节能式光催化水处理试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，具体涉及一种节能式光催化水处理试验装置及试验方法。

背景技术

1972年日本科学家A.Fujishima和K.Honda发现光照的Ti02单晶电极能分解水，引起科技工作者对光诱导氧化还原反应的兴趣，由此推动了有机物和无机物光氧化还原反应的兴趣。

光催化氧化法是将紫外光辐射(UV)和氧化剂结合使用的方法。在紫外光的激发下，氧化剂光分解产生氧化能力更强的自由基(如0H·)和活性氧。羟基自由基具有极高的氧化电极电位(2.80v)，仅次于F(3.06v)。它的电子亲和能力为596.3KJ，容易进攻高电子云密度点。这决定了0H·进攻具有快速性，并且通过电子转移和加成反应，能够无选择的与水中的污染物发生反应。通过破链断键，将污染物氧化成为二氧化碳、水，部分物质直接矿化成为盐，而不会产生二次污染。这就使得它具有很强的光氧化还原功能，可氧化分解各种有机化合物和部分无机物，能破坏细菌的细胞膜和固化病毒的蛋白质，从而可以氧化许多单用氧化剂无法分解的难降解有机污染物。紫外光和氧化剂的共同使用，使得光催化氧化无论在氧化能力还是反应速率上，都远远超过利用光诱导产生羟基自由基0H·，是近年来水处理工程关注较多的一种新型高级氧化装置。

因为光催化氧化法具有良好的化学稳定性、机械稳定性、耐光腐蚀、低廉无毒等特性而被广泛地应用于抗污涂料、杀菌、太阳能敏化电池和光催化处理环境污染物等。但是，实际在利用光催化氧化法进行水处理时因为需要利用紫光进行光催化，紫光灯在长期照明下会产生大量的能量消耗，并且由于光源单一长期使用紫光灯照明，导致紫光灯寿命缩短；并且在整个光催化反应过程中影响发应速率的因素较多，也需要通过控制一些定量因素和变量因素的对比来试验得出光催化反应的最佳反应条件。

因此，为解决以上问题，需要一种节能式光催化水处理试验装置及试验方法，能够充分利用和储存太阳能为紫光灯提供电能，并且便于测试各变量因素对光催化反应速率的影响，从而优化得到最佳反应条件的试验方法，并且整体装置结构简单，成本低廉，便于适用，试验方法也简单直接、快速准确。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供节能式光催化水处理试验装置及试验方法，能够充分利用和储存太阳能为紫光灯提供电能，并且便于测试各变量因素对光催化反应速率的影响，从而优化得到最佳反应条件的试验方法，并且整体装置结构简单，成本低廉，便于适用，试验方法也简单直接、快速准确。

本发明的节能式光催化水处理试验装置及试验方法，包括聚光镜面、分光棱镜、光伏板、紫光灯、催化剂及水池，所述催化剂浮于水池水面，所述聚光镜面用于为分光棱镜聚光，所述分光棱镜接受来自聚光镜面的聚光并将该聚光分成分光I及分光II，分光I直接照射于水池中的催化剂进行光催化反应，分光II照射于所述光伏板上转换为电能进行储存，所述紫光灯由光伏板供电用于产生照射水池中的催化剂的紫光。

进一步，所述聚光镜面为凹面镜，且所述凹面镜的横截面为抛物线，抛物线型的凹面镜能最大限度的将照射到聚光镜面上的入射光聚积到一起，保证足够的聚光照射到分光棱镜上。

进一步，所述聚光镜面不少于一个，本实施例中采用的是两个聚光镜，在布置空间位置不受限制的前提下也可以设置多个聚光镜面以提高太阳能利用率。

进一步，所述聚光镜面为两个，且通过支架安装设置于所述水池的两个相对侧，相对设置的聚光面能够较大限度的截获入射太阳光，得到较大的太阳鞥。

进一步，所述分光棱镜能根据入射光的入射角度调整角度及位置以保证分光I及分光II的靶向照射，合理的调整分光棱镜的位置可以保证分光I及分光II的照射方向，避免光能浪费。

一种采用前述节能式光催化水处理试验装置的试验方法，包括试验步骤：

a.取样，提取水初始样本测量水体透明度L、溶解氧Q、氧化还原电位值Eh、水体氨氮含量A，并记录初始数据，本装置在用于污废水及黑臭水净化处理时，考察指标中还应有包含以下主要指标：化学需氧量COD、生物化学需氧量BOD5，其中化学需氧量COD和生物化学需氧量BOD5的对比方法与前述的各项考察指标试验对比方法一致，在此不再赘述；

b.制备催化剂：先将TiO2粉体加水配成悬浮液，放在立式介质搅拌磨中研磨，加入提纯后的粉状载体物(如蛋白土、膨润土、海泡石、凹凸棒土等无机粘土矿物，或粉末活性炭、石墨烯、碳纳米管等有机碳质材料等等，粉状载体物等无机或活性炭等有机物质，均作为二氧化钛的载体，二者共同构成复合光催化材料)，同时加入分散剂，再研磨，最后过滤干燥，得到复合材料即为催化剂；

c.确定定量进行变量试验研究：

c1.固定光催化反应时间不变、光照条件不变(均采用紫光灯照射)，调节催化剂中TiO2和粉状载体物的配比，根据不同催化剂成分配比的试验批次依次记录光催化反应之后的水体透明度L

