光催化反应下洗衣机废水处理装备设计

　　摘    要：　洗衣机作为常用家电，消耗大量生活用水。传统洗衣机工作过程主要包括洗涤、漂洗和脱水，其中漂洗用水污染程度低，但消耗量大，占总用水的70%以上，水资源利用率低下。针对这一问题，结合净水处理技术，设计了一种基于光催化反应的洗衣废水处理装置，该装置利用光催化与陶瓷3D打印技术相结合，可提升水处理效率，运行安全又无二次污染。

　　关键词：　光催化; 洗衣废水; 水污染处理;

　　引言

　　随着城镇化规模的不断扩大，水资源短缺压力持续上升[1]。据武汉市统计局数据，2017年武汉市居民生活用水量共计5.98亿m3，其中仅洗涤用水便高达25%。洗衣机作为常用耗水家电[2]，其节水技术的发展及推广对于我国经济、社会及生态的可持续发展具有重要意义。

　　光催化原理为光触媒在紫外光照射下使周围的水和O2激发产生氧化性极强的羟基自由基和氧负离子，进而氧化分解有机成分为水和CO2，全过程安全、无二次污染[4]。通常催化剂涂覆在陶瓷载体表面，载体性能直接影响反应效率。考虑洗衣机及时用水的需求，本项目设计新型载体结构、配置新型载体材料并设计反应器，提高光催化效率，并结合紫外光的杀菌消毒功效，显着提升净水效率。

　　1、光催化反应器材料配制

　　使用无菌采样管，采集漂洗循环水，并将其及时送检。结果显示：微生物指标超标。而洗涤剂中的阴离子表面活性剂对皮肤有刺激作用，对其检测，显示漂洗水中阴离子表面活性剂浓度为0.14 mg/L。

　　光催化原理为光触媒在紫外光照射下使周围的水和O2激发产生氧化性极强的羟基自由基和氧负离子，进而氧化分解有机成分为水和CO2，全过程安全、无二次污染。通常催化剂涂覆在陶瓷载体表面，载体性能直接影响反应效率。考虑洗衣机及时用水的需求，本项目设计新型载体结构、配置新型载体材料并设计反应器，提高光催化效率，并结合紫外光的杀菌消毒功效，显着提升净水效率。

　　1.1 、载体结构设计

　　载体的比表面积直接决定催化剂负载量和反应面积，为此采用大比表面积的菱形十二面体框架结构作为载体的基本结构[5]，菱形十二面体框架结构的有序性使其具有良好的光分布特性，有利于提升光催化反应效率。此外，融入螺旋导板的设计，可扰动水流，使催化反应充分进行，并能延长水经过的反应路径，整体提升光催化反应效率。
 

　　1.2 、载体材料配制

　　为实现特殊结构的成型，该光催化载体采用3D打印技术制造，综合考虑可用打印材料的功能性和经济性，选用以树脂为黏结剂且固含量为55vol%的Al2O3陶瓷浆料为打印材料。相关资料显示，混合不同量的造孔剂最终可制备出负载性能和力学性能均受到孔隙率影响的多孔陶瓷载体。为得到易于光触媒负载的均匀孔隙并简化实验操作步骤，选用10=μm的PMMA微球作为造孔剂，与Al2O3浆料混合并烧结，通过调整PMMA微球的添加量控制孔隙率，制得5组具有5%等差梯度从35%到55%孔隙率的等大多孔陶瓷方片。使用溶胶凝胶法负载常用光触媒纳米TiO2后，在相同实验条件下，5组陶瓷片催化亚甲基蓝降解情况如图1所示。实验结果表明，具有40%孔隙率的多孔陶瓷片催化效果最佳。

　　图1 不同孔隙率陶瓷片降解COD浓度变化

　　多孔陶瓷载体需应用于处理流动的漂洗废水，其对光触媒的负载强度亦是影响催化性能的重要指标，故对5组陶瓷片进行水流冲刷实验后，再次严格控制光催化反应条件对亚甲基蓝溶液进行降解处理，实验完毕后经色度比较法分析可知40%孔隙率降解效果最佳。

