一种螺旋式压电光催化污水处理装置及处理方法

1.本发明涉及一种螺旋式压电光催化污水处理装置及处理方法，属于水污染控制领域。


背景技术：

2.随着社会与工业化的发展，化石能源短缺与环境污染对人类社会经济的可持续发展构成了严峻挑战；如何利用清洁可再生的新能源进行污染物净化是保证人民生命健康和社会经济可持续发展的关键；其中，太阳能作为清洁能源产业的重要组成部分，在光催化降解污染物中有着广阔的应用；纳米光催化剂在可见光或紫外光下利用光生电子-空穴对的强氧化还原性，高效、快速的去除水体中的有机污染物；但是，纳米光催化剂在实际水体修复中存在易沉降、利用率低、难以回收等问题，同时由于半导体光催化剂的量子效率较低，使半导体光催化技术难以实现大范围工业化应用。
3.压电效应利用晶体材料的不对称性，在受到外力的作用发生形变时，一端产生极化的正电荷，另一端产生负电荷，在压电极化场的作用下，光生电子和空穴可以有效地分离并向相反方向迁移，这有利于体电荷向表面活性中心迁移参与到各种光催化反应中，从而显著提高材料光催化活性，诱发压电效应的机械力多选用超声波、球磨、震荡等；然而，高频超声波输入耗能巨大，不适于工业范围上的应用；因此，充分利用自然界广泛存在的水流势能，开发一种适用于各类污染物的、具有广泛普适性的压电光催化降解装置，对缓解城镇生活污水处理问题具有突出的实际意义。


技术实现要素：

4.本发明提出了一种螺旋式压电光催化污水处理装置及处理方法，其目的在提供通过将光催化技术与压电效应耦合实现对污水的处理。
5.本发明的技术解决方案：一种螺旋式压电光催化污水处理装置，其结构包括进水系统，螺旋式压电光催化系统；所述螺旋式压电光催化系统包括螺旋管道2、压电薄膜13；进水系统的出水口与螺旋管道2的进水口相连通，压电薄膜13位于螺旋管道2的内部。
6.进一步地，所述螺旋管道2由透明管螺旋绕制而成；所述螺旋管道2整体长度方向的中心线与螺旋管道2的螺旋形外圈边缘切线的夹角为α角，60
°
≤α≤80
°
。
7.进一步地，所述透明管为石英玻璃材质的透明管。
8.进一步地，所述压电薄膜13位于透明管内侧壁。
9.进一步地，所述压电薄膜13位于透明管朝向螺旋管道2外侧的侧壁内侧。
10.进一步地，所述螺旋管道2在工作时，所需要处理的污水经螺旋管道2的进水口进入螺旋管道2后按照右手螺旋的方式螺旋前进。
11.进一步地，所述螺旋式压电光催化系统还包括紫外灯管11；其中，紫外灯管11的长度方向与螺旋管道2整体长度方向平行，紫外灯管11位于螺旋管道2整体长度方向的中心线位置。
12.进一步地，所述压电薄膜13为pvdf压电薄膜，压电薄膜13表面负载有光催化材料，光催化材料为纳米光催化材料；所述纳米光催化材料为氧化锌、二氧化钛、钛酸钡中的任一种或任两种的组合或三种的组合；纳米光催化材料负载在压电薄膜13的面向污水侧。
13.进一步地，所述螺旋式压电光催化系统还包括流量调节阀8、压力监测器9、水质监测器10；所述流量调节阀8串接在进水系统的出水口与螺旋管道2的进水口之间相连接的管道上，压力监测器9位于螺旋管道2的进水口处，水质监测器10安装在螺旋管道2的出水口；所述进水系统包括水箱1、支架台3、进水系统的进水口4、排气阀门5、水位探测器6、检修梯7；水箱1固定于支架台3上方，使用时，通过调整支架台3的高度为水箱1提供高度增大水头；进水系统的进水口4设在水箱1的顶部，通过进水系统的进水口4向水箱1中输送需要处理的污废水；水箱1上方设有排气阀门5，用于调整箱体1内部压强；检修梯7位于水箱1侧面，用于日常检查维修时使用；水箱1内部设有水位探测器6，实时检测水箱内水位；所述水箱1的底部高于螺旋管道2所处高度。
14.一种利用螺旋式压电光催化污水处理装置进行污水处理的方法，该方法包括：1、污废水通过进水系统的进水口4进入水箱1，通过流量调节阀8调节到适宜流量速度进入螺旋管道2中；2、污废水在重力势能作用下通过螺旋管道2，污废水与螺旋管道2中的压电薄膜13充分接触；3、在紫外灯管11的照射下，压电薄膜13上的光催化材料与污废水中的污染物进行光催化降解反应。
