（机械电子工程专业论文）动态循环污水光催化处理装置的研制.pdf

武汉理t 人学硕士学位论文 摘要 随着水污染环境的日益严峻，传统的污水处理方法已不满足污水处理后水 质的要求。光催化氧化技术因其具有处理效果好、成本低以及不产生二次污染 等特点在污水处理领域中迅速发展起来，而光催化氧化污水处理技术的关键问 题之一是污水光催化处理装置的设计与开发。 本文利用机械设计领域的相关理论与方法，对污水光催化处理装置的结构 进行了创新设计，阐述了装置中齿轮传动系统、插槽框部件、双重冷却系统、 筛板式气液混合系统、光源系统等部分的结构设计特点及作用，重点探讨了该 装置载体的安装方式以及电动机功率。以p r 0 e n g i n e e r 软件作为设计平台， 完成了该装置的虚拟设计，论述了虚拟设计的方法与步骤。利用软件的干涉检 测与运动仿真功能，对该装置的零部件进行了静、动态的干涉检测，并对运动 轴进行了转速和加速度的运动仿真，从干涉检测及运动仿真的结果表明：装置 的结构及传动系统的设计符合设计的要求。 同时，本文对该装置的循环控制系统进行了设计与研究，利用a t 8 9 c 5 1 单 片机设计出了一种水位稳定及温度超限报警的控制系统装置，完成了该系统的 硬件选型、各硬件之间连接的原理图、实现各硬件工作的程序流程图以及部分 的控制程序。 最后，本文利用制造出的样机，以含有机氯类杀虫剂的地下水为对象，进 行了污水处理实验。实验结果表明：光催化剂的用量、曝气量、电动机的转速、 进水流量的大小以及水流状态等对污水处理的效果均会产生不同程度的影响， 并且曝气量、电动机的转速以及进水流量在每一次实验中都存在一个最佳值。 研究结果表明：研制出的动态循环污水光催化处理装置可以通过调整光催 化剂的用量、曝气量、电动机的转速以及进水流量的大小使污水处理的效果达 到最佳状态，该装置的研制具有一定的实际应用价值。 关键词：光催化，动态循环，虚拟设计，单片机，污水处理 武汉理t 大学硕七学位论文 a b s t r a c t w i t ht h es e r i o u sw a t e rp o l l u t i o nt oo u re n v i r o n m e n ti n c r e a s i n g l y , t h et r a d i t i o n a l m e t h o do fs e w a g ed i s p o s a lh a sa l r e a d yn o tm e tt h er e q u i r e m e n t so fw a t e rq u a l i t y p h o t o c a t a l y t i co x i d a t i o nt e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e dr a p i d l yi nt h es e w a g ed i s p o s a l b e c a u s eo fi t sg o o de f f e c t ，l o wc o s ta n dn os e c o n d a r yp o l l u t i o n t h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n to fp h o t o c a t a l y t i cr e a c t o ra r eo n e o ft h ek e yp r o b l e m so np h o t o c a t a l y t i c t e c h n o l o g yu s e di ns e w a g ed i s p o s a l i nt h i sp a p e r , ai n n o v a t i v ed e s i g no fs e w a g ep h o t o c a t a l y t i cr e a c t o rw a sm a d e b a s e do nt h em e c h a n i c a ld e s i g nt h e o r i e sa n dm e t h o d s t h ed e s i g nf e a t u r e so ft h e s t r u c t u r ea n df u n c t i o na b o u tt h eg e a rt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t h es l o tf r a m e ，t h ed u a l c o o l i n gs y s t e m ，t h es i e v e t y p eg a s - l i q u i dm i x i n gs y s t e m ，l i g h t i n gs y s t e me t ci nt h i s d e v i c ew e r ei n t r o d u c e d a n dt h ei n s t a l l a t i o no ft h ec a r r