專利名稱：光催化水處理裝置以及光電催化水處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及水處理裝置，更具體地，涉及一種光催化水處理裝置以及光電催化水處理裝置。
背景技術(shù)：
工業(yè)或家庭的廢水中的有機(jī)污染物必須在排放之前被排除或降解。在不同的處理方法中，最受關(guān)注的是高級氧化法(AOPs)，其使用羥基自由基(0H ·)作為強(qiáng)氧化劑來降解有機(jī)廢物。在不同的AOPs中，由于光催化法能夠在環(huán)境溫度和大氣壓下將很大范圍的頑固的有機(jī)廢物降解并礦化成無害物質(zhì)，所以在近幾年得到很大的關(guān)注。光催化氧化方法主要使用微粒銳鈦礦TiO2懸浮液來去除污染物。使用TiO2懸浮液的水處理裝置的優(yōu)點(diǎn)在于光催化劑容易添加到污水中。由于使用的TiO2的尺寸是納米級的，TiO2納米顆粒的后處理過程需要過濾去除光催化劑粉末，該過程不僅耗時(shí)，而且成本很高，這妨礙了該技術(shù)的應(yīng)用。為了解決上述問題，人們在惰性載體上固定光催化劑，從而取消昂貴的分離過程。例如，將光催化劑固定到載體表面上，例如玻璃、硅膠、金屬、陶瓷、聚合物、薄膜、纖維、沸石、礬土、活性炭、纖維素、反應(yīng)器外壁等等。然而，與TiO2懸浮顆粒相比，相對較低的表面積和產(chǎn)生的電子空穴對的復(fù)合使得固定化光催化劑的反應(yīng)效率不高。此外，固定的光催化劑完全浸入溶液中，激發(fā)光需要穿過樣品溶液、甚至穿過光催化反應(yīng)器的外壁才到達(dá)光催化劑表面，由于樣品溶液的吸收而導(dǎo)致激發(fā)光能量的嚴(yán)重?fù)p耗，并導(dǎo)致處理效率低下。在許多情形下，溶液中存在一些物質(zhì)能夠強(qiáng)烈地吸收光能，在這些情形中能量損耗更為嚴(yán)重。
實(shí)用新型內(nèi)容為了解決上述問題，本實(shí)用新型提出一種新型光催化/光電催化水處理裝置，其能夠提高激發(fā)光的利用效率，減少能量損耗，由此改進(jìn)整個(gè)裝置的效率。根據(jù)本實(shí)用新型的第一個(gè)方面，提供一種光催化水處理裝置，包括容器，其用于容納待處理的水溶液；旋轉(zhuǎn)部件，其布置在所述容器的上方，并部分地位于所述水溶液的液面以下，所述旋轉(zhuǎn)部件具有供所述水溶液進(jìn)入的通道，所述通道的內(nèi)壁上涂覆有光催化劑；驅(qū)動部件，其驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)部件來旋轉(zhuǎn)；以及光源，其布置在所述旋轉(zhuǎn)部件的所述通道內(nèi)，并位于所述水溶液的液面以上，所述光源用于照射所述光催化劑。優(yōu)選地，所述旋轉(zhuǎn)部件是圓柱形轉(zhuǎn)筒，所述圓柱形轉(zhuǎn)筒的中心軸線平行于所述水溶液的液面。優(yōu)選地，所述光源設(shè)置在所述圓柱形轉(zhuǎn)筒的中心軸線上，有利于光源均勻地照射光催化劑。[0014]優(yōu)選地，所述旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)速度是可調(diào)節(jié)的，以便于操作者根據(jù)具體的應(yīng)用情況來調(diào)節(jié)所述旋轉(zhuǎn)速度。優(yōu)選地，所述光催化劑是半導(dǎo)體材料。更優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體材料是TiO2或ZnO。優(yōu)選地，所述旋轉(zhuǎn)部件的所述通道的內(nèi)壁上設(shè)有突起或凹部。更優(yōu)選地，所述突起是錐狀的突起，以便于增加光催化反應(yīng)的表面面積。優(yōu)選地，所述光源為VUV光源、UVA光源、UVB光源，UVC光源或可見光光源。根據(jù)本實(shí)用新型的第二個(gè)方面，提供一種光電催化水處理裝置，其特征在于，包括前述的光催化水處理裝置，其中，所述旋轉(zhuǎn)部件用作電極陽極；電極陰極,其浸入所述水溶液內(nèi)或浸入另一溶液中；以及恒電位儀，其連接在所述電極陽極和所述電極陰極之間。該光電催化水處理裝置通過將旋轉(zhuǎn)部件用作電極陽極，并在水溶液中引入電極陰極，并通過恒電位儀向旋轉(zhuǎn)部件施加正電勢，促使光催化反應(yīng)中產(chǎn)生的光生電子流向電極陰極，由此抑制光生電子和光生空穴的復(fù)合，從而提高了光催化反應(yīng)效率。本實(shí)用新型通過增強(qiáng)激發(fā)光的利用效率來改進(jìn)光催化/光電催化水處理裝置中的催化反應(yīng)效率，同時(shí)減少能量消耗。

