净化水质用光催化网论文和设计-韩墨菲

全文摘要

本实用新型涉及水质净化材料，特别是指净化水质用光催化网。净化水质用光催化网由以金属铝或铝合金为材质的网板，均布于网板表面的氧化膜层，附着于氧化膜层外表面的光催化剂镀层组成。本实用新型解决了现有技术中光催化层稳定性差、制作成本高等技术问题。具有光催化性能及机械强度好、镀膜附着牢固、制作成本低等优点。

主设计要求

1.净化水质用光催化网，其特征在于由以金属铝或铝合金为材质的网板(1)，均布于网板(1)表面的氧化膜层(2)，附着于氧化膜层(2)外表面的光催化剂镀层(3)组成。

设计方案

2.根据权利要求1所述的净化水质用光催化网，其特征在于光催化剂镀层选用TiO_{2<\/sub>、Ti_{2<\/sub>O_{3<\/sub>或Ti_{3<\/sub>O_{5<\/sub>中的一种或其结合。}}}}}

3.根据权利要求1所述的净化水质用光催化网，其特征在于网板(1)中的网格选用正方形、菱形或正多边形中的一种且在网板上均布。

4.根据权利要求1所述的净化水质用光催化网，其特征在于氧化膜层(2)的厚度为10-50微米。

5.根据权利要求1所述的净化水质用光催化网，其特征在于光催化剂镀层(3)厚度为10nm-1000nm。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及水质净化材料，特别是指净化水质用光催化网。

背景技术

自2015年国家《水污染防治行动计划》(以下简称《水十条》)颁布后水环境治理逐渐受到更多的重视，其中尤其是黑臭水体治理方面依然面临严峻的局势。根据2017年调查显示，全国地表水国控断面中仍有8.3％为劣V类。根据《水十条》的要求，到2030年，全国七大重点流域水质优良比例总体达到75％以上，城市建成区黑臭水体总体得到消除，城市集中式饮用水水源水质达到或优于Ⅲ类比例总体为95％左右。

目前水体治理的方式主要有物理法、化学法及生物法。具体治理手段包括但不限于药剂治理、人工增氧、菌剂投加、生态修复等。其中药剂治理引入了二次污染，不利于环境修复；人工增氧的手段通常能耗较高，且多数河道所处的区域电力连接不便，采用太阳能等能源的曝气方式又无法满足增氧需求；菌剂投加成本较高；生态修复虽然成本较低，但通常所需时间较长，需要人工维护且生物容易受到环境及温度的影响，尤其在冬季会面临治理效率降低的问题。根据许多发达国家的经验表明，水环境从治理到改善需要30年左右的持续治理(德国莱茵河30年，日本琵琶湖35年)。因此水环境的改善不仅需要治理，更需要维护，光催化技术是一种很好的治理和维护手段。

光催化技术近年来在学术界及工程界都越来越受到人们的关注，在研究报道中出现了种类繁多的光催化材料，有些虽具备良好的催化效果，但是因为材料成本及制作工艺等因素大多数尚处于实验阶段。光催化技术主要是利用光能来产生催化作用，使周围的氧气及水分子激发成极具氧化力的自由基，光催化几乎可分解所有对人体和环境有害的有机物质及部分无机物质，最终产物是二氧化碳和水等无害物质，不造成资源浪费与附加污染形成。光催化剂具有安全性和持久性的特征，由于其本身并不参与化学反应，因此它的作用效果相对持久。在实际应用中光催化技术通常有两种应用方向：一是应用于空气净化领域，比如进行气体中VOCs等有害物质的去除；二是应用在水质净化领域，比如进行水中有机物的降解等。在水处理中的应用由于其稳定性和催化剂流失的问题大多尚处于研发阶段。光催化氧化技术应用在处理黑臭水体有以下优势：1、系统无动力装置，运行费用低；2、施工及维护简便；3、可短时间快速布置于大面积水域；4、系统启动速度快，7-15天能使水质发生明显变化；5、耐污、耐候性强，使用寿命长，不受季节变化的影响。根据现有文献报道，光催化技术优劣的评价应当从以下方面进行：催化性效率、材料成本、稳定性、机械强度等。

