家用水处理终端光催化反应器

家用水处理终端光催化反应器

摘要：

随着国内经济的迅速发展以及人们生活水平的日益提高，越来越多的家庭开始关注饮用水的水质安全。传统的净化技术已经不能满足日益增长的需求，由此应运产生了许多新型的水质处理技术，其中以TiO₂为代表的光催化氧化技术以其新颖、降解充分、无二次污染的优点受到关注。

关键词:光催化，水处理，反应器

一、引言：

在应用光催化技术处理水的早期研究中，二氧化钛是以悬浮状态出现的。悬浮二氧化钛虽比表面大，反应活性好，但缺点是易凝聚，处理后催化剂分离回收困难。特别在实际使用中，由于催化剂为纳米形态，因此在固液过程中存在着易团聚和回收困难的问题，而气固过程则有着气质阻塞和传输阻力高的问题。随着研究的发展，产生了主要以无机物为负载的二氧化钛。本发明为家用水处理终端光催化反应器运用了以活性炭为载体的TiO₂。 二、基本原理：

1、纳米TiO2具有十分宝贵的光学性质，在汽车工业及诸多领域都显示出美好的发展前景。纳米TiO2还具有很高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性，且完全可以与食品接触，所以被广泛应用于抗紫外材料、纺织、光催化触媒、自洁玻璃、防晒霜、涂料、油墨、造纸工业、航天工业中、锂电池中。

（1）杀菌功能:在光线中紫外线的作用下长久杀菌。实验证明，以0.1mg/cm3浓度的锐钛型纳米TiO2可彻底地杀死恶性海拉细胞，而且随着超氧化物歧化酶（SOD）添加量的增多，TiO2光催化杀死癌细胞的效率也提高。对枯草杆菌黑色变种芽孢、绿脓杆菌、大肠杆菌、金色葡萄球菌、沙门氏菌、牙枝菌和曲霉的杀灭率均达到98%以上；用TiO2光催化氧化深度处理自来水，可大大减少水中的细菌数，饮用后无致突变作用，达到安全饮用水的标准；在涂料中添加纳米TiO2可以制造出杀菌、防污、除臭、自洁的抗菌防污涂料，应用于医院 1

病房、手术室及家庭卫生间等细菌密集、易繁殖的场所，可净化空气、防止感染、除臭除味。能够有效杀灭等等有害细菌。

（2）防紫外线功能:纳米TiO2既能吸收紫外线，又能反射、散射紫外线，还能透过可见光，是性能优越、极有发展前途的物理屏蔽型的紫外线防护剂。

纳米二氧化钛的抗紫外线机理：按照波长的不同，紫外线分为短波区190～280 nm、中波区280～320 nm、长波区320～400nm。短波区紫外线能量最高，但在经过离臭氧层时被阻挡，因此，对人体伤害的一般是中波区和长波区紫外线。纳米二氧化钛的强抗紫外线能力是由于其具有高折光性和高光活性。其抗紫外线能力及其机理与其粒径有关：当粒径较大时，对紫外线的阻隔是以反射、散射为主，且对中波区和长波区紫外线均有效。防晒机理是简单的遮盖，属一般的物理防晒，防晒能力较弱；随着粒径的减小，光线能透过纳米二氧化钛的粒子面，对长波区紫外线的反射、散射性不明显，而对中波区紫外线的吸收性明显增强。其防晒机理是吸收紫外线，主要吸收中波区紫外线。

由此可见，纳米二氧化钛对不同波长紫外线的防晒机理不一样，对长波区紫外线的阻隔以散射为主，对中波区紫外线的阻隔以吸收为主。

纳米二氧化钛在不同波长区均表现出优异的吸收性能，与其他有机防晒剂相比，纳米二氧化钛具有无毒、性能稳定、效果好等特点。日本资生堂应用10-100nm的纳米二氧化钛作为防晒成分添加于口红、面霜中，其防晒因子可大SPF11-19。

纳米二氧化钛由于粒径小，活性大，既能反射、散射紫外线，又能吸收紫外线，从而对紫外线有更强的阻隔能力。与同样剂量的一些有机紫外线防护剂相比，VK-T02 纳米二氧化钛在紫外区的吸收峰更高，更可贵的是它还是广谱屏蔽剂，不象有机紫外线防护剂那样只单一对UVA或UVB有吸收。它还能透过可见光，加入到化妆品使用时皮肤白度自然，不象颜料级TiO2，不能透过可见光，造成使用者脸上出现不自然的苍白颜色。