i e ri nt h ed e v i c ea n di t sm o t o r p o w e rw e r ee s p e c i a l l yd i s c u s s e d av i r t u a lp r o t o t y p eo ft h ed e v i c ew a sd e s i g n e dw i t h p r o e n g i n e e rs o f t w a r eu s e da sad e s i g np l a t f o r m ，t h em e t h o da n dp r o c e d u r eo ft h e v i r t u a ld e s i g nw a sa l s or e p o r t e d n o to n l yt h es t a t i ca n dd y n a m i ci n t e r f e r e n c e d e t e c t i o no ft h ee l e m e n t si nt h ed e v i c e ，b u ta l s ot h es p e e da n da c c e l e r a t i o nm o t i o n s i m u l a t i o no fa x e sw e r ed o n eb yu s i n gt h ef u n c t i o no ft h es o f t w a r e si n t e r f e r e n c e d e t e c t i o na n dm o t i o ns i m u l a t i o n t h er e s u l tf r o mt h ei n t e r f e r e n c ed e t e c t i o na n d m o t i o ns i m u l a t i o ns h o w e dt h a t ：t h ed e s i g no ft h ed e v i c es t r u c t u r ea n dd r i v es y s t e m w e r ei nc o n f o r m i t yw i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s i nt h i sr e s e a r c h ，ac o n t r o ls y s t e mt h a te m p l o y e dam i e r o c h i pa t 8 9 c 5 1w a s d e s i g n e da n dm a d et om a k ea l a r mw h e n e v e rt h ew a t e rf l o wr e a c h e d t oas t a b l es t a t e o ri t st e m p e r a t u r ew a sb e y o n dal i m i t f u r t h e r m o r e , t h eh a r d w a r es e l e c t i o n s ，t h e h a r d w a r ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h es c h e m a t i cd i a g r a m sw e r ec o m p l e t e d ，a n dt h ef l o w c h a r to ft h eo p e r a t i o np r o g r a m sb e t w e e nt h eh a r d w a r ea n dp a r t i a lc o n t r o lp r o c e d u r e s w e r ea l s or e a l i z e d f i n a l l y , t h es e w a g ed i s p o s a le x p e r i m e n t si nw h i c hu n d e r g r o u n dw a t e rc o n t a i n i n g o r g a n i cc h l o r i n ep e s t i c i d eh a d b e e nt a k e na st h ee x p e r i m e n t a ls a m p l ew e r ec o n d u c t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e d ：t h es e w a g ed i s p o s a le f f e c tw a sa f f e c t e di nv a r y i n g d e g r e eb yt h ea m o u n to fp h o t o c a t a l y s t ，a i rf l o wr a t e ，m o t o rs p e e d ，t h ea m o u n to f i i 