CN110342706A - 一种基于光电化学反应器灭活饮用水中微生物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光电化学反应器灭活饮用水中微生物的方法。该方法特征在于：1）饮用水的预处理：将待处理的饮用水注入光电化学反应器中，添加电解质硫酸钠，打开磁力搅拌和曝气开关，曝空气20分钟，提高水中溶解氧浓度；2）饮用水消毒处理：接通光电化学反应器的直流稳流电源，打开太阳光模拟器的灯管，处理2~3h；大肠杆菌彻底被灭活，达到饮用水标准。采用上述方法，电源通电后实现溶解氧在改性阴极还原为过氧化氢，过氧化氢灭活微生物，达到饮用水标准。本发明将电化学还原产生过氧化氢和太阳能消毒相结合，提高了微生物灭活效率，降低饮用水处理成本。
Description
技术领域
本专利涉及一种饮用水的处理技术领域，具体涉及一种基于光电化学反应器灭活饮用水中微生物的方法。
背景技术
21世纪以来，随着生产力和科学技术的飞速发展，人类生活水平也大幅提高。但环境问题依然困扰着世界上各个国家和地区，人类健康面临着严峻考验。其中水环境问题十分突出。科学家研究发现，人类多数疾病的病因与饮用水有关，而各种水生病原体就是罪魁祸首。鉴于水生病原微生物给人类带来的严重疾病，消毒工艺对于饮用水处理来说便至关重要。传统的水消毒方法，如氯化，臭氧化等，往往需要大量注入资金和基础设施，配水过程也面临污染风险。
太阳能具有清洁、丰富且易于获取的特点。1980年以来，SODIS（太阳能水消毒）便用于水消毒领域。紫外线中UVB部分可直接损害微生物的DNA或RNA。UVA部分也可起间接作用，它被微生物的一些内源性发色团吸收，这些发色团作为敏化剂可诱导ROS（活性氧物质）的形成，导致蛋白质和脂质被破坏，膜的渗透性发生变化，从而破坏其DNA。SODIS通常在发展中国家的某些地区用作家庭饮用水处理。但是它需要较长的消毒时间。为了缩短处理时间并实现更有效的水处理，我们可以选择加入一些添加剂。H2O2可以增加细胞内ROS的产生，增强微生物的灭活。消毒后H2O2分解为水和氧气，它是一种理想的消毒剂。然而，额外添加H2O2面临运输和储存过程安全等诸多问题。
电化学技术为上述问题提供了新的解决方案。该方法具有环境友好、操作简单、安全有效、处理费用低等优点，能够有效灭活水中的大肠杆菌、产气荚膜梭菌、MS2噬菌体、隐孢子虫卵囊等病原微生物，被认为是最有发展前途的饮用水处理方法。当氧在阴极被还原时，通过2电子途径产生H2O2。由于H2O2可原位生成，与额外添加H2O2相比，可避免运输和储存问题。
碳材料作为电化学反应装置的阴极，在电还原过程中倾向于2电子过程，有利于氧气在其表面被还原为H2O2。我们选用的RVC（网状玻璃碳）具有更高的空隙率、比表面积和较强的耐腐蚀性，更有利于H2O2的生成。此外，阴极表面的官能团对阴极性能也有重要影响。我们通过在酸性条件下阳极极化改性RVC阴极，增加其表面的含氧官能团（-COOH、-C = O、-CHO），可以提高电极亲水性，降低溶解氧的扩散阻力并提供更多的表面活性位点，进而提高H2O2产率。
本发明将改性RVC电还原产生H2O2消毒和SODIS结合使用，通过这种协同消毒的方式，使用大肠杆菌作为指示菌可发现，细菌受到H2O2氧化消毒和太阳光消毒的双重影响，灭活时间大大缩短。故本发明可以缩短饮用水处理消毒时间，提高灭菌效率，降低用电量。
本发明基于“一种用于灭活饮用水中微生物的光电化学反应器”设计的光电化学反应器，目的是通过将太阳光消毒与电化学还原产H2O2消毒相结合的原理，构建低能耗且有效的饮用水消毒方法。
发明内容
本发明的目的在于设计一种基于光电化学反应器灭活饮用水中微生物的处理方法，能够高效处理饮用水，实现饮用水消毒。
为实现本发明的目的而采用的技术方案是：
1、饮用水的预处理：
将待处理的饮用水注入光电化学反应器中，添加电解质硫酸钠，打开磁力搅拌和曝气开关，曝空气20分钟，提高水中溶解氧浓度。
2、饮用水消毒处理
接通光电化学反应器的直流稳流电源，打开太阳光模拟器的灯管，处理2~3h；水分子在阳极被分解为羟基自由基，氧气在阴极被还原为过氧化氢。随着过氧化氢浓度不断升高，协同太阳光中紫外线消毒效果十分明显，光电化学反应器的灭菌能力逐渐增强，经过处理2~3h处理，大肠杆菌彻底被灭活。
