[发明专利]住宅应用的自来水管道高性能水质净化器

说明书

技术领域

本发明属于利用陶瓷电气石球净化剂制成的水质净化器领域，具体的说是涉及在陶瓷电气石球上负载二氧化钛涂膜的净化剂，具有分解有害的有机化合物、杀菌、除去水的异味、富含矿物营养素的住宅应用的自来水管道高性能水质净化器。

背景技术

随着工农业的发展，大量的且不断增加的HOCs最终必然进入到自然界的水循环体系中，并不可避免地出现在饮用水中；特别是人和动物的药物的滥用、电子和塑料垃圾的泛滥，使新兴的有机有害物在饮用水中不断涌现；它们所具有的高毒性和极强的生物蓄积性，即使含量极微，也会对人类的健康构成极大的风险。在我国，水系中个别持久性有机污染物的水平处在全球范围内的高端。

彻底清除饮用水中的HOCs对保障人类健康是必需的，目前我国的饮用水处理工艺中，根本没有考虑对HOCs的清除。目前普遍认为：对水中成分复杂，物化性质复杂的HOCs的清除，属于饮用水的深层处理，是非常艰难的。一些研究所提出的吸附方法不仅不能将其彻底清除掉，而且从环境整体上看，只是起到了浓缩转移的效果；另一些研究所采用的氧化分解法，必须使用适应广泛的强氧化剂，而强氧化剂不仅成本高、操作危险，而且容易导致水体的二次污染。

就水体净化而言，由于受水体的富营养化的冲击，水生微生物的大量繁殖对饮用水的消毒处理越来越艰难，不断增加化学消毒品的使用剂量或者增大紫外辐射所产生的消毒副产品又带来了新的公众健康的问题，既要从微生物角度保证饮水安全，又要减少DBPs的产生，这对饮用水处理是一个重大的挑战。纳米光催化剂，特别是TiO2作为适合范围广且操作安全、环境友好的材料用于水的灭菌消毒研究，较早受到关注。将这种不仅能处理掉有害化学物质，而且在可见光下能持久的杀灭水体中微生物的特殊氧化处理过程称为超氧化，认为TiO2用于水的AOP处理，是未来水处理的发展趋势。

二氧化钛作为白色颜料，已经广泛使用在牙膏、化妆品、涂料等行业。通常在常温常压条件下，其化学、物理性质非常稳定，不溶于碱、酸、水及一般有机溶剂，甚至不与氟化氢、氮及硫化氢等化学反应性极强的气体发生反应。作为光催化剂喷植成膜后具有耐久性、抗磨耗性、安全、经济和实用等优点。

二氧化钛有金红石（rutile,R type）、锐钛矿（anatase,A type）及板钛矿（brookite）三种结晶结构。其中，金红石是最稳定的结晶体，锐钛矿及板钛矿在高温下会转换成金红石结构，而且这种反应是不可逆的。

当二氧化钛受到能量大于二氧化钛能带的光照射时，会产生电子和电洞，它们与水和氧发生反应会产生活性氢氧自由基（OH）及过氧基等活性氧（O₂）成分。这些活性氧成分具有很强的反应性，特别是活性氢氧自由基，它具有120kal/mol的能量，而构成有机化合物的碳—碳（C—C）、碳—氮（C—N）、碳—氢（C—H）、氧—氢（O—H）、氮—氢（N—H）的共价键，结合键能100kal/mol左右；如果活性氢氧自由基及过氧基等作用于碳—碳、碳—氮、碳—氢、氧—氢、氮—氢的结合键之上。这些结合会被轻易破坏，并使有机化合物分解。所以利用光催化技术几乎可以使所有有害的有机化合物最终分解为二氧化碳和水等无毒性物质。

我们通常采用的光催化剂为锐钛矿的二氧化钛，在紫外线照射和可视光条件下，能使其发生光催化反应。二氧化钛具有分解全部有机化合物的神奇力量。

二氧化钛受光线照射后，会产生活性氢氧自由基等活性氧。这种活性氧和氯气、次氯酸、双氧水、臭氧等氧化剂具相比有更强的氧化能力，因此利用光催化作用不仅可以进行杀菌和消毒，同时它还可以溶解水中及空气中含有的各种有害有机化合物，并进行分解，使其变得无害。因此光催化技术可以用于水源处理、除臭、汽车废气处理、空气净化、土壤处理、抗菌、防霉、去污、防滑、解决住宅综合症候群，以及防止医院的内部传染等各种环境处理。

纳米TiO2晶体作为光催化剂，在波长小于387.5nm的紫外线照射下，能产生电子和空穴对，即载流子，能使氧分子产生具有强氧化作用的羟基自由基，进而产生氧化分解作用，可分解与之接触的包括细菌在内的几乎所有的难分解的有机化合物，最终使之转化成CO₂，产生“零”废物。但是，由于纳米粒子难回收，不能重复利用；光生载流子很容易重新复合，光催化的量子效率很低；纯粹的纳米TiO2需要紫外线的辅助才能引发催化反应，而实际太阳光线中紫外线只占3%～5%，催化分解效率极低，等种种原因，使看似很有价值的新型材料很难应用到对水中HOCs的深处理上。