15.本发明的有益效果：1）本发明将光催化反应与压电催化反应耦合，提高了污染物的降解效率；2）本发明利用水流势能激发材料压电效应，具有节能、环保、易实现的特点，其中水箱具有一定的高度，能够提供更大的水头，为管道内产生高速水流提供了前提条件；3）采用螺旋式反应管道，增加了管道内动态流速的产生，有利于产生更强的压电电场；此外，螺旋形能够延长管道长度，进而延长反应时间，有利于污染物的深度净化；4）该装置结构简单、成本低，除城镇污水处理外，对于农村生活污水入户处理同样适用。
16.5）通过进一步设计，可通过太阳能板为紫外灯管提供电力，更加节能、环保。
附图说明
17.附图1是螺旋式太阳能压电光催化污水处理装置的总体结构示意图。
18.附图2螺旋式太阳能压电光催化污水处理装置的俯视图。
19.附图3是螺旋管道的侧面结构示意图。
20.附图4 是螺旋管道角度α示意图。
21.附图5是α角为60
°
时螺旋管道内的流场分布变化示意图。
22.附图6是α角为70
°
时螺旋管道内的流场分布变化示意图。
23.附图7是α角为80
°
时螺旋管道内的流场分布变化示意图。
24.附图中1是水箱，2是螺旋管道，3是支架台，4是进水系统的进水口，5是排气阀门，6是水位探测器，7是检修梯，8是流量调节阀，9是压力监测器，10是水质监测器，11是紫外灯
管，12是太阳能板，13是压电薄膜。
具体实施方式
25.一种螺旋式压电光催化污水处理装置，其结构包括进水系统，螺旋式压电光催化系统；所述螺旋式压电光催化系统包括螺旋管道2、压电薄膜13；进水系统的出水口与螺旋管道2的进水口相连通，压电薄膜13位于螺旋管道2的内壁。
26.所述螺旋管道2由透明管螺旋绕制而成，所述透明管为管壁能够透过紫外波段和可见光波段的透明管；优选采用石英玻璃材质的透明管，石英玻璃材质的透明管能够较好的透过紫外波段。
27.如附图4所示，所述螺旋管道2整体长度方向的中心线与螺旋管道2的螺旋形外圈边缘切线的夹角为α角；优选地，60
°
≤α≤80
°
。
28.如附图5-附图7，通过控制不同α角，改变了螺旋管道弯曲度，从而影响了水流在透明管内的流动阻力；α角越小，弯曲度越小，水流流速越大；根据公式（1）：
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（1）；其中re是雷诺数，是流体密度，是流体速度，是特征长度，是流体粘性系数；可以看出，螺旋管内流场速度越大，雷诺数则越大，表示管道内水流流动无序性越高，即湍流程度越高；在高速湍流下，水流涡激剪力使压电薄膜13能够发生更剧烈的形变，进而达到更高、更持久的压电电势输出；在压电电势作用下，光生载流子得到更高效的分离，促进对污染物的光催化降解。
29.同时，对于整体长度相同的螺旋管道2，对于不同的α角，α角越小，所使用的绕制螺旋管道2的透明管的长度越短，螺旋管道2内对污水在透明管内的有效处理距离则越短，不利于污染物的高效处理；因此，α角的设计高度影响螺旋式压电光催化系统的污染物降解效率。
30.所述压电薄膜13位于透明管内侧壁；优选地，如附图3所示， 所述压电薄膜13位于透明管朝向螺旋管道2外侧的侧壁内侧上；此设计有助于涡激剪力对压电薄膜13的充分作用，同时也有利于紫外灯管11对压电薄膜13和污水的大范围照射。
31.所述螺旋管道2在工作时，所需要处理的污水经螺旋管道2的进水口进入螺旋管道2后按照右手螺旋的方式螺旋前进；由于透明管的螺旋绕制，污水顺着透明管的绕制方向呈顺时针螺旋远离螺旋管道2的进水口向前前进，污水在螺旋前进的过程中会对螺旋管道2外侧的内侧壁产生涡激剪力冲击，使得在α角越大时，仍然能够很好使压电薄膜13发生剧烈的形变，进保证达到更高、更持久的压电电势输出。