采用上述技术方案，水分子在阳极被分解产生羟基自由基，溶解氧在改性玻璃碳阴极被还原生成过氧化氢。具有高氧化还原电位的羟基自由基和过氧化氢协同太阳光消毒，灭活饮用水中的微生物，达到饮用水标准。
所述的饮用水中加入了硫酸钠作为电解质，硫酸钠浓度为0.2～0.25g/L，符合中国饮用水标准。
所述的通电，时间为2～3h。
所述的直流稳流电源工作电流控制在15mA～35mA。
所述的空气曝气，空气流速为100L/h。
所述的光电化学反应器（一种用于灭活饮用水中微生物的光电化学反应器，已同日另案申请），由太阳光模拟器、电化学反应***和曝气***组成，太阳光模拟器和电化学反应***上下位设置，太阳光模拟器位于电化学反应***的上部，曝气***设置在电化学反应***的旁侧，曝气***中的曝气石气管的出气端开口设置于电化学反应***内。
所述的太阳光模拟器，由灯管固定盘和灯管构成，灯管固定盘为盘状，倒扣在电化学反应***之上，灯管居中固定于灯管固定盘的内凹面内。外接电源对灯管供电。
所述的灯管，选用LED阵列光源的太阳模拟器、紫外线灯管、红外线灯管或脉冲氙灯。根据尺寸直接外购。
所述的电化学反应***为圆柱形槽状结构，由圆柱形槽体、阳极电极，阴极电极、磁力搅拌器和直流稳流电源构成。磁力搅拌器位于圆柱形槽体的底部，阳极电极，阴极电极垂直浸没在圆柱形槽体内饮用水的中，电极间距10-20mm。直流稳流电源的正负极分别与阳极电极、阴极电极相连。
所述的阳极电极为惰性电极，阴极电极为改性玻璃碳电极。
所述的惰性阳极为钛负载二氧化钌或者BDD（硼掺杂金刚石），其构型或为平板状，或为柱状。
所述的曝气***，由曝气石气管连接空气泵和气体流量计而成，曝空气。
所述的电化学反应器中的曝气石可采用平板状、柱状或网状。
所述的改性玻璃碳电极的修饰方法为：
使用去离子水和丙酮交替清洗玻璃碳电极3次，最后用去离子水彻底清洗，烘干。将清洗后的玻璃碳电极作为阳极，Ag/AgCl标准电极作为参比电极，铂电极为对电极，将三电极置于浓度为20%硫酸中，使用电化学工作站对玻璃碳电极进行阳极极化。电化学工作站扫描速率为2mV/s，扫描范围为0-2V，扫描四个循环。使用去离子水清洗极化后的玻璃碳电极，直到清洗后的水变为中性，烘干。
本发明具有如下有益效果：
1、太阳光消毒和阴极还原消毒同时发挥灭菌作用，相比传统的饮用水处理方法，大大提高了灭菌速率，降低消毒能耗。
2、在消毒饮用水的过程中，无副产物产生，消毒残留的过氧化氢分解为水和氧气，不会引起二次污染。
3、通过对玻璃碳阴极的改性，可以在低电解质浓度、中性pH条件下产生过氧化氢，达到消毒饮用水的目的。
附图说明
图1是本发明所述的一种用于饮用水消毒的光电化学反应器结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明更好的理解，现结合附图对本发明做进一步的说明。
图1中，1是太阳光模拟器灯管固定盘；2是太阳光模拟器中的灯管；3是曝气石气管；4是电化学反应***中的圆柱形槽体；5是气体流量计；6是空气泵；7是阴极电极；8是磁力搅拌器；9是阳极电极；10是直流稳流电源；11是电源与电极的连接线。
实例1
本实施例使用的光电化学反应器结构如图1所示。
1、饮用水的预处理：
将待处理的饮用水注入光电化学反应器中，注入量为1000mL，占光电化学反应器容量的85%，添加0.20g硫酸钠，打开磁力搅拌和曝气开关，曝空气20分钟，提高水中溶解氧浓度。
2、饮用水消毒处理
接通光电化学反应器的直流稳流电源，打开太阳光模拟器的灯管，处理3h；水分子在阳极被分解为羟基自由基，氧气在阴极被还原为过氧化氢。随着过氧化氢浓度不断升高，协同太阳光中紫外线消毒效果十分明显，光电化学反应器的灭菌能力逐渐增强，经过处理3h处理，大肠杆菌彻底被灭活。
本实施例采用的光电化学反应器，上部分为太阳光模拟器，下部分电化学反应***，电化学反应***中放置钛/二氧化钌惰性阳极（9），改性玻璃碳阴极（7），为网状；电化学反应器阴极附近放置曝气管路（3），底部为磁力搅拌器（8）。
