一種光催化吸附處理含汞廢水的裝置及其方法
2023-04-28 22:31:16
一種光催化吸附處理含汞廢水的裝置及其方法
【專利摘要】本發明公開了一種高效處理含汞廢水的裝置及方法，可將含汞廢水處理達標回用或排放，且成本較低。本發明光催化吸附處理含汞廢水的裝置結合光催化劑(TiO2、改性TiO2或其他光催化劑)的光催化還原作用與載體的吸附作用，並且使用自行設計的LED燈作為光源，反應裝置採用石英玻璃製作材料並外鍍鏡面，最大限度利用光線。內層石英套筒放置光源，內層石英套筒與外層石英套筒之間填充光催化吸附混合材料，下部為進水及曝氣裝置，三部分通過磨砂接口拼接。反應裝置還附有光催化吸附混合材料的再生部件，回收富集的反應產物。
【專利說明】一種光催化吸附處理含汞廢水的裝置及其方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種處理廢水的裝置及其方法，更具體地說涉及一種光催化吸附處理含汞廢水的裝置及其方法，屬於重金屬汙染廢水處理領域。
【背景技術】
[0002]汞是一種危害性極大的重金屬元素，火山噴發、化石燃料的燃燒、氯鹼產業以及隨意丟棄的電子生活垃圾都會向環境中排放大量的汞。汞能夠與含巰基蛋白結合，影響器官與組織的生理活性甚至於致命，而且重金屬元素在生物體內有富集效應，而且轉化為有機態之後危害更大，所以現行的標準要求水體中汞含量低至yg/L級別。當前針對汞汙染的處理方法有吸附、化學沉澱、絮凝、離子交換和固相萃取等等，但是由於汞元素的特性且自然狀態下含量低，上述方法不能很好地對含汞廢水進行處理並予以回收。
[0003]自20世紀70年代以來，光催化技術被寄予厚望並且得到大量研宄，已經廣泛應用於汙水處理、廢氣處理、光致親水性材料、光解水制氫、抑菌和表面自清潔材料等領域。其中，作為高級氧化技術的一種，光催化技術在廢水處理中展示了其相對於其他處理方式的優越性，如耗能低，處理效果徹底，綠色環保等。
[0004]作為典型的光催化劑，T12或摻雜T1 2在光催化領域應用最為廣泛，當吸收一定能量的光子時，T12價帶上的電子會躍迀至導帶，並在價帶上相應地形成空穴。光生電子與光生空穴分別具有極強的還原性和氧化性，光生電子可以迀移至半導體的表面與金屬元素發生還原反應，對於汞元素而言，還原產物單質汞形成後會吸附於催化劑或吸附劑表面，從而通過還原與吸附作用將汞從水中分離並富集。再通過稀硝酸等再生液將富集的汞回收。
【發明內容】
[0005]本發明的目的解決現有技術存在的問題與不足，提供一種高效處理含汞廢水的裝置及方法，該裝置與方法可將含汞廢水處理達標回用或排放，且成本較低。
[0006]本發明光催化吸附處理含汞廢水的裝置，其包括有LED光源1、光催化吸附混合材料2、排氣口 3、出水口 4、催化吸附反應器5、再生組件6、曝氣室7、進氣口 8、進水口 9和布水器10，所述的催化吸附反應器5石英玻璃製成，催化吸附反應器5的內層石英套筒放置LED光源1，催化吸附反應器5的內層石英套筒與外層石英套筒之間填充光催化吸附混合材料2，催化吸附反應器5下部依次設有布水器10和曝氣室7，曝氣室7下端設有進氣口 8和進水口 9，催化吸附反應器5上部設有排氣口 3與出水口 4，其中排氣口高於出水口 ；再生組件6通過管路與催化吸附反應器5連接，在光催化吸附反應時與催化吸附反應器5經閥門隔開，當光催化吸附混合材料2表面的反應產物富集量較高時可將再生組件6連通催化吸附反應器5的閥門打開將其併入催化吸附反應器5，利用再生試劑將吸附的汞洗脫，將催化劑再生。
