臭氧/光催化协同高效灭菌装置的开发

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臭氧/光催化协同高效灭菌装置的开发

一、项目摘要

本研究以臭氧/光催化协同作用机理为基础,致力于建立一套以光催化氧化与臭氧协同作用为基本原理的高效、高速灭菌系统,该系统可以在停留时间较小的情况下,有效地杀死微生物。同时,对光催化与臭氧的协同作用机制进行深入研究,建立系统的动力学方程,从而为该系统大规模应用奠定基础。

二、项目可行性

项目的意义和必要性:

随着工业的发展,人类生活和生产中产生了大量的污染水,早已超过了自然的净化能力,这些物质在自然中腐败变质,细菌病毒快速繁殖,成为疾病传染的源头。

生活和部分工业污水、医院废水中含有大量的病毒、细菌,人类直接作为饮用水源的各大淡水体系均有微生物的存在,威胁着人类的生存,灭菌消毒技术是人们生活所必需。近年来,在饱尝了环境污染的苦果后,人类又在环境保护和治理污染、在杀菌消毒技术等方面做出了巨大努力并取得成功。传统的灭菌技术为氯消毒,由于液氯消毒技术成熟、效果可靠、价格便宜,因此液氯消毒是我国应用最广泛、使用历史最悠久的一种杀菌方法。然而,由于氯消毒技术不仅有“三致”副产物产生,而且液氯的储存、运输、应用都具有相当的危险性,因此其适用范围受到限制。

针对中小型水环境,例如游泳馆和小区的供水、冷却水和处理后的工业水、船舶等的备用水和压舱水等,需要一种高效、高速、不使用化学试剂的灭菌系统,目前的紫外光灭菌或者臭氧灭菌方法都有灭菌效率不高、处理时间较长和设备体积庞大、成本较高等问题。

由于臭氧的强氧化性,甚至在一定浓度下与细菌、病毒等微生物产生生化氧化反应,破坏其细胞器和核糖核酸,分解DNA和RNA等大分子物质,使微生物溶解死亡。臭氧虽然是迄今为止人们知道的最有效的化学消毒剂,但由于整个工艺运行费用很高,因而受到一定限制。

光催化技术是近年来迅速发展起来的,多用于去除水中污染物质,对微生物也有很强的杀灭作用。该法的特点是在常压常温下完成,氧化彻底,反应完全,有广阔的市场前景。

研究表明,在光催化系统的辅助下,臭氧的灭菌效率迅速提高,因此将二者联用可以在较少的臭氧投加量的情况下达到高效、高速灭菌的效果,将其实用化可以有很大的经济效益和社会效益。

国内外现状和技术发展趋势:

国外早在上世纪后期开始研究紫外光灭菌技术,臭氧灭菌技术,九十年代开始了光催化去除有机物的研究,2002年后已经有光催化技术运用于污水灭菌治理中,但只有 Benrad 等几个公司有成套设备上市。我国在该领域起步比较晚,光催化技术更仅仅局限于学术研究领域,尚无成套设备应用于实践。

据统计,直到2015年,紫外线消毒技术在美国污水处理中的应用已达15%,并呈逐年上升趋势。国际上一些对细菌排放有严格要求的地区,大多采用了紫外线消毒。我国上海闵行区污水处理厂建于1980年,加氯间及加氯接触池,由于运行费用和安全方面的原因,改成紫外消毒。其细菌平均杀灭率达到99.8 %,但由于存在细菌复合等原因,消毒效果与国外还有一定差距。臭氧消毒出现于上世纪初,是目前已知的化学消毒剂中最为有效的一种,对各种微生物都有良好的去处效果。如在室温条件下,CT值为3和8mg×min/L时就可以对水中的隐孢子分别达到2倍到3倍的对数去除率,采用臭氧消毒工艺造价是比较高的。到80年代初,世界上已有1000多家水厂使用臭氧及其联合工艺,尤其在欧洲使用广泛,我国北京田村山水厂、大庆油田等都使用了臭氧处理工艺。但我国臭氧发生器单机容量小,臭氧产生量少,不能满足市场的需要。

我国已有一些学者在进行O3/UV工艺的研究,包括处理电镀含氰废水,石油废水,乙酸,硝基苯等等均取得了很好的效果。马娟等人对黄河水兰州段进行了O3/UV灭大肠杆菌的研究,灭菌时间为10min时,灭菌率99.9%,效果好于单独臭氧或紫外技术,而且该工艺比单独臭氧工艺更节省点好,投资小,更为经济。TiO2光催化对水体中的藻类同样具有灭活作用,而且对藻类所释放出的毒素有降解作用,这是其他任何一种灭菌方式不具有的功能。O3与光催化联合技术充分利用了臭氧与紫外的联合灭菌作用,并利用紫外线在TiO2光催化剂存在下可以产生更高活性的基团,可以将细菌的细胞壁氧化溶解,还可以将细胞内核酸等物质氧化破坏导致细菌的死亡。至今为止,我国尚未出现关于臭氧与光催化联合技术用于灭菌的报道。

项目的主要技术特点:

(1)广阔的应用范围:该技术在应用时无需添加化学试剂,微量臭氧对材料设备基本无腐蚀作用,因而不受外界条件的限制。高效、高速可以使设备小型化、自动化,全封闭式运行。可以用于生活小区、工厂、服务行业以及船舶、火车等特殊环境;

(2)无二次污染或有害副产物:该技术不产生任何有毒有害物质,对环境无副作用。少量多余臭氧会在半个小时内自动分解为氧气,对人身体健康不造成危害;

(3)设备安装方便,操作简单:设备研制成功后,所占空间体积小,无须专人维护,有控制系统系统可以方便进行远程操作;

(4)高速、高效,小型化:系统定位于水力停留时间2 ~3 s之间,处理速度极快,这是现在大部分灭菌设备所不能替代的。

创新点:

(1)提出并建立光催化辅助臭氧灭菌系统,利用光催化与臭氧的协同作用原理,实现高效、高速灭菌;

(2)专用于灭菌处理的高效耐冲击催化剂的制备工艺。

关键技术内容:

本研究的关键技术在于利用光催化与臭氧的协同作用原理,即利用紫外光和光催化产生的羟基自由基辅助杀灭对光敏感和生命力顽强的微生物,同时利用臭氧捕获催化剂表面电子,促使羟自由基的生成效率大幅提高。二者共同作用,在较少的投入下得到最佳的灭菌效果。

获得专用于灭菌处理的高效耐冲击催化剂也是本研究的关键技术内容。该催化剂不仅有比较大的比表面积,同时具有与机体结合紧密、牢固、耐水力冲击等特点。

项目实施的技术、工艺路线:

臭氧/光催化协同高效灭菌装置的开发

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目前评论:2   其中:访客  1   博主  1

    • avatar 878307578 1

      好项目

        • avatar kejishidai Admin

          @878307578 感谢您的支持