本实施例控制电流为35mA。
本实施例使用的待处理饮用水为模拟污水。大肠杆菌浓度：1×106 CFU/mL
模拟污水经该装置处理3.5小时后，大肠杆菌不能检出，降低了5.4个数量级。
实例2
本实施例使用的光电化学反应器如实例1所示。
1、饮用水的预处理：
将待处理的饮用水注入光电化学反应器中，注入量为1000mL，占光电化学反应器容量的85%，添加0.20g硫酸钠，打开磁力搅拌和曝气开关，曝空气20分钟，提高水中溶解氧浓度。
2、饮用水消毒处理
接通光电化学反应器的直流稳流电源，打开太阳光模拟器的灯管，处理2.5h；水分子在阳极被分解为羟基自由基，氧气在阴极被还原为过氧化氢。随着过氧化氢浓度不断升高，协同太阳光中紫外线消毒效果十分明显，光电化学反应器的灭菌能力逐渐增强，经过处理2.5h处理，大肠杆菌彻底被灭活。
本实施例采用的光电化学反应器，上部分为太阳光模拟器，下部分电化学反应***，电化学反应器***中放置钛/二氧化钌惰性阳极（9），改性玻璃碳阴极（7），为网状；电化学反应器阴极附近放置曝气管路（3），底部为磁力搅拌器（8）。
所述的惰性阳极（9）、改性玻璃碳阴极（7）通过连接导线（11）与直流稳流电源（10）相连形成独立的电流通路；本实施例控制电流为20mA。
本实施例使用的待处理饮用水为模拟污水。大肠杆菌浓度：1×104 CFU/mL。
模拟污水经该装置处理2.5小时后，大肠杆菌不能检出，降低了3.4个数量级。
实例3
本实施例使用的光电化学反应器如实例1所示。
1、饮用水的预处理：
将待处理的饮用水注入光电化学反应器中，注入量为1000mL，占光电化学反应器容量的85%，添加0.20g硫酸钠，打开磁力搅拌和曝气开关，曝空气20分钟，提高水中溶解氧浓度。
2、饮用水消毒处理
接通光电化学反应器的直流稳流电源，打开太阳光模拟器的灯管，处理2.5h；水分子在阳极被分解为羟基自由基，氧气在阴极被还原为过氧化氢。随着过氧化氢浓度不断升高，协同太阳光中紫外线消毒效果十分明显，光电化学反应器的灭菌能力逐渐增强，经过处理2.5h处理，大肠杆菌彻底被灭活。
本实施例采用的光电化学反应器，上部分为太阳光模拟器，下部分电化学反应***，电化学反应器***中放置钛/二氧化钌惰性阳极（9），改性玻璃碳阴极（7），为网状；电化学反应器阴极附近放置曝气管路（3），底部为磁力搅拌器（8）。
所述的惰性阳极（9）、改性玻璃碳阴极（7）通过连接导线（11）与直流稳流电源（10）相连形成独立的电流通路；本实施例控制电流为20mA。
本实施例使用的待处理饮用水为模拟污水。大肠杆菌浓度：1×102 CFU/mL。
模拟污水经该装置处理2.5小时后，大肠杆菌不能检出，降低了1.4个数量级。
Claims (5)
1.一种基于光电化学反应器灭活饮用水中微生物的方法，其特征在于：
1）饮用水的预处理：
将待处理的饮用水注入光电化学反应器中，添加电解质硫酸钠，打开磁力搅拌和曝气开关，曝空气20分钟，提高水中溶解氧浓度；
2）饮用水消毒处理
接通光电化学反应器的直流稳流电源，打开太阳光模拟器的灯管，处理2~3h；大肠杆菌彻底被灭活，达到饮用水标准。
2.根据权利要求1所述的一种基于光电化学反应器灭活饮用水中微生物的方法，其特征在于所述的饮用水中加入了硫酸钠，硫酸钠浓度为0.2～0.25g/L。
3.根据权利要求1所述的一种基于光电化学反应器灭活饮用水中微生物的方法，其特征在于所述的直流稳流电源工作电流，控制在15mA～35mA。
4.根据权利要求1所述的一种基于光电化学反应器灭活饮用水中微生物的方法，其特征在于所述的空气曝气，空气流速为100L/h。
5.根据权利要求1所述的一种基于光电化学反应器灭活饮用水中微生物的方法，其特征在于所述的光电化学反应器由太阳光模拟器、电化学反应***和曝气***组成，太阳光模拟器和电化学反应***上下位设置，太阳光模拟器位于电化学反应***的上部，曝气***设置在电化学反应***的旁侧，曝气***中的曝气石气管的出气端开口设置于电化学反应***内。
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