[0007]本發明的光催化吸附處理含汞廢水的裝置，其進一步的技術方案是所述的LED光源I由LED燈珠貼片製成，橫截面為多面體，四周貼合適應催化吸附反應器5的內層石英套筒內壁，同時光源的長度根據需要可進行調節。本發明可根據光波需求選擇特定的燈珠，而LED燈珠的最主要特點就是壽命長，產熱少。光源的長度根據需要可進行調節，便於催化吸附反應器的設計。
[0008]本發明的光催化吸附處理含汞廢水的裝置，其進一步的技術方案還可以是所述的催化吸附反應器5最外層石英玻璃外鍍鏡面，通過鏡面反射減少裝置內部LED燈光線的損失。
[0009]本發明的光催化吸附處理含汞廢水的裝置，其進一步的技術方案還可以是所述的光催化吸附混合材料2由載體及負載在載體上的光催化劑組成，光催化劑使用溶膠凝膠法負載於載體表面。更進一步的技術方案是所述的載體為活性氧化鋁、沸石、玻璃纖維布、玻璃珠或活性炭；所述的光催化劑為Ti02、改性Ti02或其他光催化劑。
[0010]本發明的光催化吸附處理含汞廢水的裝置，其進一步的技術方案還可以是所述的排氣口 3排出的氣體可根據實際需求循環通入串聯的反應裝置，出水口 4排出的處理後廢水根據實際效果循環處理或者排出。
[0011]本發明的光催化吸附處理含汞廢水的裝置，其進一步的技術方案還可以是所述的再生試劑為稀硝酸、高錳酸鉀溶液或硫脲。
[0012]使用本發明上述的裝置處理含汞廢水的方法，其包括以下步驟:將含有無機汞及有機汞的廢水通過反應裝置，氣體與液體在曝氣室7充分混合後，經布水器10均勻上升進入催化吸附反應器5的反應室，經過光催化還原反應之後被光催化吸附混合材料吸附；反應溫度為20-30°C、反應時pH範圍7-10，曝氣為空氣，反應時添加的輔助試劑為甲醇、乙醇、甲酸或EDTA。
[0013]本發明的處理含汞廢水的方法，其進一步的技術方案是當光催化吸附混合材料的光催化處理能力與吸附容量近飽和狀態時，通過再生支路將再生試劑通入反應裝置，將反應後光催化吸附混合材料表面的反應產物富集，光催化吸附混合材料得到再生。更進一步的技術方案是所述的再生試劑為稀硝酸、高錳酸鉀溶液或硫脲。
[0014]本發明中內層石英套筒放置光源，內層石英套筒與外層石英套筒之間填充光催化吸附混合材料，下部為進水及曝氣裝置，三部分通過磨砂接口拼接。
[0015]與現有技術相比本發明具有以下有益效果:
[0016](I)本發明中設計的光源使用LED燈珠貼片製作，橫截面為多面體，四周貼合適應套筒內壁，光線強度高，發光均勻，壽命長，發熱少。光催化反應裝置由石英玻璃製成，減少對紫外光的吸收，而且最外層石英玻璃外鍍鏡面，通過鏡面反射減少裝置內部LED燈紫外光的損失，最大限度利用LED燈紫外光。
[0017](2)光催化吸附混合材料其載體化學性質穩定，與催化劑結合良好，具有較高的比表面積且光透過性良好。不但可以實現汞的光催化還原，而且對光催化還原產物具有很好的吸附效果。
[0018](3)所設計反應器為連續反應器，並且可將多組反應器串聯使用，處理量大。
[0019](4)無機汞及有機汞的廢水，經曝氣混合，經過1102光催化還原反應之後被光催化吸附混合材料吸附；通過控制反應溫度、反應pH、曝氣量及曝氣種類、輔助試劑的添加、反應時間等條件優化處理效果。
[0020](5)當光催化吸附混合材料的光催化處理能力與吸附容量近飽和狀態時，通過再生支路將再生試劑通入反應裝置，將反應後吸附於光催化吸附混合材料表面的反應產物富集，光催化吸附混合材料得到再生。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是本發明裝置的結構示意圖。
[0022]圖2為LED光源I結構示意圖。