武汉理工火学硕七学位论文 w a t e rf l o w i n g - i na n dw a t e rf l o w i n gc o n d i t i o n ，a n di tw a sf o u n dt h a tt h ea i rf l o wr a t e ， t h em o t o r s p e e da n dw a t e rf l o wa l lh a dab e s tv a l u er e s p e c t i v e l yi ne a c he x p e r i m e n t t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t ：t h ed y n a m i cr e c y c l i n gs e w a g ep h o t o c a t a l y t i c r e a c t o ri sa b l et oa c h i e v et h eb e s tc o n d i t i o nt h r o u g ht h ea d j u s t m e n to fp h o t o c a t a l y s t a m o u n tu s e d ，t h ea e r a t i o nq u a n t i t y , e l e c t r i cm o t o r sr o t a t i o n a ls p e e da sw e l la st h e w a t e rf l o w t h er e s e a r c ha n dd e s i g no np h o t o c a t a l y t i cr e a c t o ra r eo fs i g n i f i c a n c ei n p r a c t i c a lu s e k e y w o r d s ：p h o t o c a t a l y s i s ，d y n a m i cr e c y c l i n g ，v i r t u a ld e s i g n ，m i c r o c h i p ，s w a g e d i s p o s a l 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 w 占2 厂 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 警小篙二熊、新( ：叶考日期m 。谚 ( 注：此页内容装订在论文扉页) 1 武汉理丁人学硕七学位论文 1 1 课题的提出 1 1 1 课题的研究来源 第1 章引言 论文课题来源于湖北省省级环保科技项目“细菌矿化纳米针铁矿治理地下 水污染研究”( 项目编号：鄂财建发 2 0 0 7 1 8 6 号) 。 1 1 2 课题的研究背景 我国是一个水资源十分短缺的国家，当前水资源的短缺问题已经成为了一 个阻碍我国经济发展的主要因素。随着我国工、农业的飞速发展和人口的急剧 增长，大量的工农业和生活废弃物向外随意排放，严重地污染了水资源。 根据最新的地下水环境污染调查，在农业灌溉区，有机氯类杀虫剂在浅层 地下水中含量较高，地下水出现了轻度的污染，有些地区甚至达到了检出限的 数十倍n 吲。农业大省湖北省的情况也不乐观，依据地下水质量标准 g b t 1 4 8 4 8 9 3 ，湖北省荆州市水文资源勘测局通过综合和单项组分评价，荆州 市平原湖区地下水质量处于相对较差的水平。地下水三氮的污染比较严重，氨 氮普遍是类，甚至达到v 类，比如仙桃市的副河( 4 0 4m g l ) ，石首市的供销 纺织厂( 1 2 4m g l ) ，监利县的朱河( 2 0 2 m g l ) ，沙市的沙隆达亚硝酸盐氮最 高已经达到0 4 2 6 m g l 。另外一些工厂排放的废水以及固体垃圾填埋场中的一些 滤液含有大量的重金属离子，也严重的污染了地下水。根据几个监测点的监测 情况发现：地下水锰含量普遍为类，比如荆州市的纪南( o 3 6 9 m g l ) 、荆州市 的马山( 0 2 6 0 m g l ) 等。地下水的砷含量也比较高，比如江陵的沙岗( 0 1 4 2 r a g l ) 、监利县的朱河( 0 1 9 8m g l ) 、石首市供销纺织厂( 0 2 0 7m g l ) 都达到 v 类副。 地下水重金属离子的污染严重威胁了人类健康，在中国乃至世界的范围内， 由地下水重金属离子污染引起的疾病相当普遍。比如2 0 世纪3 0 - - 4 0 年代在工 业化比较发达的国家出现了因镉中毒而引起的骨痛病；2 0 世纪5 0 年代中期在日 本出现了严重的汞中毒而引起的水俣病；2 0 0 0 年中通社报道了广东省的某矿业 武汉理i ：人学硕士学位论文 公司向外排放的含有铅、锰、镉等数种严重超标重金属离子的污水，受污染区 中皮肤病、肝病和癌症成为了高发病症。湖北省恩施洲鱼塘坝土壤中硒s e 的含 量超过了o 5 0 m g k g ，是世界上唯一发生过人群集体硒中毒流行的地区h 1 。