本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)和操作方式以及進(jìn)一步的目的和優(yōu)點(diǎn)將通過
以下結(jié)合附圖的描述得到更好地理解，其中 圖1示出了根據(jù)本實(shí)用新型的第一個(gè)方面的光催化水處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；以及圖2示出了根據(jù)本實(shí)用新型的第二個(gè)方面的光電催化水處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)記說明100光催化水處理裝置10 容器20旋轉(zhuǎn)部件21 通道30驅(qū)動部件40 光源50水溶液51 液面60電極陰極70恒電位儀80 支架
具體實(shí)施方式
下面詳細(xì)討論實(shí)施例的實(shí)施和使用。然而，應(yīng)當(dāng)理解，所討論的具體實(shí)施例僅示范性地說明實(shí)施和使用本實(shí)用新型的特定方式，而非限制本實(shí)用新型的范圍。[0040]參見圖1，其示出了根據(jù)本實(shí)用新型的光催化水處理裝置100的結(jié)構(gòu)示意圖。光催化水處理裝置100包括容器10、旋轉(zhuǎn)部件20、驅(qū)動部件30以及光源40。容器10用于容納待處理的水溶液50，例如污水等。旋轉(zhuǎn)部件20布置在容器10的上方，并部分地位于水溶液50的液面51以下。該旋轉(zhuǎn)部件20具有供待處理的水溶液50進(jìn)入的通道21，通道21的內(nèi)壁上涂覆有光催化劑。該光催化劑是半導(dǎo)體材料，優(yōu)選地，該半導(dǎo)體材料是TiO2或ZnO。驅(qū)動部件30驅(qū)動旋轉(zhuǎn)部件20來旋轉(zhuǎn)，在本實(shí)施例中，驅(qū)動部件30為馬達(dá)。光源40布置在旋轉(zhuǎn)部件20的通道21內(nèi)，并位于水溶液50的液面51以上。該光源40可以例如是UV燈，用于照射通道21的內(nèi)壁上的光催化劑。在圖1所示的實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)部件20是一個(gè)圓柱形轉(zhuǎn)筒，其通過例如支架80等設(shè)置在容器的上方，例如馬達(dá)等驅(qū)動部件也可以安裝在該支架80上。圓柱形轉(zhuǎn)筒的中心軸線平行于水溶液50的液面51，部分地位于液面51以下。優(yōu)選地，旋轉(zhuǎn)部件20的旋轉(zhuǎn)速度是可調(diào)節(jié)的，以便于操作人員根據(jù)具體的應(yīng)用情形來進(jìn)行調(diào)整。更優(yōu)選地，光源40設(shè)置在圓柱形轉(zhuǎn)筒的中心軸線上，以便于均勻地照射圓柱形轉(zhuǎn)筒的內(nèi)壁上的光催化劑。此外，為了增加光催化反應(yīng)的表面面積，圓柱形轉(zhuǎn)筒的內(nèi)壁可設(shè)計(jì)成任何形狀，例如，圓柱形轉(zhuǎn)筒的內(nèi)壁上設(shè)有突起或凹部。優(yōu)選地，該突起是錐狀的突起。優(yōu)選地，該光源40為VUV光源、UVA光源、UVB光源，UVC光源或可見光光源。
