本发明专利技术公开了基于流控微泡‑光催化耦合进行水处理的装置及水处理方法，其中，所述装置包括通过引流管(9)连接的供气源(1)、流控组件(5)和污水处理池(6)，其中，在所述污水处理池(6)内设置有光催化膜(7)，所述光催化膜为改性纳米二氧化钛膜。在本发明专利技术中，利用流控微泡曝气增加水中溶解氧含量、强化气液传质效能、进而促进光催化速率，与此同时光催化体系产生光生电子、可以同步促进微泡溃灭过程中羟自由基的产生，并可应用于水处理。
Device and Method of Water Treatment Based on Fluidic Microbubble-Photocatalytic Coupling
The invention discloses a device for water treatment and a water treatment method based on the coupling of flow control microbubbles and photocatalysis. The device comprises a gas supply source (1), a flow control component (5) and a sewage treatment pond (6) connected by a drain pipe (9), wherein a photocatalytic film (7) is arranged in the sewage treatment pond (6), and the photocatalytic film is a modified nanometer titanium dioxide film. In the present invention, the use of flow-controlled microbubble aeration can increase dissolved oxygen content in water, enhance gas-liquid mass transfer efficiency, and then promote photocatalytic rate. At the same time, the photocatalytic system can generate photoelectrons, synchronously promote the generation of hydroxyl radicals in the process of microbubble collapse, and can be applied to water treatment.
【技术实现步骤摘要】
基于流控微泡-光催化耦合进行水处理的装置及方法
本专利技术涉及水处理领域，尤其涉及利用微泡技术进行水处理，具体地，涉及基于流控微泡-光催化耦合进行水处理的装置及方法。
技术介绍
水资源再生处理及其循环利用是解决当前供水危机、遏制水环境恶化的重要途径，水处理技术研发是当前这一领域的关键。地表水体、地下水、污水、污水处理厂二级出水、再生水等各类水体中均残余大量难生物降解的溶解性有机物，传统物化方法或因需要添加持留性的化学品易引起二次污染、或因工艺复杂成本高昂受到各种限制。光催化技术以产生氧化活性物种为基本原理，具有污染降解效率高、无二次污染、使用寿命长等特点而备受关注。然而，尽管传统光催化剂如TiO2等催化性能已经得到许多研究的认可，但是仍存在两方面的不足：(1)在对太阳光利用方面，TiO2的禁带宽度较宽(3.2eV)，仅能在紫外光区间有光吸收，而紫外光区仅占太阳光的4％，大大限制了其对太阳光的实际应用；(2)由于光生电子-空穴对极易复合，导致光催化反应效率降低。此外，就应用而言，如何将微纳米颗粒态的光催化材料转变为体型材料、并与传统的曝气等处理工艺相耦合也是亟待突破的关键。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术人进行了锐意研究，提出一种基于流控微泡的光催化耦合处理技术，其中，利用流控微泡曝气增加水中溶解氧含量、强化气液传质效能、进而促进光催化速率，与此同时光催化体系产生光生电子、可以同步促进微泡溃灭过程中羟自由基的产生，从而完成本专利技术。本专利技术一方面提供了一种基于流控微泡-光催化耦合进行水处理装置，具体体现在以下几方面：(1)一种基于流控微泡-光催化耦合进行水处理的装置，其中，所述装置包括通过引流管9连接的供气源1、流控组件5和污水处理池6，其中，在所述污水处理池6内设置有光催化膜7，所述光催化膜为改性纳米二氧化钛膜。(2)根据上述(1)所述的装置，其中，在所述供气源1与流控组件5之间还依次设置有控制阀2、调压过滤组件3和流量计4；和/或在在所述污水处理池6的底部、与流控组件5连通处设置有散气元件8。(3)根据上述(1)所述的装置，其中，所述改性纳米二氧化钛为氮掺杂改性二氧化钛，例如负载在Ni基或Al基多孔泡沫膜上的改性纳米二氧化钛膜。(4)根据上述(1)所述的装置，其中，所述改性纳米二氧化钛膜如下制备：步骤a、利用将钛源、水、醇类溶剂和任选的酸性介质，混合，搅拌进行反应；步骤b、加入氮源，搅拌，形成凝胶前驱体；步骤c、对步骤b制得的凝胶前驱体涂抹于Ni基或Al基多孔泡沫膜上，然后进行后处理，得到所述负载在Ni基或Al基多孔泡沫膜上的纳米二氧化钛。(5)根据上述(1)至(4)之一所述的装置，其中，所述流控组件5具有中空内腔，用于气流流动；沿气流流动方向，所述中空内腔依次包括进气段51、稳流段52、增速引入段53、初步自激脉冲段54和初步自激脉冲引出段55和缓冲过渡段56；和/或沿气流流动方向，在缓冲过渡段56之后，所述中空内腔还依次包括射流段57、终极自激脉冲段58和脉冲分流段59。(6)根据上述(5)所述的装置，其中，所述进气段51、增速引入段53、初步自激脉冲段54、初步自激脉冲引出段55、缓冲过渡段56和射流段57均为圆柱形内腔；和/或所述稳流段52为梭形内腔；和/或所述终极自激脉冲段58为截面呈梯形的内腔。(7)根据上述(6)所述的装置，其中，自进气段51至稳流段52，所述中空内腔的内径逐渐增大；和/或自稳流段52至增速引入段53，所述中空内腔的内径逐渐减小；和/或自增速引入段53至初步自激脉冲段54，所述中空内腔的内径突然变大；和/或所述射流段57包括两个或多个射流管571，优选地，所述射流管的内径与缓冲过渡段56的内径之比为(0.03～0.05)：1。