[0023]圖3為布水器10結構示意圖
【具體實施方式】
[0024]本發明實施例中的裝置，其包括有LED光源1、光催化吸附混合材料2、排氣口 3、出水口 4、催化吸附反應器5、再生組件6、曝氣室7、進氣口 8、進水口 9和布水器10，所述的催化吸附反應器5石英玻璃製成，催化吸附反應器5的內層石英套筒放置LED光源1，催化吸附反應器5的內層石英套筒與外層石英套筒之間填充光催化吸附混合材料2，催化吸附反應器5下部依次設有布水器10和曝氣室7，曝氣室7下端設有進氣口 8和進水口 9，催化吸附反應器5上部設有排氣口 3與出水口 4，其中排氣口高於出水口 ；再生組件6通過管路與催化吸附反應器5連接，在光催化吸附反應時與催化吸附反應器5經閥門隔開，當光催化吸附混合材料2表面的反應產物富集量較高時可將再生組件6連通催化吸附反應器5的閥門打開將其併入催化吸附反應器5，利用再生試劑將吸附的汞洗脫，將催化劑再生。所述的LED光源I由LED燈珠貼片製成，橫截面為多面體，四周貼合適應催化吸附反應器5的內層石英套筒內壁，同時光源的長度根據需要可進行調節。光源套筒外徑為5.5cm，長為55cm，內外套筒夾層間距為0.8cm，外層套筒外鍍鏡面。光源為正六面體截面貼片LED燈，光譜範圍為紫外光，使用壽命達50000小時以上。
[0025]光催化吸附混合材料載體為活性氧化鋁，通過溶膠凝膠法負載T12,具體方法為:
[0026](I)活性氧化鋁粒徑為3mm左右，分別用甲醇與去離子水清洗，然後於100°C乾燥；
[0027](2)非離子型表面活性劑作為致孔劑溶解於異丙醇，再加入適量乙酸調節pH約為6.4，然後將乙二胺逐滴加入溶膠中作為摻雜氮源。隨後在劇烈攪拌狀態下逐滴加入鈦酸異丙酯，再加入剩餘的乙酸。室溫下攪拌過夜得到透明、均勻、穩定的溶膠。溶膠中添加商品用T12，添加量為6g/L，超聲振蕩使其均勻分散。
[0028](3)將洗淨乾燥後的活性氧化鋁浸入溶膠中，超聲振蕩1min後取出自然放置lOmin，然後在100°C烘乾20min，重複3次，最後在程序升溫馬弗爐中以2°C /min的升溫速度升至500°C，保溫120min後自然冷卻。
[0029]實施例1:將Hg2+濃度為10.0mg/L廢水，調節pH值為8，維持溫度25°C，加入甲醇至其濃度約為1%。打開光源，打開上方排氣口與出水口。將廢水以50mL/min的流速自裝置下方進入，同時控制曝氣流速為50mL/min。使用原子螢光光譜檢測反應後水樣中Hg2+濃度。實驗結果表明，經處理後，出水中Hg2+去除量達到99.9%。
[0030]光催化反應之後，將再生組件併入反應器，使用0.02% KMnO4溶液(含3% H 2S04)作為再生液，將光催化吸附混合材料進行再生，同時將反應後的汞回收。經含量檢測和計算，汞回收率可達99%以上。
[0031]實施例2:甲基汞濃度為1.0mg/L的廢水，調節pH值為10，維持溫度25°C，加入甲醇至其濃度約為1%。打開光源，打開上方排氣口與出水口。將廢水以50mL/min的流速自裝置下方進入，同時控制曝氣流速為50mL/min。使用原子螢光光譜檢測反應後水樣中甲基汞及汞濃度。實驗結果表明，廢水中甲基汞去除量達到99.9%以上。
[0032]光催化反應之後，將再生組件併入反應器，使用0.02% KMnO4溶液(含3% H 2S04)作為再生液，將光催化吸附混合材料進行再生，同時將反應後的汞回收。經含量檢測和計算，汞回收率可達99%以上。