目前应用在水处理中的光催化网一是采用以聚丙烯材料为基材、采用多层镀膜法制作，具有材料便宜易得的优点，缺点是机械强度较差，由于材质较轻安装时需要浮球和固定杆，且多层镀膜法容易造成材质之间的不稳定甚至脱落，对环境产生二次污染。二是采取混合法制作的以聚丙烯材料为基材的光催化网，相比负载法而言镀膜层不易脱落，缺点是光催化剂的利用率不高，混合在基材内部的光催化剂无法发挥作用，造成一定的浪费。

申请人所检索的专利文献包括：

1、申请号为201510685734.2发明专利申请中公布了一种光催化网及其制造方法，其优点在于采用轻质金属网，机械强度比较高，采用粘合剂将光催化涂层附着在金属网上。然而涂覆的方式很难负载均匀，会影响效率，且容易受到环境的影响，因此不适合用于水质净化。另外，通过粘合剂来附着容易使涂层较厚，造成脱落，因此不适合进行大规模生产。

2、申请号为201610844919.8发明专利申请中公布了一种钛基掺杂型二氧化钛光催化网及其制造方法。其优点在于钛基网强度高，微弧氧化技术可以很好的保证光催化网本身不被腐蚀。然而缺点是加工过程复杂，且钛基网成本较高，不利于扩大化生产。

3、申请号为201710509152.8发明专利申请中公布一种以活性炭纤维为载体的TiO_{2<\/sub>纳米棒光催化网的制备方法。其优点在于采用市售活性炭纤维布，成本较低。溶胶凝胶法在碳纤维表面生成TiO_{2<\/sub>薄膜，负载较均匀。缺点为活性炭纤维高温焙烧后易变脆，延展性变差，采用溶胶凝胶法做成的薄膜由于溶剂蒸发残余应力导致薄膜容易龟裂，牢固性差，在水中易溶脱落，因此不适合应用于水体中，易产生二次污染。}}

4、申请号为200510026592.5发明专利申请中公布了一种泡沫金属负载TiO_{2<\/sub>纳米光催化网的制备方法。其优点在于采用溶胶浸渍法对泡沫金属进行TiO_{2<\/sub>纳米光催化材料的负载，稳定性较好。缺点为制作工艺复杂，需要进行高温煅烧，能耗及成本较高，溶胶法制作的光催化网厚度较厚，产生一定程度的浪费。}}

综上所述，开发一种高效节能、稳定性强、成本低廉、可批量化工业生产的光催化网不仅是制约水处理技术发展的技术瓶颈之一，同时也是市场的迫切需求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种净化水质用光催化网，采用本实用新型的光催化网稳定性好、制作成本低、负载均匀，光催化活性明显提高。

本实用新型的整体技术构思是：

净化水质用光催化网，由以金属铝或铝合金为材质的网板，均布于网板表面的氧化膜层，附着于氧化膜层外表面的光催化剂镀层组成。

本实用新型的具体结构还有：

为便于网板的制作及使用，本实用新型中网板的网格可以采用菱形、正方形、正多边形等多种形状并实现在网板中的均布，因其属于现有技术，申请人在此对其结构不再赘述。

为便于对于网板起到较好的保护作用以及光催化效果，同时便于制作，优选的技术方案是，氧化膜层的厚度为10-50微米。光催化剂镀层厚度为10nm-1000nm。

本实用新型可以采用包括如下工艺步骤的制作方法制备：

A、网板的预处理

将铝质或铝合金材质的网板表面油污及附着物去除干净；

B、氧化处理

采用阳极氧化法或微弧氧化法在步骤A中去除油污的网板表面制成厚度为10-50微米的氧化膜；

C、基材的表面清洁；

D、采取真空蒸镀的方法对基材进行光催化剂负载

将镀膜材料用偶联剂调和成乳状体，镀膜材料选用TiO_{2<\/sub>、Ti_{2<\/sub>O_{3<\/sub>或Ti_{3<\/sub>O_{5<\/sub>中的一种或其结合，偶联剂选用钛酸酯偶联剂或硅烷偶联剂，偶联剂与镀膜材料质量比＝1-3:1；将镀膜室抽真空至压强为0.01Pa，电加热乳状体至其蒸发，反应不超过2分钟在基材表面形成厚度为10nm-1000nm的薄膜；}}}}}