因此， 对于地下水重金属离子和有机物的污染处理研究一直以来都备受国内外学者的 关注，并且也取得了一定的研究成果。 目前，尽管已经有大量的污水处理设备应用于水污染的处理，并且也取得 了一定的处理效果，但是随着污水量的增大和难降解的有机物种类的增多，传 统的污水处理方法和设备已经暴露出处理污水的局限性。常用的化学氧化法、 生物化学处理法以及物理化学法等方法在处理污水上存在着很大的局限性，处 理成本高、处理效果不佳，达不到生活饮用水标准或者工农业污水向外排放的 标准喳剖。因此，超声波技术、超临界水氧化法、光催化氧化法、湿式氧化法以 及催化湿式氧化法等利用高级氧化技术处理工农业污水的方法越来越受到了研 究者的高度重视。 光催化氧化法是处理工农业污水的一项新兴技术，其理论基础是半导体材 料的能带理论。半导体材料比如t i 0 2 、s n 0 2 以及z n o 等具有能带结构，这些材 料的粒子通常是由空的高能导带以及填满电子的低能价带构成，粒子的导带和 价带之间存在着禁带。当能量大于半导体禁带宽度的光照射在半导体上时，就 会产生具有强氧化性的空穴以及强还原性的电子。这些空穴和电子形成了很多 的空穴一电子对，与半导体表面上的水分子发生氧化还原反应，进而产生了具有 强氧化性的羟基自由基o h ，利用这些羟基自由基可以很好地氧化分解污水中 存在的一些难降解的有机物口刮。 光催化氧化法用于降解污水中难降解的有机物的时候，具有以下几个显著 的特点睁1 0 1 ：( 1 ) 可以利用太阳光，并且可以在常温常压下进行降解反应，因此其 运行成本较低。( 2 ) 光催化氧化几乎可以氧化降解污水中所有的有机物，降解比 较彻底且速度比较快，同时可以对污水进行杀菌处理。( 3 ) 光催化降解有机物中 没有加入其它的化学反应试剂，因此在对污水进行降解的过程中基本上不会产 生对人类身体健康有害的一些附加产物。( 4 ) 光催化处理装置的结构不复杂，便 于进行工业放大，从而到达大规模污水处理的目的。( 5 ) 光催化氧化处理污水的 操作过程容易控制。 综上所述，光催化氧化技术以其自身特点逐渐成为相关研究者关注的新焦 点，处于实验阶段的污水光催化处理装置也以工业雏形的姿态不断展示出来。 决定其处理的效果主要有两个方面的因素光催化剂和污水光催化处理装 2 武汉理工人学硕士学位论文 置。选用化学稳定性强、催化活性好、无污染以及耐腐蚀优良的光催化剂用于 光催化技术研究，成为研制污水光催化处理装置的核心部分，而光催化剂、光 源系统以及光催化处理装置的构型便组成了污水光催化处理装置。设计污水光 催化处理装置时，不仅要从传统流体力学与反应工程角度考虑，还要考虑装置 的几何形状及尺寸、光源的选择、水溶液对光的吸收、光的透过深度以及灯源 的安装与光的分布等问题。自从利用光催化处理装置在紫外光照射下，发生光 催化氧化反应降解难降解有机化合物以来，许多研究者投入到此类高级光催化 氧化技术的研究中，但大规模工业化应用极少，最主要的问题就在于缺少合适 高效的污水光催化处理装置，由于污水光催化处理装置研究的滞后，大大限制 了其在水处理方面的工业化应用。 本文就是在这一研究背景下，结合湖北省资源和区域环境地球化学的特点， 研制能够高效处理地下水的污水光催化处理装置。研制新型的污水光催化处理 装置将有利于污水光催化处理技术尽快走出实验室，尽快实现工业放大。课题 的研究成果对于保护环镜、维持生态平衡、利用光催化氧化技术处理受到难降 解有害有机物污染的地下水，并保持人类健康、节约社会资源实现社会经济的 可持续发展具有十分重要的现实意义1 。 1 2 国内外相关研究动态 目前，研制利用光催化氧化技术处理污水的装置核心在于污水光催化处理 装置的结构设计。光催化处理装置结构的合理设计直接影响了光催化氧化技术 在污水处理方面工业化进展，因此研制结构简单、操作方便、光及光催化剂利 用率高的污水光催化处理装置是当前国内外相关领域的研究重点。 1 2 1 国外利用光催化氧化技术处理污水装置的研究动态 2 0 世纪8 0 年代，美国已经开始利用光催化处理装置来处理受到一些有机物 污染的地表水，并取得了较好的处理效果n2 1 。美国密歇根大学利用固定床污水 光催化处理装置，在室外利用太阳光处理受污染的水，规模大成本低n 3 1 。2 0 世 纪9 0 年代初，日本开始利用l s e p r e 来处理受到一些重金属离子c ，、z n ”、 p b 2 + 污染的水，并广泛用于食品行业n 羽。马德里已经建造出欧洲第一座工业化污 水光催化处理工程u 1 5 1 。 武汉理丁大学硕十学何论文 m a l c o l me f a b i y i ，r o b e r t l s k e l t o n 等设计发明了脉冲挡板管式光催化污水 处理装置，其最大的特点是可以自动调节反应物在反应容器中的停留时间，并 对此进行了一系列的动力学研究，得出了一些很有价值的设计参数n 副。j e f f r e y g 设计发明了漩涡式污水光催化处理装置，其最大的特点是可以自动调节光照射 反应物的周期u 引。aj a yk r a y 等设计了一种多重中空管污水光催化处理装置， 其最大的优点是增加了污水与光催化剂膜的接触面积，但其缺点是光照不均n 引。 