32.所述螺旋式压电光催化系统还包括紫外灯管11；其中，紫外灯管11的长度方向与螺旋管道2整体长度方向平行，优选紫外灯管11位于螺旋管道2整体长度方向的中心线位置；螺旋管道2优选采用石英玻璃材质，能够较好的透过紫外波段；工作时，紫外灯管11位于螺旋管道2整体长度方向的中心线位置，使得紫外灯管11的四周被透明管环绕，有利于紫外灯管11照射流经螺旋管道2的污水和照射螺旋管道2内的压电薄膜13。
33.所述压电薄膜13优选为pvdf（聚偏氟乙烯）压电薄膜，压电薄膜13表面负载有光催化材料，光催化材料优选为纳米光催化材料；所述纳米光催化材料优选为氧化锌（zno）、二
氧化钛（tio2）、钛酸钡（batio3）中的任一种或任两种的组合或三种的组合；纳米光催化材料负载在压电薄膜13的面向污水侧。
34.所述压电薄膜13的表面优选具有多孔结构，多孔结构有利于光催化材料在压电薄膜13的表面分散，并有利于提升污水与催化剂的接触面积和冲击力度。
35.所述紫外灯管11的电输入端与外部电源的电输出端连接，外部电源提供电能给紫外灯管11工作，紫外灯管11提供光催化反应所需紫外光源。
36.所述螺旋式压电光催化系统还包括太阳能板12；太阳能板12的电输出端与紫外灯管11的电输入端相连接，通过太阳能板12将光能转换成电能供紫外灯管11工作，提供光催化反应所需紫外光源。
37.所述螺旋式压电光催化系统还包括流量调节阀8、压力监测器9、水质监测器10；所述流量调节阀8串接在进水系统的出水口与螺旋管道2的进水口之间相连接的管道上，压力监测器9位于螺旋管道2的进水口处，水质监测器10安装在螺旋管道2的出水口；工作时，流量调节阀8用以调控进入螺旋管道2的污废水流量，压力监测器9用以监测螺旋管道2的进水口处污废水压力，水质检测器10与螺旋管道2尾部相连，以实时检测处理后废水达标与否。
38.所述进水系统包括水箱1、支架台3、进水系统的进水口4、排气阀门5、水位探测器6、检修梯7；水箱1固定于支架台3上方，使用时，通过调整支架台3的高度为水箱1提供高度增大水头；进水系统的进水口4设在水箱1的顶部，通过进水系统的进水口4向水箱1中输送需要处理的污废水；水箱1上方设有排气阀门5，用于调整箱体1内部压强；检修梯7位于水箱1侧面，用于日常检查维修时使用；水箱1内部设有水位探测器6，可实时检测水箱内水位；所述螺旋管道2与水箱1的任意一侧相连，螺旋管道2与水箱1的连接处设流量调节阀8，流量调节阀8用于调控进入螺旋管道的污废水流量。
39.所述水箱1的底部高于螺旋管道2所处高度。
40.一种利用螺旋式压电光催化污水处理装置进行污水处理的方法，该方法包括：1、污废水通过进水系统的进水口4进入水箱1，通过流量调节阀8调节到适宜流量速度进入螺旋管道2中；2、污废水在重力势能作用下通过螺旋管道2，污废水与螺旋管道2中的压电薄膜13充分接触；3、在紫外灯管11的照射下，压电薄膜13上的光催化材料与污废水中的污染物进行光催化降解反应。
41.本发明在工作时，在水流冲击作用下，利用水势能在螺旋管道2内易形成高速湍流，诱导螺旋管道2内的压电薄膜13发生形变，使压电薄膜13内部产生压电场，促进压电薄膜13上光催化材料的降解效果，经过降解后的污废水经过水质监测器10判断处理后污水达标与否，未达标的污水回流输送至水箱1中继续循环处理；达标污水则直接排出。
42.下面结合实例及附图对本发明技术方案做进一步说明。
43.实施例1一种螺旋式压电光催化污水处理装置，其结构包括进水系统、螺旋式压电光催化系统；所述进水系统包括水箱1、支架台3、进水口4、排气阀门5、检修梯7，水位探测器6。
44.所述水箱1置于支架台3上方；水箱1顶部有的进水口4，通过进水口4向水箱1中输
送需要处理的污废水；水箱上方设有排气阀门5，用以调整箱体内部压强；检修梯7位于水箱1侧面，用以日常检查维修使用；水箱1内部设有水位探测器6，实时检测水箱内水位。