本专利技术另一方面提供了一种利用本专利技术第一方面所述装置进行水处理的方法，具体体现在以下方面：(8)一种利用上述(1)至(7)之一所述装置进行水处理的方法，其中，所述方法包括以下步骤：步骤1、利用供气源提供气流，所述气流为包括氧气和/或空气的气流；步骤2、将所述气流引入流控组件进行流动控制，增强气流的波动性；步骤3、将波动的气流在流控组件内分流引出，通过散气处理后通入污水处理池中，形成微气泡；步骤4、利用污水处理池中的微气泡以及光催化膜对水中的有机污染物进行降解。(9)根据上述(8)所述的方法，其中，在步骤1之前进行光催化膜的制备。本专利技术第三方面提供了本专利技术第一方面所述装置用于进行水处理的用途，尤其用于对含有溶解性有机物的水体进行处理的用途。附图说明图1示出本专利技术所述水处理装置的示意图，其中，箭头表示氧气气流流动方向；图2示出图1中流控组件的轴向剖视图，其中，箭头表示氧气气流流动方向；图3示出本专利技术所述方法的水处理机理示意图；图4示出实施例1制得的光催化膜的EDS/SEM表征结果；图5示出实施例1制得的光催化膜的能谱图；图6示出实施例1制得的光催化膜的XPS图；图7-1和图7-2示出实验例1采用的装置示意图；图8示出实验例1中流控组件对氧气溶解度的影响结果；图9示出实验例2中经过采用本专利技术所述装置处理过程中目标水体COD，TOC及UV254历时变化；图10示出实验例2中经过采用本专利技术所述装置对水体处理前后目标水体不同分子量有机物结构组成变化。附图标记说明1-供气源；2-控制阀；3-调压过滤组件；4-流量计；5-流控组件；51-进口段；52-稳流段；53-增速引入段；54-初步自激脉冲段；55-初步自激脉冲引出段；56-缓冲过渡段；57-射流段；571-射流管；58-终极自激脉冲段；59-脉冲分流段；591-出口管；5’-固定架；6-污水处理池；7-光催化膜；71-疝灯；8-散气元件；9-引流管。具体实施方式下面通过对本专利技术进行详细说明，本专利技术的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。本专利技术一方面提供了一种基于流控微泡-光催化耦合进行水处理的装置，如图1所示，所述装置包括通过引流管9连接的氧气供气源1、流控组件5和污水处理池6，其中，在所述污水处理池6内设置有光催化膜7。其中，所述供气源1用于提供气流供给；所述流控组件6用于对气流进行流动控制，增强其波动性，进而促进气流在污水处理池内的传质和溃灭，产生羟基自由基；利用所述光催化膜7的光催化技术进一步促进有机污染物的降解。在本专利技术中，所述气流为包括氧气和/或空气的气流。根据本专利技术一种优选的实施方式，在所述供气源1与流控组件5之间还依次设置有控制阀2、调压过滤组件3和流量计4。其中，供气源可通过空压机或气体钢瓶实现，工作压力不超过3bar；所述调压过滤组件2用于对气流进行过滤，去除气流中的水分和颗粒粉尘；所述流量计4用于根据实际曝气量需要调控气体的流量。根据本专利技术一种优选的实施方式，在所述污水处理池6的底部、与流控组件5连通处设置有散气元件8。其中，所述散气元件8用于在所述污水处理池6的底部进行微泡曝气产生气泡。在进一步优选的实施方式中，所述散气元件为微孔板，优选其孔径为15～60μm。在本专利技术中，所述散气元件也可以是市场上常见的曝气盘、散气管、细化器、微孔片等，需注意前端进气调压阀压力应不超过散气元件的耐受压力。在本专利技术中，在散气元件之前设置流控组件，在所述流控组件内气流产生波动，导致自流控组本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于流控微泡‑光催化耦合进行水处理的装置，其特征在于，所述装置包括通过引流管(9)连接的供气源(1)、流控组件(5)和污水处理池(6)，其中，在所述污水处理池(6)内设置有光催化膜(7)，所述光催化膜为改性纳米二氧化钛膜；其中，所述供气源用于提供气流供给，所述流控组件用于对气流进行波动控制，所述气流为包括氧气和/或空气的气流。
【技术特征摘要】
1.一种基于流控微泡-光催化耦合进行水处理的装置，其特征在于，所述装置包括通过引流管(9)连接的供气源(1)、流控组件(5)和污水处理池(6)，其中，在所述污水处理池(6)内设置有光催化膜(7)，所述光催化膜为改性纳米二氧化钛膜；其中，所述供气源用于提供气流供给，所述流控组件用于对气流进行波动控制，所述气流为包括氧气和/或空气的气流。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述供气源(1)与流控组件(5)之间还依次设置有控制阀(2)、调压过滤组件(3)和流量计(4)；和/或在在所述污水处理池(6)的底部、与流控组件(5)连通处设置有散气元件(8)。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述改性纳米二氧化钛为氮掺杂改性二氧化钛，例如负载在Ni基或Al基多孔泡沫膜上的改性纳米二氧化钛膜。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述改性纳米二氧化钛膜如下制备：步骤a、利用将钛源、水、醇类溶剂和任选的酸性介质，混合，搅拌进行反应；步骤b、加入氮源，搅拌，形成凝胶前驱体；步骤c、对步骤b制得的凝胶前驱体涂抹于Ni基或Al基多孔泡沫膜上，然后进行后处理，得到所述负载在Ni基或Al基多孔泡沫膜上的纳米二氧化钛。5.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，所述流控组件(5)具有中空内腔，用于气流流动；沿气流流动方向，所述中空内腔依次包括进气段(51)、稳流段(52)、增速引入段(53)、初...
【专利技术属性】
技术研发人员：范伟，霍明昕，
申请(专利权)人：东北师范大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22
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