al e x a n d r ev v o r o n t s o v 等设计发明了盘管式污水光催化处理装置，其最大的特 点是光能够照射到光催化剂的两面，增大了光照射的的面积，提高了光催化的 效率1 9 1 。 目前，美国、加拿大等国家已开始把纳米材料的光催剂用在污水光催化处 理装置中，在进行污水处理时初见效果，并逐渐把该装置推向市场n 副。 1 2 2 国内利用光催化氧化技术处理污水装置的研究动态 2 0 世纪9 0 年代初期，我国大连市环境科学设计研究院研制出国内最早的污 水光催化处理装置，并用于做一些污水处理的实验研究啪3 。虽然经过近二十年的 发展，我国对于用在环境污水处理方面的光催化处理装置的研制，仍然处于实验 研究阶段，还没有真j 下走出实验室，形成具有实际意义的工业化产品，这与发达 国家之间还具有一定的差距。当前，我国的水污染状况比较严重，迫切需要利用 较先进的光催化氧化技术来处理污水，因此我国很多的研究人员都在研究设计各 种不同类型的污水光催化处理装置。笔者在湖北省科技信息研究院查询了近几年 我国研究设计人员已经申请的各种污水光催化处理装置的发明专利。 尹晓红，辛峰，张凤宝等人发明了一种转筒式污水光催化处理装置，如图 1 1 所示。 l 一水槽2 一进水口3 一转筒卜支撑板5 一支架 6 一催化剂薄膜7 一同步齿型带8 一电动机9 一紫外灯 l o 一出水口 图1 1转筒式污水光催化处理装置 4 l 进水口 卜吱架 5 管 武汉理r = 人学硕+ 学位论文 该装置的结构与工作过程是：有一个呈垂直安装的进水管2 ，其底部的进水 口l 与水泵相连，并由水泵将待处理的污水压入进水管；以进水管为轴心将直 径大小不同的锥形圆盘4 分别叠设在进水管上，形成多级锥形圆盘，各级圆盘 之间有一定的间隙，叠放顺序按圆盘的直径的大小从上至下依次增大；进水管 上设有支撑圆盘的支架7 ，用于支撑圆盘；各圆盘与进水管结合处的上方设置有 布水器8 ，布水器与进水管结合处有多个沿水管圆周均匀分布的圆孔5 ，进水管 中的待处理污水向上流动的过程中通过水管壁上的圆孔进入布水器，然后流到 圆盘的表面，各圆盘呈一向下的倾斜角度，以保证污水能够顺利地向下流动； 污水沿着圆盘从上至下流动的过程中，形成一层薄膜，在光的照射下发生光催 化反应，流到圆盘周边的污水进入集水槽1 0 ，通过出水管9 经连接管6 进入到 下一级布水器，与布水器中刚从进水管流出来的污水混合，不断地进行以上过 程，直到最后一级出水管，最后一级出水管与循环水箱相连；在进水管的顶部 设置了一个圆形水平挡板1 1 ，其作用是用来改变水的流向1 。 该装置结构设计的最大特点是：形状成伞状，增大了光照面积，可以实现 循环反应，既可用作悬浮式又可用于负载膜式污水光催化处理装置。 刘引烽，王立平，李煜光等发明了一种采用顶光照射的污水光催化处理装 置，该装置最大的特点是透光部分与装置的主体部分分开，可以避免搅拌器对 容器的磨损而影响光线的透过比钔。 综上所述，当前出现的用于污水处理的光催化处理装置的结构设计特点如 下：( 1 ) 装置的形式有敞口的开放式结构，也有半封闭结构，通过曝气方式来 提供反应中所需的氧气。( 2 ) 装置的主体部分大多是圆筒形的，也有圆锥形的， 圆锥形的装置，带有机械搅拌提升装置，从而有利于水体和光催化剂的提升与 分布。( 3 ) 装置的主体可以是静止的，也有设计成运动的。静止式污水光催化 处理装置一般都设有搅拌装置，以提高装置中光催化反应的均匀性。运动的污 水光催化处理装置的主体设计成转筒式，在转筒的上面负载光催化剂薄膜，通 过调节转筒的转速来改变污水和光催化剂的分布状态，增加光催化剂、反应物 和光源之间的接触面积。 虽然，国内外的各种负载式污水光催化处理装置有着各自不同的特点，但 是这些光催化处理装置在结构上普遍存在不足的地方在于：镀光催化剂膜的转 筒、圆盘等载体不便于进行经常更换，装置中镀膜载体的数量不便于根据实际 污水处理量的大小进行增加或者减少。从目前出现的各类光催化处理装置的设 计与结构来看，由于装置有各种灵活的组合方式，势必就会有优选的方案。因 6 武汉理下大学硕士学位论文 此，目前国内外在相关课题上的研究呈现出以下趋势：污水光催化处理装置 中光催化剂负载的选取及安装方式的改进；污水光催化处理装置中光能如何 得到高效的利用；污水光催化处理装置的设计要能够结合实际情况进行连续 动态的污水处理，便于实现工业化。 1 3 课题研究的主要目的与现实意义 目前国内对于污水光催化处理装黄的研究与结构设计尚处于实验阶段，并没 有将污水光催化处理装置用于实际运行，还没有实现器件化、产品化、工业化。 本课题研究的目的是在查阅的有关污水光催化处理装置的结构与性能的研 制现状的基础上，总结得出研制污水光催化处理装置的一些主要因素，结合污 水处理的实际状况及设备的工作原理和性能要求，运用计算机辅助设计手段研 制出一台动态循环污水光催化处理装置，实现同类装置的结构创新，并利用该 装置对选择区被有害机污染物污染的地下水进行了实验研究，在污水净化处理 的过程中，修改相关技术参数，从而完善设备的运行模式。因此课题的研究成 果将有利于推进我国在同类装置的开发与研制，对于处理水污染、保护环境以 及维持生态平衡具有十分重要的意义。 