[0033]實施例3:將Hg2+濃度為10.0mg/L廢水，調節pH值為7，維持溫度30°C，加入甲醇至其濃度約為1%。打開光源，打開上方排氣口與出水口。將廢水以50mL/min的流速自裝置下方進入，同時控制曝氣流速為50mL/min。使用原子螢光光譜檢測反應後水樣中Hg2+濃度。實驗結果表明，經處理後，出水中Hg2+去除量達到99.9%。
【權利要求】
1.一種光催化吸附處理含汞廢水及回收汞的裝置，其特徵在於包括有LED光源(I)、光催化吸附混合材料(2)、排氣口(3)、出水口(4)、光催化吸附反應器(5)、再生組件(6、曝氣室(7)、進氣口(8)、進水口(9)和布水器(10)，所述的光催化吸附反應器(5)由石英玻璃製成，催化吸附反應器(5)的內層石英套筒放置LED光源(I)，催化吸附反應器(5)的內層石英套筒與外層石英套筒之間填充光催化吸附混合材料(2)，催化吸附反應器(5)下部依次設有布水器(10)和曝氣室(7)，曝氣室(7)下端設有進氣口(8)和進水口(9)，催化吸附反應器(5)上部設有排氣口(3)與出水口(4)，其中排氣口高於出水口 ；再生組件(6)通過管路與催化吸附反應器(5)連接，在光催化吸附反應時與催化吸附反應器(5)經閥門隔開，當光催化吸附混合材料(2)表面的反應產物富集量較高時可將再生組件(6)連通催化吸附反應器(5)的閥門打開將其併入催化吸附反應器(5)，利用再生試劑將吸附的汞回收，將催化劑再生。
2.根據權利要求1所述的光催化吸附處理含汞廢水及回收汞的裝置，其特徵在於所述的LED光源(I)由LED燈珠貼片製成，橫截面為多面體，四周貼合適應催化吸附反應器(5)的內層石英套筒內壁，同時光源的長度根據需要可進行調節。
3.根據權利要求1所述的光催化吸附處理含汞廢水及回收汞的裝置，其特徵在於所述的催化吸附反應器(5)最外層石英玻璃外鍍鏡面，通過鏡面反射減少裝置內部LED燈光線的損失。
4.根據權利要求1所述的光催化吸附處理含汞廢水及回收汞的裝置，其特徵在於所述的光催化吸附混合材料(2)由載體及負載在載體上的光催化劑組成，光催化劑使用溶膠凝膠法負載於載體表面。
5.根據權利要求4所述的光催化吸附處理含汞廢水及回收汞的裝置，其特徵在於所述的載體為活性氧化鋁、沸石、玻璃纖維布、玻璃珠或活性炭；所述的光催化劑為T12、改性Ti O2或其他光催化劑。
6.根據權利要求1所述的光催化吸附處理含汞廢水及回收汞的裝置，其特徵在於所述的排氣口(3)排出的氣體可根據實際需求循環通入串聯的反應裝置，出水口(4)排出的處理後廢水根據實際效果循環處理或者排出。
7.一種使用如權利要求1-6任一所述的裝置處理含汞廢水的方法，其特徵在於包括以下步驟:將含有無機汞及有機汞的廢水通過反應裝置，氣體與液體在曝氣室(7)充分混合後，經布水器(10)均勻上升進入催化吸附反應器(5)的反應室，經過光催化還原反應之後被光催化吸附混合材料吸附；反應溫度為20-30°C、反應時pH範圍7-10，曝氣為空氣，反應時添加的輔助試劑為甲醇、乙醇、甲酸或EDTA。
8.根據權利要求7所述的處理含汞廢水的方法，其特徵在於當光催化吸附混合材料的光催化處理能力與吸附容量近飽和狀態時，通過再生支路將再生試劑通入反應裝置，將反應後光催化吸附混合材料表面的反應產物回收，光催化吸附混合材料得到再生。
9.根據權利要求8所述的處理含汞廢水的方法，其特徵在於所述的再生試劑為稀硝酸、高錳酸鉀溶液或硫脲。
【文檔編號】C02F1/32GK104445498SQ201410643388
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月13日 優先權日:2014年11月13日
【發明者】羅正維, 江暉, 耿文華 申請人:南京工業大學