·[0049]在根據(jù)本實(shí)用新型的光催化水處理裝置100中，通過馬達(dá)驅(qū)動圓柱形轉(zhuǎn)筒來旋轉(zhuǎn)，在圓柱形轉(zhuǎn)筒的內(nèi)壁上形成一個(gè)薄的溶液膜。光源布置在圓柱形轉(zhuǎn)筒內(nèi)、待處理的水溶液的上方，激發(fā)光可以直接到達(dá)圓柱形轉(zhuǎn)筒在水溶液的液面以上的部分的內(nèi)表面，來照射光催化劑，從而產(chǎn)生強(qiáng)氧化性物質(zhì)，降解水溶液中的污染物，同時(shí)溶液對激發(fā)光的吸收損耗顯著地減少。另一方面，由于光源軸向安裝在圓柱形轉(zhuǎn)筒內(nèi)，幾乎所有的光線照射在圓柱形轉(zhuǎn)筒內(nèi)并照射光催化劑，從而能夠?qū)⒄w激發(fā)光源的利用最大化。參見圖2，其示出了根據(jù)本實(shí)用新型的光電催化水處理裝置200，其中相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的部件或裝置。該光電催化水處理裝置200包括圖1中的光催化水處理裝置100、電極陰極60和恒電位儀70，其中，旋轉(zhuǎn)部件20用作電極陽極；恒電位儀70連接在電極陽極和電極陰極60之間。恒電位儀70向電極陽極施加一小的正電勢。更有利地，該恒電位儀70能夠隨著環(huán)境條件的變化能自動地調(diào)整電流，使旋轉(zhuǎn)部件50和電極陰極60之間的電位保持恒定。在根據(jù)本實(shí)用新型的光電催化水處理裝置200中，通過恒電位儀70在二氧化鈦電極陽極上施加小的正電勢，以迫使光催化反應(yīng)中產(chǎn)生的光生電子流向電極陰極，從而阻礙光生電子和空穴的結(jié)合，并增加空穴對水體中有機(jī)物的氧化能力。在常規(guī)的光催化/光電催化反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，無效的光能損耗限制了 TiO2光催化和光電催化氧化的實(shí)際應(yīng)用。當(dāng)固定的光催化劑或光陽極完全浸入溶液中時(shí)，激發(fā)光在到達(dá)光催化劑表面之前需要穿過樣品溶液或甚至穿過反應(yīng)器的外壁，由于吸收，導(dǎo)致了低處理效率，所以導(dǎo)致激發(fā)光能量的重大損耗。而根據(jù)本實(shí)用新型的光催化/光電催化水處理裝置則解決了這一難題。在本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)中，光源布置在圓柱形轉(zhuǎn)筒內(nèi)、待處理的水溶液的上方，激發(fā)光可以直接到達(dá)圓柱形轉(zhuǎn)筒的內(nèi)表面來照射光催化劑，從而生成強(qiáng)氧化性物質(zhì)，降解水中的污染物，光的吸收損耗顯著地減少。并且，幾乎所有的光在圓柱形轉(zhuǎn)筒內(nèi)照射光催化劑，所以，該設(shè)計(jì)能夠?qū)⒄w光源能量的利用最大化。本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)特點(diǎn)已揭示如上，然而可以理解，在本實(shí)用新型的創(chuàng)作思想下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對上述結(jié)構(gòu)和形狀作各種變化和改進(jìn)，包括這里單獨(dú)披露或要求保護(hù)的技術(shù)特征的組合，明顯地包括這些特征的其它組合。例如，旋轉(zhuǎn)部件還可以是圓柱形轉(zhuǎn)筒以外的任何形狀的任何部件。這些變形和/或組合均落入本實(shí)用新型所涉及的技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，并落入本實(shí)用新型權(quán)利要求的保護(hù)范圍。需要注意的是，按照慣例，權(quán)利要求中使用單個(gè)元件意在包括一個(gè)或多個(gè)這樣的元件。此外，不應(yīng)該將權(quán) 利要求書中的任何參考標(biāo)記構(gòu)造為限制本實(shí)用新型的范圍。