45.所述螺旋式压电光催化系统包括螺旋管道2、紫外灯管11、太阳能板12、流量调节阀8、压力监测器9、水质监测器10、压电薄膜13。
46.所述螺旋管道2与水箱1相连，采用石英玻璃材质，能够较好的透过紫外波段；螺旋管中心线与边缘切线的夹角α= 60
°
；螺旋管道2壁面放置负载zno的pvdf压电光催化膜（zno@pvdf）13；水质检测器10与螺旋管道2尾部相连，以实时检测处理后废水达标与否，未达标的废水通过a口回流输送至水箱1中继续循环处理；达标废水则通过 b口排出；螺旋管道2与水箱1连接处设有流量调节阀8，调节流量至0.5 l/s，管道中设有压力监测器9实时监测管道压力。
47.实施例2一种螺旋式压电光催化污水处理装置，其结构包括进水系统、螺旋式压电光催化系统；所述进水系统包括水箱1、支架台3、进水口4、排气阀门5、检修梯7，水位探测器6。
48.所述水箱1置于支架台3上方；水箱1顶部有的进水口4，通过进水口4向水箱1中输送需要处理的污废水；水箱上方设有排气阀门5，用以调整箱体内部压强；检修梯7位于水箱1侧面，用以日常检查维修使用；水箱1内部设有水位探测器6，实时检测水箱内水位。
49.所述螺旋式压电光催化系统包括螺旋管道2、紫外灯管11、太阳能板12、流量调节阀8、压力监测器9、水质监测器10、压电薄膜13。
50.所述螺旋管道2与水箱1相连，采用石英玻璃材质，能够较好的透过紫外波段；螺旋管中心线与边缘切线的夹角α= 70
°
；螺旋管道2壁面放置负载zno的pvdf压电光催化膜（zno@pvdf）13；水质检测器10与螺旋管道2尾部相连，以实时检测处理后废水达标与否，未达标的废水通过a口回流输送至水箱1中继续循环处理；达标废水则通过 b口排出；螺旋管道2与水箱1连接处设有流量调节阀8，调节流量至0.5 l/s，管道中设有压力监测器9实时监测管道压力。
51.实施例3一种螺旋式压电光催化污水处理装置，其结构包括进水系统、螺旋式压电光催化系统；所述进水系统包括水箱1、支架台3、进水口4、排气阀门5、检修梯7，水位探测器6。
52.所述水箱1置于支架台3上方；水箱1顶部有的进水口4，通过进水口4向水箱1中输送需要处理的污废水；水箱上方设有排气阀门5，用以调整箱体内部压强；检修梯7位于水箱1侧面，用以日常检查维修使用；水箱1内部设有水位探测器6，实时检测水箱内水位。
53.所述螺旋式压电光催化系统包括螺旋管道2、紫外灯管11、太阳能板12、流量调节阀8、压力监测器9、水质监测器10、压电薄膜13。
54.所述螺旋管道2与水箱1相连，采用石英玻璃材质，能够较好的透过紫外波段；螺旋管中心线与边缘切线的夹角α= 80
°
；螺旋管道2壁面放置负载zno的pvdf压电光催化膜（zno@pvdf）13；水质检测器10与螺旋管道2尾部相连，以实时检测处理后废水达标与否，未达标的废水通过a口回流输送至水箱1中继续循环处理；达标废水则通过 b口排出；螺旋管道2与水箱1连接处设有流量调节阀8，调节流量至0.5 l/s，管道中设有压力监测器9实时监
测管道压力。
55.实施例4本实施例中，使用实施例1所述的螺旋式太阳能压电光催化污水处理装置进行某工厂染料污水处理，污水特征：罗丹明b浓度5 mg/l，：cod浓度为1200mg/l、bod浓度为100mg/l；步骤如下：含罗丹明b的染料污水通过进水口进入水箱1，通过流量阀门5调节流量至0.5 l/s进入螺旋管道2中；污水在重力势能作用下通过螺旋管道，与管道中的负载zno的pvdf压电光催化膜（zno@pvdf）13充分接触，在紫外灯管11照射下，光催化纳米材料zno等可对罗丹明b进行光催化降解反应；同时，在水流冲击作用下，螺旋管道内易形成高速湍流，诱导管道内的压电薄膜发生形变，使薄膜内部产生压电场，促进光催化材料对罗丹明b的降解效果；经过数轮降解后，含罗丹明b污水各项指标达到排放标准，安全排出。