　　通过以上性能分析，结合实验结果，最终选定40%孔隙率的组分配比制备载体材料。

　　2 、整体反应器设计

　　对设计多孔陶瓷载体的结构进行COMSOL几何光学仿真，可见在采用了菱形十二面体结构后，光照分布较为均匀，但仍有部分光束溢出，内外受光不均的现象。

　　因此需要进行光路控制，在结构外设置反光材料，将溢出的光反射添加，从而对外层和背光面进行补偿。为改善光分布特性、提供反应环境，设计光催化反应器。反应器外壳由内外层构成，在反应器的内层内表面，使用镜面涂层覆盖，用于将载体中泄露出来的紫外光线进行反射，从而增大其光利用率和反应效率，内层与载体结构之间设计若干橡胶圈用于载体结构的固定。反应器外层与内层之间为弹性缓冲层，采用的材料为棉絮和泡沫材料组合填充，在反应器中轴线布置有功率为30 W的紫外灯，紫外灯固定于反应器外层，连接处进行防水处理。具体水流从IN口进入，OUT口输出。

　　3、 效果验证

　　3.1、 回用水水质检测

　　本实验参照洗衣回用水水质要求标准（DB 11471—2007），严格按照水质检验要求与方法（GB/T 5750），对未经水循环系统处理的漂洗废水以及经光催化水处理装置处理后的回用水水质进行判定及处理。利用哈希COD测定法测定COD含量；利用铂-钴色度仪标准比色法测定色度；利用散射法测定浊度；利用平皿计数法测定微生物含量。

　　在光催化陶瓷载体及正常运行的情况下，控制添加3次不同污染物的质量，经过洗衣机洗涤—脱水这一工作流程后，注水漂洗分别得到洗衣机漂洗废水和经过光催化处理后的漂洗回用水，按照检测方案测得水质检测数据如表1所示，洗衣漂洗废水经过本洗衣机循环管道处理后的各项参数指标均低于标准回用水的限值，可作为洗衣回用水。

　　表1 洗衣机漂洗水水质检测参数

　　3.2、 漂洗效果验证实验

　　为验证光催化处理后的洗衣回用水是否达到漂洗用水标准，分别用波轮、滚筒洗衣机以及本装置对定量制作的标准布料进行清洗，完成整个流程后取出布料，同时将布料分别放入等量的清水中，进行反复涤荡后，最后分别抽取25 ml浸泡过布料的水样，可知光催化净化洗衣废水效果良好，基本满足洗净率相关指标。

　　3.3、 节水验证实验

　　本装置基于稀释定律设计的净水循环通路改变固有漂洗方式，经过理论计算可实现48%节水率。

　　式中：η——循环管道水量残留率；Q1——水箱容积（L);Q2——洗衣机内筒额定容积（L);a——漂洗次数。

　　为验证实际工作时的节水情况，分别用波轮洗衣机和本装置对相同质量的标准布料进行洗涤，并把2种洗衣装置每一个工作流程的排水分别进行贮存，最终将洗衣机所用水量除以布料质量，得到单位用水量。可知本装置相比于波轮洗衣机节水率达49.15%，与理论计算值基本吻合，具有良好的节水效益。

　　4、 结语

　　从以上实验结果可以看出，采用陶瓷3D打印技术设计的陶瓷光催化载体，

　　30 W紫外灯的照射下，对洗衣废水中有机成分的去除率较高，净水效果更加明显。实践证明，可以通过陶瓷3D打印技术来制备载体结构，COMSOL模拟后优化的载体结构不会阻碍光路，从而保证了光催化反应的正常进行。在实际应用中，应注意将紫外线灯的功率调节至约30 W，以确保光催化反应的效率。同时，应注意陶瓷浆料的比例，以提高加载成功率，提高净水效率。

　　参考文献

　　[1]鲍超.中国城市化与经济增长与用水变化的时空耦合关系[J].地理学报，2014,69(12):1799-1809.
　　[2] 谷玉坤，张世平.洗衣机漂洗用水量的研究[J].家电技术，2004(2):151-152.
　　[3]郭晶晶，徐兆义，王进，等.洗衣废水的循环利用[J].水资源保护，2005,21(2):19-20,39.
　　[4] 陈俊水，刘美川，张继东，等.电化学辅助TiO2光催化降解有机废物的研究[J].环境管理学报，2004,70(1):43-47.
　　[5]陶艳平，何方，李颖锐，等.造孔剂种类及含量对高孔隙率多孔陶瓷性能的影响[J].佛山陶瓷，2015,25(8):13-16.
　　[6]张曦，李胜娟，索露露，等.ZnO/Zn/CNT三维多孔复合结构的制备及其对甲基橙的光催化降解[J].上海理工大学学报，2016,38(4):335-340.