利用纳米TiO2的透明性和紫外线吸收能力还可用作食品包装膜、油墨、涂料、纺织制品和塑料填充剂，可以替代有机紫外线吸收剂，用于涂料中可提高涂料耐老化能力。

（3）光催化功能:研究结果发现，在日光或灯光中紫外线的作用下使Ti02激活并生成具有高催化活性的游离基，能产生很强的光氧化及还原能力， 2

可催化、光解附着于物体表面的各种甲醛等有机物及部分无机物。能够起到净化室内空气的功能。

（4）自清洁功能:TiO2薄膜在光照下具有超亲水性和超永久性，因此其具有防雾功能。如在汽车后视镜上涂覆一层氧化钛薄膜，即使空气中的水分或者水蒸气凝结，冷凝水也不会形成单个水滴，而是形成水膜均匀地铺展在表面，所以表面不会发生光散射的雾。当有雨水冲过，在表面附着的雨水也会迅速扩散成为均匀的水膜，这样就不会形成分散视线的水滴，使得后视镜表面保持原有的光亮，提高行车的安全性。

纳米TiO2具有很强的“超亲水性”，在它的表面不易形成水珠，而且纳米TiO2在可见光照射下可以对碳氢化合物作用。利用这样一个效应可以在玻璃、陶瓷和瓷砖的表面涂上一层纳米TiO2薄层，利用氧化钛的光催化反应就可以把吸附在氧化钛表面的有机污染物分解为CO2和O2，同剩余的无机物一起可被雨水冲刷干净，从而实现自清洁功能。日本东京已有人在实验室研制成功自洁瓷砖，这种新产品的表面上有一薄层纳米TiO2，任何粘污在表面上的物质，包括油污、细菌在光的照射下，由于纳米TiO2的催化作用，可以使这些碳氢化合物物质进一步氧化变成气体或者很容易被擦掉的物质。纳米TiO2光催化作用使得高层建筑的玻璃、厨房容易粘污的瓷砖、汽车后视镜及前窗玻璃的保洁都可很容易地进行。

本发明主要运用了二氧化钛的光催化功能。以活性炭为载体的TiO₂光催化即接受紫外光辐照后产生光生空穴和光生电子可以有效地通过载体的作用转移，从而提高量子效率。在光催化降解体系中普遍认为反应物先被预吸附在催化剂表面，之后再被光生空穴或者羟基自由基氧化降解。因此这个项目的反应过程为载体吸附反应底物为TiO₂颗粒提供一个污染物被预富集的环境，当TiO₂光催化降解反应底物的过程中，载体吸附的反应底物量被有效减少，部分再生了载体的吸附能力，从而可以再次为TiO₂颗粒提供预富集污染物。形成载体吸附、表面扩散、光催化降解、原位再生、再吸附反应底物的循环过程，产生吸附于光催化降解的协同效应。

2、设计思路：

（1）首先通过实验选择性能最好的活性炭作为光催化剂的载体。

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（2）采用溶液凝胶法制备纳米TiO₂溶胶，通过不同种实验方案测定在各实验条件下光催化的活性，选择最佳反应条件。

（3）确定水体中的目标污染物，同时使用最佳条件下制备的光催化剂颗粒降解选定的几种物质以了解催化剂的性质。

（4）设计光催化反应器方案，并建立光催化反应装置体系。

3、发明装置图：

三、结论：

随着社会的不断发展，商场中各种各样的饮品以及矿泉水是否存在安全隐患仍然是个问号，同时包装的塑料瓶在制备过程中使用的塑化剂也存在缓慢溶解于饮品中，也存在一些安全隐患。为了有效降低安全隐患，在这项发明中将光催化技术引入日常水杯中。

便携式光催化装置基于活性炭强大的吸附性能及TiO₂的光催化氧化能力设计，也就是将二者功能分离，需要饮水时直接通过活性炭吸附去除污染物后，再通过紫外灯去除活性炭吸附的污染物来达到活性炭的再生作用。

参考文献：

[1]张明.化学化工：[硕士学位论文].安徽：合肥师范学院化工系，2011 4