一種污水處理用光催化反應(yīng)裝置

陳俊芳 盧秋菊 張敏 陳冬玲 徐斌（重慶文理學(xué)院，重慶永川 402160）

一種污水處理用光催化反應(yīng)裝置

陳俊芳 盧秋菊 張敏 陳冬玲 徐斌（重慶文理學(xué)院，重慶永川 402160）

環(huán)境光催化技術(shù)依靠一些半導(dǎo)體材料如：二氧化鈦、二氧化鋅等自身的性能，在光的作用下污染物在材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一些對環(huán)境無毒無害的小分子物質(zhì)，從而達(dá)到凈化的目的。該方法無毒、環(huán)保、能耗低，因此受到了國內(nèi)外研究者的極大關(guān)注。

1 傳統(tǒng)檢測設(shè)備及工作流程

下圖是常見的一種反應(yīng)容器，其主要包括三個(gè)部分，電源，反應(yīng)容器，攪拌裝置。其工作流程如下：首先，在燒杯中配制一定濃度的待降解染料，加入一定量的催化劑，超聲使催化劑完全分散。然后連接好裝置，將溶液由取樣口倒入反應(yīng)容器，開啟攪拌裝置，使催化劑不至于沉底，再打開光源電源，開始進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)開始后，每隔一定時(shí)間用滴管從取樣口中吸取3-5mL溶液，待反應(yīng)結(jié)束后，將溶液在離心機(jī)中離心，取上層清液在紫外-可見分光光度計(jì)中測試其吸光度，根據(jù)吸光度的變化，判斷其降解效果。

圖1.現(xiàn)有的光催化降解實(shí)驗(yàn)反應(yīng)系統(tǒng)

2 傳統(tǒng)檢測設(shè)備的不足

首先，其操作過程比較復(fù)雜，步驟繁多，反應(yīng)過程中必須時(shí)刻等待取樣，耗費(fèi)人力。其次，反應(yīng)結(jié)束后得到的數(shù)據(jù)為一個(gè)一個(gè)離散的點(diǎn)，無法有效反映點(diǎn)與點(diǎn)之間細(xì)微的濃度變化，只能獲得一個(gè)大概的變化趨勢，不利于圍觀分析。更重要的是，使用其檢測時(shí)只能使用粉末狀的催化劑，而目前研究者正大力開發(fā)固定化的催化劑，如薄膜催化劑。

3 新系統(tǒng)的構(gòu)造和工作流程

針對以上不足，我們設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)化的光催化反應(yīng)系統(tǒng)。如圖2所示，該系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分，一個(gè)是催化反應(yīng)系統(tǒng)，另一個(gè)是數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)。首先是催化反應(yīng)系統(tǒng)，在一個(gè)固定體積容器中設(shè)計(jì)了一個(gè)進(jìn)水口和一個(gè)出水口，用于水樣的進(jìn)出，當(dāng)水樣從進(jìn)水口進(jìn)入后，首先經(jīng)過一道過濾裝置，以使其中的大顆粒不溶物質(zhì)直接過濾掉，過濾后的水樣再經(jīng)過載有催化劑的薄膜，在光源的配合下發(fā)生光催化反應(yīng)，使其中的有機(jī)污染物得到降解，然后經(jīng)出水口離開。如果是粉末樣品，則將其中的薄膜部分取下，在出水口的前端加入微孔濾膜，將粉末樣品直接放入兩塊濾膜之間，再攪拌即可實(shí)現(xiàn)光催化反應(yīng)。為了便于反應(yīng)過程中的控制和監(jiān)測，在該系統(tǒng)中引入了一個(gè)數(shù)字控制和監(jiān)測裝置，主要包括傳感器、光源、控制器、顯示器、水泵、攪拌器。光源位于反應(yīng)容器中央，同時(shí)為了更有效利用光能，在反應(yīng)容器內(nèi)壁加入反射裝置，使光路在容器中來回反射，提高光利用效率，通過與控制器連接，主要是為了使整個(gè)系統(tǒng)在一個(gè)控制界面上完成控制。傳感器分別置于進(jìn)水口、反應(yīng)容器中央和出水口，可以實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)中各個(gè)區(qū)域的水質(zhì)變化，是這套裝置中最核心的部分。水泵的作用是為了防止反應(yīng)后的水質(zhì)不達(dá)標(biāo)而需要將其重新送入系統(tǒng)中時(shí)而設(shè)置的。該系統(tǒng)不僅適用于一般實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的光催化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)還可以作為家用凈水裝置。

圖2.設(shè)計(jì)改進(jìn)后的系統(tǒng)

4 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)字化顯示，大大提高了檢測的效率，節(jié)省了人力，得到的結(jié)果也更加準(zhǔn)確，能大大的減少了原來處理污水過程中的繁雜程序過程，使用方便，簡單，使用該設(shè)備不需要進(jìn)行使用設(shè)備的人員培訓(xùn)過程，在資金上也減少的大部分資金開支，使用該設(shè)備更加的環(huán)保，適合現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展需要。同時(shí)，該系統(tǒng)還可以作為家用的純水凈化裝置，具有實(shí)用，節(jié)能等特點(diǎn)。另外，該裝置稍作改進(jìn)還可以應(yīng)用到一些工業(yè)級大型污水處理廠，自來水廠等。該設(shè)備真正實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代社會(huì)的自動(dòng)化處理系統(tǒng)設(shè)備。

本文系重慶文理學(xué)院2014年度學(xué)生科研立項(xiàng)學(xué)生科技創(chuàng)新重大培育項(xiàng)目（編號：2014ZDPY03）系列研究成果。

陳俊芳、盧秋菊、張敏、陳冬玲，重慶文學(xué)院材料與化工學(xué)院2013級化學(xué)工程與工藝專業(yè)學(xué)生；徐斌，重慶文學(xué)院電子電氣工程學(xué)院2013級電信專業(yè)學(xué)生。

劉碧桃，重慶文理學(xué)院新材料研究院副教授，博士，重慶文理學(xué)院2014年度學(xué)生科研立項(xiàng)學(xué)生科技創(chuàng)新重大培育項(xiàng)目（編號：2014ZDPY03）指導(dǎo)教師。