璃窗射入，辐照在圆形导电基光阳极转盘表面，圆形导电基光阳极转盘在旋转电机带动下转动，废水从废水反应池底部进入，经过废水处理狭缝区后从另一侧排出。导电对电极可以是铜环对电极，这样结构简单，成本低。
紫外辐照光源7的外侧设有铝箔8，这样可以进行反射，更好的利用光源。
废水反应池底部设有一个出水口5和一个入水口6(直径为2mm)，在静态条件下作为取样口取水样。废水反应池底部设有石英玻璃，紫外辐照光源可以为两根11W的波长为254nm的紫外灯，放置于废水反应池下方。
圆形导电基光阳极转盘的一个基底上设有光催化剂12，光催化剂为可见光或紫外光光触媒。光催化剂12上设有金属基底导电层11。
圆形导电基光阳极转盘基底材料为金属，盘面呈圆形。转盘中心预留同心通孔15，用于固定盘面。同心通孔的孔径2～10mm。
导电对电极为矩形截面圆形铜环，内径稍大于圆形转盘，与光阳极转盘呈同心安装。
固定面为两层台阶结构，底层固定面台阶较宽，接触面与圆形导电基光阳极转盘贴合，起到固定圆形导电基光阳极转盘作用，上层台阶呈D型，与转盘通孔对应，装入转盘后，转盘无法相对转轴滑动。上层台阶中心位置向内钻同心圆孔15，孔内壁铣内螺纹，用于连接螺丝14。
本发明转盘光触媒废水处理方法包括以下步骤：
第一步，采用溶胶凝胶或阳极氧化或水热、溶剂热方法，均匀在切割好的圆形导电基光阳极转盘上制成一层光触媒薄膜，烧结后冷却；
第二步，将负载了光催化剂的圆形导电基光阳极转盘，按照O型软性垫圈、圆形导电基光阳极转盘、螺丝的形式安装到金属导电转轴并固定；
第三步，将的圆形导电基光阳极转盘与金属导电转轴连接旋转电机，调整器件高度使得的圆形导电基光阳极转盘呈水平安置在在废水反应池中；
第四步，在废水反应池中加入有机废水，并通过外部导线、接触滑轨分别将导电对电极和金属导电转轴相连接；
第五步，打开旋转电机与UV或可见光辐照光源，通过调速器调节转速，使圆形导电基光阳极转盘在辐照条件下，保持高速转动，切割废水溶液；
第六步，动态条件下，打开外部循环泵，从进水口进水，连续处理废水，处理后废水从出水口排出；静态条件下，关闭入水口，从出水口取样再测吸光度，计算色度去除率。
圆形导电基光阳极转盘采用基底材料为Ti，转盘直径为20mm，表面平滑，中间预留同心中心通孔，用于固定转盘。通孔3/4边呈圆形，孔径6mm；1/4边呈直线型，整体呈D型。光阳极转盘基底上利用溶胶-凝胶法、阳极氧化法负载TiO2。转轴与转盘连接处设有固定面，呈两层台阶，底层台阶较宽，接触面与转盘贴合，起到固定转盘作用。上层台阶呈D型，与转盘通孔对应，安装后穿过转盘孔径。转轴上层台阶中心位置同心铣内螺纹孔径3mm，用于连接螺丝。固定安装圆形导电基光阳极转盘时，先在圆形导电基光阳极转盘两面装入O型软性垫圈9，然后装入固定面，旋紧螺丝固定。固定后，侧视转盘与转轴呈90°，转动后侧视转盘边缘扰动不超过5°。调节器件高度使转盘呈水平放置于反应池底部，并贴近石英玻璃窗，转盘与石英玻璃窗距离为3mm。对电极为外径30mm，内径25mm的铜环，固定于反应池底部，与光阳极转盘呈同心安装，不转动，铜环中间通孔为辐照光源通路。通过外接导线连接旋转圆盘电极的金属导电转轴和铜环对电极。
金属导电转轴上固定安装圆形导电基光阳极转盘，通过调节圆形导电基光阳极转盘的转速来带动光阳极转盘的水平转动并控制转速，紫外辐照光源发出的紫外光从反应池下方照射在光阳极转盘表面，铝箔可用于反射紫外光，提高紫外光的强度。