c2.固定催化剂成分配比不变、光催化反应时间不变，测量白天不同时段太阳光照条件下光催化反应之后的水体透明度L

c3.固定催化剂成分配比不变、光催化反应时间不变，改变光照条件(太阳光、紫光灯)，记录不同光照条件下光催化反应之后的水体透明度L

进一步，在步骤c中，光照条件为紫光灯时为了保证紫光灯的光照不受外接影响，将整个节能式光催化水处理试验装置置于避光罩内。

进一步，所述避光罩可为遮光罩或遮光盒，避光罩也可以有效的保护人体，避免受到紫光侵害。

本发明的有益效果是：本发明公开的一种节能式光催化水处理试验装置及试验方法，试验装置用于景观水、污(废)水及黑臭水体净化处理，通过充分合理地利用太阳能的转化极大程度上降低了能耗，达到节能的目的，并且白天和晚上都可以进行光催化反应，最大限度的利用了光催化反应时间，可以24小时净化水质，白天直接利用太阳光，晚上利用光伏板的储能照亮紫外灯，提高光催化反应效率，能够在最短时间内获取最大光催化反应总量，同时整个试验装置结构紧凑，成本低廉，也能通过该试验装置非常便捷直接的试验得出各影响因素对光催化反应效率的影响。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的另一观察角度结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图，图2为本发明的另一观察角度结构示意图，如图所示，本实施例中的节能式光催化水处理试验装置及试验方法包括聚光镜面1、分光棱镜2、光伏板3、紫光灯4、催化剂5及水池6，所述催化剂5浮于水池6水面，所述聚光镜面1用于为分光棱镜2聚光，所述分光棱镜2接受来自聚光镜面1的聚光并将该聚光分成分光I及分光II，分光I直接照射于水池6中的催化剂5进行光催化反应，分光II照射于所述光伏板3上转换为电能进行储存，所述紫光灯4由光伏板3供电用于产生照射水池6中的催化剂5的紫光。

本实施例中，所述聚光镜面1为凹面镜，且所述凹面镜的横截面为抛物线，抛物线型的凹面镜能最大限度的将照射到聚光镜面1上的入射光聚积到一起，保证足够的聚光照射到分光棱镜2上。

本实施例中，所述聚光镜面1不少于一个，本实施例中采用的是两个聚光镜，在布置空间位置不受限制的前提下也可以设置多个聚光镜面1以提高太阳能利用率。

本实施例中，所述聚光镜面1为两个，且通过支架安装设置于所述水池6的两个相对侧，相对设置的聚光面能够较大限度的截获入射太阳光，得到较大的太阳鞥。

本实施例中，所述分光棱镜2能根据入射光的入射角度调整角度及位置以保证分光I及分光II的靶向照射，合理的调整分光棱镜2的位置可以保证分光I及分光II的照射方向，避免光能浪费。

一种采用前述节能式光催化水处理试验装置的试验方法，包括试验步骤：

a.取样，提取水初始样本测量水体透明度L、溶解氧Q、氧化还原电位值Eh、水体氨氮含量A，并记录初始数据；

b.制备催化剂5：先将TiO2粉体加水配成悬浮液，放在立式介质搅拌磨中研磨，加入提纯后的粉状载体物(如蛋白土、膨润土、海泡石、凹凸棒土等无机粘土矿物，或粉末活性炭、石墨烯、碳纳米管等有机碳质材料等等，粉状载体物等无机或活性炭等有机物质，均作为二氧化钛的载体，二者共同构成复合光催化材料)，同时加入分散剂，再研磨，最后过滤干燥，得到复合材料即为催化剂5；

c.确定定量进行变量试验研究：

c1.固定光催化反应时间不变、光照条件不变(均采用紫光灯4照射)，调节催化剂5中TiO2和粉状载体物的配比，根据不同催化剂5成分配比的试验批次依次记录光催化反应之后的水体透明度L

c2.固定催化剂5成分配比不变、光催化反应时间不变，测量白天不同时段太阳光照条件下光催化反应之后的水体透明度L

c3.固定催化剂5成分配比不变、光催化反应时间不变，改变光照条件(太阳光、紫光灯4)，记录不同光照条件下光催化反应之后的水体透明度L

本实施例中，在步骤c中，光照条件为紫光灯4时为了保证紫光灯4的光照不受外接影响，将整个节能式光催化水处理试验装置置于避光罩内。

本实施例中，所述避光罩可为遮光罩或遮光盒，避光罩也可以有效的保护人体，避免受到紫光侵害。

本发明公开的一种节能式光催化水处理试验装置及试验方法，试验装置用于景观水、污(废)水及黑臭水体净化处理，通过充分合理地利用太阳能的转化极大程度上降低了能耗，达到节能的目的，并且白天和晚上都可以进行光催化反应，最大限度的利用了光催化反应时间，可以24小时净化水质，白天直接利用太阳光，晚上利用光伏板的储能照亮紫外灯，提高光催化反应效率，能够在最短时间内获取最大光催化反应总量，同时整个试验装置结构紧凑，成本低廉，也能通过该试验装置非常便捷直接的试验得出各影响因素对光催化反应效率的影响。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。