1 4 课题研究的主要内容与拟解决的主要问题 本课题研究的主要内容与拟解决的主要内容包括： ( 1 ) 新型动态循环污水光催化处理装置的系统参数设计及虚拟设计，包括 污水光催化处理装置类型的选定、电动机功率的确定、几何形状及尺寸的确定 以及光源如何安装以保证光照的均匀性问题。拟重点解决负载光催化剂膜的玻 璃片和灯在污水光催化装置中的安装布置形式以及如何确定电动机的功率。 ( 2 ) 动态循环污水光催化处理装置的控制电路的研究设计，拟重点解决如 何较方便地控制污水在光催化处理装置中的动态循环，主要包括进出水部分、 曝气部分以及电动机的控制。 ( 3 ) 动态循环污水光催化处理装置的实验研究，拟解决的主要问题是要通 过实验要获得该装置在处理污水时，影响污水处理效果的几个关键因素：进水 的流量、电动机的转动速度、光催化剂量、曝气量以及水流状态等。 7 武汉理丁人学硕十学位论文 1 5 课题研究的技术路线与主要创新点 1 5 1 课题研究的技术路线 本课题研究的技术路线如下： ( 1 ) 明确研究目的，根据查阅的现有各种不同类型污水光催化处理装置的 相关资料，结合实际情况，初步选定本课题要研制的污水光催化处理装置的类 型。 ( 2 ) 结合装置的工作原理和一些性能要求，以机械设计创新设计的相关理 论和方法作为指导，实现装置内部结构的创新设计，利用计算机辅助设计软件 p r 0 e n g i n e e r 进行该装置的虚拟设计与相关的运动仿真分析。 ( 3 ) 运用自动控制的相关技术实现该装置的自动控制。 ( 4 ) 通过实验来分析该装置在降解处理污水中有害有机物的一些关键因 素，如光催化剂的用量、曝气量、电动机的转动速度、进水流量的大小以及水 流状态等对污水处理效果的影响。 1 5 2 课题研究的主要创新点 ( 1 ) 污水光催化处理装置的器件化 根据查阅的相关文献资料及我国污水净化处理现状，目前国内还未见有污 水光催化处理装置的商业化设备，即没有实现该类装置的器件化、产品化、工 业化。本课题创新点之一是把光催化氧化技术用于实际的污水处理，从而实现 产品化。 ( 2 ) 实现了污水的动态循环处理 目前国内的大部分污水光催化处理的实验装置是用于静态的污水处理实 验，极少的实验装置来模拟实际动态的污水处理实验，其实验的结果与实际情 况尚存在着一定的差距。本课题创新点之二是实现了污水的动态循环处理，使 实验研究的结果接近于实际情况。 武汉理工人学硕士学位论文 第2 章污水光催化处理装置的结构设计 如前所述，研制利用光催化氧化技术处理污水的装置核心在于污水光催 化处理装置的结构设计，污水光催化处理装置结构设计是直接影响光催化氧 化技术在污水处理方面能否走向工业化的关键问题之一。因此利用机械设计 领域的相关理论与方法，开发研制结构简单、使用操作方便、光利用率高及 光催化剂性能能够得到充分发挥的污水光催化处理装置是当前国内外相关领 域的研究重点。 2 1 机械系统的设计方法 随着现代科学技术的不断发展，机械系统的设计方法也在不断发生改变。 从理论设计法、类比设计法以及模型实验法等传统的设计方法，逐渐发展为利 用计算机技术的计算机辅助设计、虚拟设计、优化设计及有限元分析等现代设 计方法1 。 机械系统的传统设计方法主要是研究设计人员利用相关的理论、公式及经 验数据来进行设计计算，做成相关的设备。传统设计方法中设计、计算以及分 析的过程都是由人工完成，因而机械系统的研发周期比较长、成本较高、可修 改性较差啪3 。与传统设计方法相比较，现代设计方法则具有系统性、快速性、 创造性、优化性等特点汹1 。由于计算机技术的飞速发展，现代设计方法中设计、 计算、分析的过程都可以借助计算机完成，因而机械系统的研发周期比较短、 成本较低、可修改性较好。 尽管机械系统的现代设计方法有以上的特点，但是开发一个新的机械系统 仍然有时也少不了传统设计方法中的理论设计、类比设计以及模型实验等思想， 因此传统设计方法与现代设计方法是相辅相成的，在进行机械系统设计时，两 者之间并没有特定的界限。 本章以机械系统的理论设计法、模型实验法等传统设计方法以及计算机辅 助设计、虚拟设计等现代设计方法作为指导，对动态循环污水光催化处理装置 的结构进行了设计，机械系统的设计流程如图2 1 所示。 9 武汉理工人学硕十学僦论文 图2 1机械系统设计的流程图 2 2 制定设计任务书 任何一个机械系统的设计之前，必须制定一个比较详细的设计任务书，在 任务书中应该明确规定：机械产品的名称( 或代号) 、功用、生产率、主要性能 指标、可靠性和使用维护要求、工作条件、生产批量、预定的成本、设计和制 造完成的日期以及其他特殊要求等盟别。课题组经过多次讨论，结合本课题的实 际研究情况，开发研制涉及一种利用光催化技术进行污水处理的装置。该装置 是针对基板负载的二维纳米光催化剂膜，特别是近几年发展起来的可见光光催 化剂膜污水光催化处理装置。主要从装置的功用及性能指标两个方面制定了这 台实验样机的设计任务：能够进行污水处理并能够实现污水的动态循环、对进 出水的流量可调节、对曝气的流量可调节、装置操作要简单、比较容易控制、 光的利用率要高、光催化剂与污水之间要有良好的传质、光催化的反应速率要 快，同时要求装置具有结构简单和负载光催化剂薄膜载体的安装与更换方便的 特点，同时既可利用人工光源也可利用太阳光，在紫外光或自然光条件下进行 1 0 武汉理：t ：人学硕士学位论文 可变光源的光催化反应。 