不同转速的光触媒转盘深度处理模拟染料废水的应用。采用转盘光触媒废水处理装置，如图1所示，处理对象为20mg/L罗丹明B(pH5.6,0.05mol/L Na2SO4)模拟废水，等效COD浓度为45.76mg/L，废水体积10mL。采用钛板作为光阳极转盘基底，制成直径20mm的圆盘，预留同心中心通孔，用于固定转盘。通孔3/4边呈圆形，孔径6mm；1/4边呈直线型，整体呈D型，利用溶胶-凝胶法在基底上负载TiO2，然后按照O型垫片、转盘、O型垫片、3mm螺丝的形式安装到导电转轴并固定。以外径30mm，内径25mm的铜环作为对电极，并通过外加导线连接旋转圆盘电极的金属导电转轴和对电极。在反应池中加入模拟废水，调节器件高度，使光阳极转盘完全浸没于模拟废水中，置于反应池底部贴近石英玻璃，与石英玻璃窗距离为3mm。将铜环对电极放置于反应池底部，与光阳极转盘呈同心安装，反应池底部设有2mm直径的出水口和入水口，此实施例为静态条件，关闭入水口，将出水口作为取样口。启动旋转圆盘电极，使转盘水平转动，调节转速分别为0、200、400、800、1600rpm。采用两根功率为11W且波长为254nm的紫外灯作为辐照光源，从反应池底部照射，使紫外光透过石英玻璃和溶液层辐照到光阳极转盘表面。60min后取样分析，测定样品在563nm处的吸光度，并求得色度去除率(％)。本发明不同转速下测定的结果对比如下表1：
表1
从以上结果可以看出，转速高有利于处理效果的提高，并且转速越高，处理效果越好。
不同反应时间的转盘光触媒废水处理方法。如图1所示，处理对象为20mg/L罗丹明B(pH5.6，0.05mol/L Na2SO4)模拟废水，等效COD浓度为45.76mg/L，废水体积10mL。采用钛板作为光阳极转盘基底，利用溶胶-凝胶法将TiO2负载于光阳极转盘基底上。调节旋转圆盘电极的转速为1600rpm。分别在10、20、30、40、50、60min取样，在563nm波长下测定吸光度，求得色度去除率(％)，结果如下表2：
表2
| 时间(min) | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 |
| 色度去除率(％) | 17.42 | 36.54 | 50.44 | 61.59 | 70.03 | 76.29 |
| 等效COD浓度(mg/L) | 37.79 | 29.04 | 22.68 | 17.58 | 13.71 | 10.85 |
从以上结果可以看出，反应时间的延长有利于处理效果的提高，并且随着反应时间的延长，处理效果越好。
不同制膜方式的转盘光触媒废水处理方法。如图1所示，处理对象为20mg/L罗丹明B(pH5.6，0.05mol/L Na2SO4)模拟废水，等效COD浓度为45.76mg/L，废水体积10mL。采用钛板作为光阳极转盘基底，分别采用溶胶-凝胶法、硫酸阳极氧化法、水相阳极氧化法、有机相阳极氧化法四种制膜方法将TiO2负载于光阳极转盘基底上。调节旋转圆盘电极的转速为1600rpm，在60min时取样，在563nm波长下测定吸光度，求得色度去除率(％)。结果如下表3：
表3