權(quán)利要求1.一種光催化水處理裝置(100)，其特征在于，包括 容器(10)，其用于容納待處理的水溶液(50)； 旋轉(zhuǎn)部件(20)，其布置在所述容器(10)的上方，并部分地位于所述水溶液(50)的液面(51)以下，所述旋轉(zhuǎn)部件(20)具有供所述水溶液進(jìn)入的通道(21)，所述通道(21)的內(nèi)壁上涂覆有光催化劑； 驅(qū)動部件(30)，其驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)部件(20)來旋轉(zhuǎn)；以及 光源(40)，其布置在所述旋轉(zhuǎn)部件(20)的所述通道(21)內(nèi)，并位于所述水溶液(50)的液面(51)以上，所述光源(40)用于照射所述光催化劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光催化水處理裝置(100)，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)部件(20)是圓柱形轉(zhuǎn)筒，所述圓柱形轉(zhuǎn)筒的中心軸線平行于所述水溶液(50)的液面(51)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光催化水處理裝置(100)，其特征在于，所述光源(40)設(shè)置在所述圓柱形轉(zhuǎn)筒的中心軸線上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的光催化水處理裝置(100)，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)部件(20)的旋轉(zhuǎn)速度是可調(diào)節(jié)的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的光催化水處理裝置(100)，其特征在于，所述光催化劑是半導(dǎo)體材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光催化水處理裝置(100)，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料是TiO2 或 ZnO。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的光催化水處理裝置(100)，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)部件(20)的所述通道(21)的內(nèi)壁上設(shè)有突起或凹部。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光催化水處理裝置(100)，其特征在于，所述突起是錐狀的突起。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的光催化水處理裝置(100)，其特征在于，所述光源(40)為VUV光源、UVA光源、UVB光源，UVC光源或可見光光源。
10.一種光電催化水處理裝置(200)，其特征在于，包括 根據(jù)權(quán)利要求1到9中任一項(xiàng)所述的光催化水處理裝置(100)，其中，所述旋轉(zhuǎn)部件(20)用作電極陽極； 電極陰極(60)，其浸入所述水溶液(50)內(nèi)或浸入另一溶液內(nèi)；以及 恒電位儀(70)，其連接在所述電極陽極和所述電極陰極之間。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種光催化水處理裝置，包括容器，其用于容納待處理的水溶液；旋轉(zhuǎn)部件，其布置在容器的上方，并部分地位于水溶液的液面以下，旋轉(zhuǎn)部件具有供水溶液進(jìn)入的通道，通道的內(nèi)壁上涂覆有光催化劑；驅(qū)動部件，其驅(qū)動旋轉(zhuǎn)部件來旋轉(zhuǎn)；以及光源，其布置在旋轉(zhuǎn)部件的通道內(nèi)，并位于水溶液的液面以上，光源用于照射光催化劑。本實(shí)用新型還提供一種光電催化水處理裝置，包括光催化水處理裝置，其中旋轉(zhuǎn)部件用作電極陽極；電極陰極，其浸入水溶液內(nèi)或浸入另一溶液內(nèi)；以及恒電位儀，其連接在電極陽極和電極陰極之間。本實(shí)用新型通過增強(qiáng)激發(fā)光的利用效率來改進(jìn)光催化/光電催化反應(yīng)效率，同時(shí)減少能量消耗。
文檔編號C02F1/30GK202898070SQ20122047023
公開日2013年4月24日 申請日期2012年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月11日
發(fā)明者肖衛(wèi)民, D·P·凱利, 陳偉忠, 薛飛 申請人:飛利浦(中國)投資有限公司