2 3 方案设计 2 3 1 污水光催化处理装置类型的选定 目前，对污水光催化处理装置还没有明确的、统一的分类标准，根据污水 光催化处理装置的内部结构、工作状态以及光催化剂在装置中的存在形式及应 用情况的不同，装置的分类就不相同瞳7 1 。通常是根据污水光催化装置中光催化 剂在装置中存在方式的不同，将装置分为悬浮式、负载式两大类。 悬浮式污水光催化处理装置是将光催化剂粉末，通过搅拌均匀地分散在污 水中。该类装置设计的特点是：光催化剂的整个颗粒与污水充分接触，光催化 剂的表面积与装置中容器的有效体积比a n 很高，光催化剂和污水之间基本不 受质量传递的限制，因此该污水光催化处理装置具有较快的反应速率，光催化 降解的效果比较好啪1 。但悬浮式污水光催化处理装置也存在一些缺点：污水中 存在的大量悬浮颗粒，阻挡了光的照射从而影响了光的辐射深度，使得离光源 较远处的悬浮颗粒吸收不到光而导致光催化的活性降低陟3 。该装置还存在的一 个最大问题是，污水处理后必须对光催化剂与处理后的水体进行分离，但由于 光催化剂的颗粒较小，在分离时容易流失，水体中的光催化剂颗粒与水体难以 得到完全分离，从而对处理后的水体会产生二次污染，而且在进行分离的时候 一般要运用离心、过滤、絮凝以及混凝等方法，因而必须增加分离和回收的后 续装置，这样就使得污水光催化处理的过程比较复杂，污水处理的成本比较高， 从而导致该装置在实际的应用中受到了一定的限制，很难应用于实际的污水处 理，形成大规模的工业化口2 堋。 负载式污水光催化处理装置是利用一定的方法通常有沉积法、烧结法将光 催化剂粉末负载在一定的载体上。待处理的污水从载体的上表面流过，负载在 载体上的光催化剂与流过其表面上的污水发生化学反应，从而可以降解污水中 的有害有机物啪1 。根据光催化剂负载载体的对象不同，负载式污水光催化处理 装置又可分为非填充式以及填充式污水光催化处理装置。非填充式污水光催化 处理装置中的光催化剂负载在装置容器的内表面或具有较大的具有连续表面积 的载体上如普通玻璃片、石英玻璃片及不锈钢钢板等，有时也把非填充式污水 光催化处理装置称之为镀膜污水光催化处理装置。填充式污水光催化处理装置 武汉理工大学硕：t 学位论文 的光催化剂负载在较小的固体颗粒载体上如玻璃珠、钢珠、砂子、硅胶以及纤 维等，然后填充于污水光催化处理装置中。根据载体颗粒在装置中的运动情况 不同可以把填充式污水光催化处理装置分为固定床填充式和流化床填充式污水 光催化处理装置。玎1 ，固定床填充式污水光催化处理装置中的载体颗粒在污水流 过时，几乎没有形成流动、翻滚等相对运动，相反流化床填充式污水光催化处 理装置中的载体颗粒在污水流过时，则形成流动、翻滚等相对运动乜钆扪。 由于负载式污水光催化处理装置中的光催化剂固定在载体上，进行光催化 反应后，不存在光催化剂与处理后水体的分离问题，不需要增设分离回收装置， 设备的成本比较低，并且光催化剂很难溶于水体中，有效地防止了二次污染， 从这方面看，负载式污水光催化处理装置比较容易实现大规模工业化，用于实 际的污水处理。因此，本文选定设计一种新型的负载式污水光催化处理装置， 包括反应容器、紫外灯( 或氙灯) 、光催化剂载体安装部件、搅拌部件以及曝气 部件；其特征在于：负载光催化剂膜的石英玻璃片更换容易、操作简便；光源 的选择多样；结构简单、成本低。 2 3 2 新型负载式污水光催化处理装置的整体方案 目前，据笔者查阅的相关资料看，负载式污水光催化处理装置普遍还存在 着以下一些缺陷：负载在载体上的光催化剂膜薄量少，载体的数量不便于根据 实际污水处理量的要求减少或者增大，光催化剂与污水难以进行充分接触，两 者之间的传质比较难，薄膜的受光不均匀，光催化反应的速率比较慢等乜引。笔 者在第一章已经论述了尹晓红，辛峰，张风宝等人发明的转筒式污水光催化处 理装置以及王怡中，邢核等人发明的一种用于污水处理的多级锥形圆盘式污水 光催化处理装置。从某一方面看，设计者在设计这两种负载膜式光催化处理装 置时考虑了该类装置目前所存在的一些缺陷，但是就笔者看来，转筒式以及多 级锥形圆盘式污水光催化处理装置在结构设计上还存在着一定的问题：镀膜的 载体( 转筒、圆盘) 不便于进行经常更换，在一定的装置中载体的数量不便于 根据污水处理量的大小进行增加或者减少。在进行污水光催化反应时，一方面 镀在载体上的光催化剂膜会随着反应的进行而失效，在进行污水光催化反应的 过程中需要经常在载体上进行重新镀膜，那么在设计污水光催化处理装置时就 必须考虑载体安装的方便性；另一方面不同情况下的污水处理量的大小不一样， 因此负载光催化剂膜载体的数量应该能够根据实际情况很方便地进行增加或者 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 减少。