E、退火处理。

本实用新型所取得的技术进步在于：

本实用新型中的光催化网以铝质或铝合金材质的网板为基材，以氧化铝为过渡中间层，负载钛的氧化物作为光催化材料，一是制作成本低且具有较好的机械强度，易于安装、维护及运输；二是氧化膜具有较好的耐腐蚀性和耐磨性，且氧化膜粗糙的质地可以增加金属铝的比表面积，使得催化剂的负载更加的均匀和牢固，使光催化稳定性增强。同时使镀膜层比较均匀且膜层较薄，节约原料；三是负载的钛的氧化物最后呈现主要为锐钛矿型，明显提高了光催化活性，具有良好的光催化性能，可应用于水体中有机物降解和生态维护。

附图说明

图1是本实用新型中光催化网的外形图。

图2是图1的A部局部放大图。

图3是图2的B-B向视图。

附图中的附图标记如下：

1、网板；2、氧化层；3、真空镀膜层。

具体实施方式

以下结合实施例对本实用新型做进一步描述，但不应理解为对本实用新型的限定，本实用新型的保护范围以权利要求记载的内容为准，任何依据说明书所做出的等效技术手段替换，均不脱离本实用新型的保护范围。

净化水质用光催化网，由以金属铝或铝合金为材质的网板1，均布于网板1表面的氧化膜层2，附着于氧化膜层2外表面的光催化剂镀层3组成。其中的网格采用正方形且均布于网板1上。氧化膜层2的厚度为10-50微米。光催化剂镀层3厚度为10nm-1000nm。

为验证本实用新型的技术效果，申请人针对现有市售的光催化网及实施例的光催化网进行了如下试验：

1、实验时间：2018年8月-12月；

2、实验对象：本地环城水系中的河水和底泥；

3、实验条件：按照河道中水和泥的深度比例(约为20:1)还原到两组完全相同的实验装置中，装置体积约为50L。采取全光谱灯作为模拟太阳光，每日照射时间为10小时左右，实验温度为20℃-22℃。实验方法为对照实验，六种光催化网布设的水体表面积比例完全相同，均为50％。实验装置均连接了蠕动泵作为循环(流量为1.3L\/h)，以模拟河水的低速流动。

4、实验结果：根据小试实验结果，相比较于市售的普通光催化网，采用本实施例的光催化网在COD和氨氮的去除率和所用的时间都具有一定的优势(见表1)。本实用新型所述光催化网对有机污染物的7日去除率可达到77.6％，相对市售普通光催化网的COD去除率为33.3％；而本实施例的光催化网在14日后对COD的去除率高达81.0％，相比较市售光催化网的44.4％有很大的提高。实施例的光催化网对氨氮的去除速度也比市售光催化网要快，7日的氨氮去除率为65.3％，相比较市售催化网的51.4％有一定的优势，尽管在14日后的氨氮去除率两者相差不大(72.9％和77.1％)。由于实验室小试装置较浅，实验过程中本实施例与市售产品装置的溶解氧浓度均在6mg\/L以上，因此不具备可比性，在此不予讨论。根据实验的结果，两组光催化网装置中的主要考察指标在实验进行三周后均可达到或优于Ⅲ类《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，即COD浓度＜20mg\/L，氨氮浓度＜1.0mg\/L，因此可认定为水质优良。

表1市售光催化网与本实施例光催化网的实验结果对比

根据上述实验结果，可得出结论：本实施例的光催化网与市售光催化网在实验进行三周之后主要考察指标均可达到国家地表水环境质量Ⅲ类标准，但是本实施例的光催化网相比较市售光催化网在污染物去除效率上具备一定的优势。可缩短处理时间约50％，且稳定性较好，机械强度较高，安装便利，过程中并未观察到镀膜脱落的情况。

设计图

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