从以上结果可以看出，不同的制膜方式都有较好的处理效果，其中以水相阳极氧化法的处理效果最佳。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种转盘光触媒废水处理装置，其特征在于，包括旋转电机、金属导电转轴、圆形导电基光阳极转盘、导电对电极、废水反应池、紫外辐照光源，旋转电机与金属导电转轴的一端连接，所述金属导电转轴的另一端设有固定面，圆形导电基光阳极转盘贴合固定面并与金属导电转轴呈垂直连接；所述圆形导电基光阳极转盘整体水平浸没于废水反应池的待处理废水中，并贴***行于圆形导电基光阳极转盘平面安装的一个石英玻璃透光窗，紫外辐照光源正对着石英玻璃透光窗；圆形导电基光阳极转盘外侧安装有导电对电极，导电对电极的横切面中心平面与圆形导电基光阳极转盘在同一平面，即与圆形导电基光阳极转盘电极同心安装；在圆形导电基光阳极转盘、导电对电极与石英玻璃透光窗之间形成废水处理狭缝区；运行中，紫外辐照光源的紫外光由石英玻璃透光窗射入，辐照在圆形导电基光阳极转盘表面，圆形导电基光阳极转盘在旋转电机带动下转动，废水从废水反应池底部进入，经过废水处理狭缝区后从另一侧排出。
2.根据权利要求1所述的转盘光触媒废水处理装置，其特征在于，所述圆形导电基光阳极转盘在待处理废水中同步辐照同步转动，废水与高速转动的圆形导电基光阳极转盘界面反应。
3.根据权利要求1所述的转盘光触媒废水处理装置，其特征在于，所述金属导电转轴为金属材质，金属导电转轴固定面为两层台阶结构，底层台阶的宽度大于上层台阶的宽度，接触面与圆形导电基光阳极转盘贴合，起到固定圆形导电基光阳极转盘作用，上层台阶呈D型，与圆形导电基光阳极转盘的通孔对应，装入圆形导电基光阳极转盘后，圆形导电基光阳极转盘无法相对转轴滑动；上层台阶中心位置向内钻同心圆孔，同心圆孔内壁铣内螺纹，用于连接螺丝。
4.根据权利要求1所述的转盘光触媒废水处理装置，其特征在于，所述圆形导电基光阳极转盘采用金属导电基底材料，圆形导电基光阳极转盘的盘面呈圆形，圆形导电基光阳极转盘的中心预留同心通孔，用于固定盘面；同心通孔3/4边呈圆形，1/4边呈直线型，同心通孔整体呈D型。
5.根据权利要求1所述的转盘光触媒废水处理装置，其特征在于，所述导电对电极为矩形截面圆形铜环，内径稍大于圆形导电基光阳极转盘，与圆形导电基光阳极转盘呈同心安装。
6.根据权利要求1所述的转盘光触媒废水处理装置，其特征在于，所述废水反应池底部设有一个出水口和一个入水口。
7.根据权利要求1所述的转盘光触媒废水处理装置，其特征在于，所述圆形导电基光阳极转盘的一个基底上设有光催化剂，光催化剂为可见光或紫外光光触媒。
8.根据权利要求1所述的转盘光触媒废水处理装置，其特征在于，所述紫外辐照光源的外侧设有铝箔。
9.一种运用权利要求1-8所述转盘光触媒废水处理装置的废水处理方法，其特征在于，包括：
第一步，采用溶胶凝胶或阳极氧化或水热、溶剂热方法，均匀在切割好的圆形导电基光阳极转盘上制成一层光触媒薄膜，烧结后冷却；
第二步，将负载了光催化剂的圆形导电基光阳极转盘，按照O型软性垫圈、圆形导电基光阳极转盘、螺丝的形式安装到金属导电转轴并固定；
第三步，将圆形导电基光阳极转盘与金属导电转轴连接旋转电机，调整器件高度使得的圆形导电基光阳极转盘呈水平安置在在废水反应池中；
第四步，在废水反应池中加入有机废水，并通过外部导线、接触滑轨分别将导电对电极和金属导电转轴相连接；
第五步，打开旋转电机与紫外辐照光源，通过调速器调节转速，使圆形导电基光阳极转盘在辐照条件下，保持高速转动，切割废水溶液；
第六步，打开外部循环泵，从进水口进水，连续处理废水，处理后废水从出水口排出。
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