由此看来，要使负载式污水光催化处理装置能够较好的用于实际的污水 处理，在对整个装置的结构以及传动方案的设计中确实需要考虑以下几个方面 的内容： ( 1 ) 镀光催化剂膜的载体在装置中能够方便地进行更换并且载体的数量可 以根据污水处理量的要求减少或者增加； ( 2 ) 一定容积的反应容器中尽可能地安装较多的镀膜载体，以保证一定体 积的待处理污水中有较大面积的光催化剂薄膜； ( 3 ) 待处理污水与光催化剂膜表面充分接触并且两者之间具有良好的传质 过程； ( 4 ) 待处理污水与光催化剂膜的接触状态接近于实际的污水流动状况； ( 5 ) 光源系统中光源的形状及安装方式要满足光源发出的光应该能够得到 充分的利用。 根据有关负载膜式污水光催化处理装置的资料，结合已经发明的几种负载 膜式污水光催化处理装置结构设计的特点及存在的缺陷，拟定了本装置的结构 设计方案和传动方案如图2 2 所示。 卜电动机 2 一箱体 3 一搅拌轴 4 一输出辅 5 一小齿轮 6 一大齿轮 7 一冷凝管 8 一插槽框 9 一氙灯 上o - 风扇 1 1 - 粹器 图2 2 结构、传动设计方案示意图 在结构设计方面，该方案重点是把镀光催化剂膜的石英玻璃片，安装在插 武汉理r 大学硕士学位论文 槽框中，石英玻璃片在插槽框中可以实现即插即拿，更换方便。本装置结构设 计的具体特点在本章后面做了详细的论述。 该装置的传动过程是：电动机l 带动输出轴4 转动，输出轴上的大齿轮6 带动与之啮合的三个小齿轮5 转动，三个小齿轮带动三根搅拌轴3 转动，搅拌 轴带动三个插槽框8 在装有待处理污水的容器1 1 中转动。 在设计该装置时，由于插槽框在搅拌轴的带动下在待处理污水中转动，作 者把在这种情况下污水光催化处理装置的设计问题看成是工业中搅拌设备的设 计问题。在工程实际中，一般搅拌设备的设计顺序如下： ( 1 ) 搅拌条件的设定和确认 该装置中的搅拌条件包括：搅拌容器的容积1 7 升；该装置要利用太阳光进 行光催化反应的，因此为了透光及观察的需要，容器选用了高硼硅普通玻璃圆 柱型圆筒，内径2 8 4 m m 、高2 7 5 m m 、壁厚7 衄；容器中物料的性质是含有机污 染物的污水；搅拌的目的是使得待处理污水与光催化剂膜接触均匀、氧气均匀 地溶解于污水中；工作的条件为常温常压。 ( 2 ) 搅拌叶轮型式及内部构件的选定 该装置搅拌叶轮的型式是插槽框式结构，如图2 3 所示。 j i l 1 人 旦 ， 乡二二倭、太 伸、 图2 - 3 插槽框示意图 ( 3 ) 确定叶轮尺寸及转速 该装置插槽框的尺寸是根据在插槽框上插入的石英玻璃片的尺寸确定的， 镀光催化剂膜的石英玻璃片的尺寸是宽3 0 m m ，高8 0 r n m ，厚3 m m ，在设计时插 槽框的每面插两片石英玻璃片，再结合插槽框的安装尺寸，确定整个插槽框的 1 4 武汉理t 大学硕士学位论文 单边宽w = 8 6 m m ，高b = 8 3 m m 。 插槽框低速旋转，转速：4 0 r m i n - - 9 0r r a i n ，即0 6 7 r s - 1 5 r s 。 ( 4 ) 计算搅拌功率 本装置的搅拌功率的计算问题在后面第五节详细论述。 ( 5 ) 搅拌装置机械设计 本装置的机械设计的问题在后面第六节详细论述。 2 4 搅拌功率的计算及电动机的选定 2 4 1 电动机功率的确定 一直以来，在工程实际中都难以通过理论公式计算出搅拌设备中搅拌功率 的准确值，对于搅拌功率的计算问题也是工程界中的一个难题b 引。目前，在确 定了搅拌装置的基本类型、尺寸以及搅拌转速后，确定搅拌功率以选定多大功 率电动机的方法通常有以下两种m 1 ： ( 1 ) 用测量仪器测量搅拌功率 目前，通过测量仪器测量搅拌功率的方法较多，但使用范围取决于装置的 规模大小，下面简单介绍两种误差较小的测量方法。 电动机反扭矩测量法 本方法适用于规模较小的搅拌体系，搅拌功率电动机反扭矩测量装置如图 2 - 4 所示。 l 搅拌器2 搅拌油3 一筒体4 一支架5 一堆力轴承 6 一转盘7 一电动机8 一引线9 一异向滑轮l o 天平 图2 4 搅拌功率电动机反扭矩测量法装置 1 5 武汉理丁大学硕士学位论文 该测量仪器测量搅拌功率的原理与过程是：转盘6 固定在电动机7 的外壳 上，电动机和转盘由推力轴承5 支撑在支架4 上，当搅拌器l 在运转时，电动 机外壳( 定子) 受到的扭矩由转盘6 切向引线8 的拉力构成的力矩所平衡。而 拉力的大小通过滑轮9 ，由天平1 0 上的砝码测量出，砝码读数与转盘半径的乘 积即是作用于转子上的转矩，其搅拌功率的计算公式为h 引： p = 2 r c n m g r 公式( 2 1 ) 公式中：一搅拌转速，r s ；m 平衡扭矩的砝码质量，k g ：r 重力加速度， m s 2 ；尺一测矩盘半径，r n 。 应变测量法 该方法适用于测量功率较大的搅拌体系，应变测量法装置如图2 5 所示。 搅拌器 刎度盘 图2 5 应变测量法装置 应变测量法测量搅拌功率的基本原理与过程是：搅拌轴的扭矩与该轴材料 的切应变量的大小成线性关系，只要测出搅拌轴在转动时的切应变量的大小， 就可以根据公式推算出搅拌轴的扭矩，最后可求出搅拌功率。在应变测量法装 置中，4 个电阻丝应变片按如图2 5 所示的角度粘贴在搅拌轴上，组成了电桥， 然后接上相应的仪表以及电源。当搅拌器转动的时候，搅拌轴上