迷宮式錯流鼓泡光催化反應裝置及其有機廢水處理方法

2023-05-27 05:32:51 1

專利名稱：迷宮式錯流鼓泡光催化反應裝置及其有機廢水處理方法
技術領域：
本發明涉及一種高效光催化反應裝置及其有機廢水處理方法，尤其是利用迷宮式錯流鼓泡光催化反應裝置及其有機廢水處理方法技術背景光催化氧化技術是利用紫外光或近紫外光激活半導體(通常使用TiO2)價帶上的光生空穴，在水中產生氧化能力極強的氫氧自由基，使水中難於降解的有機汙染物完全礦化，降解過程可在常溫常壓下進行且作用物幾乎無選擇性，加之該法毋須添加化學試劑，無二次汙染，故成為當前水淨化技術在國內外的研究前沿和開發熱點。
反應器、光源和光催化劑是實現光催化過程的三要素。粉末懸浮態半導體光催化劑存在分離與回收困難，因此固定化光催化反應體系越來越受到重視，製備高活性和高穩定性催化劑和開發傳質效率高和分離能力好的新型光反應器是光催化技術實用化的關鍵。與一般反應器相比，光催化反應器的設計除了要考慮混合和傳質過程、反應物和催化劑的接觸、流體的流動狀況、反應動力學、催化劑的安裝及溫度的控制等問題外，還必須考慮光源的配置，光輻射、光照的均勻性、高透性以及光利用率等。目前研究人員普遍採用內置光源的環形流化床反應器來實現這一目的，但這類反應器需設置內部冷卻系統散熱，在設計放大時必須考慮光源(紫外燈)和冷卻系統的組合，結構複雜且減小了反應器的有效容積，光能需穿越多層冷卻套才能到達催化劑表面，光效率仍未得到最大發揮，見專利公開號為CN1261056；此外也有將光催化劑固定在反應器底部利用外部光源的平板形反應器，但這種反應器存在廢水處理量小、光能利用率低、反應器效率不高和催化劑難以回收再生等問題，見專利公開號為CN1431155和CN1508073。

發明內容
本發明的目的是提供一種迷宮式錯流鼓泡光催化反應裝置，其特點是結構簡單、操作方便、可利用外部平行輻射光源、光催化反應效率高且催化劑易回收再用，廢水處理能力和降解深度可調控，既可間歇操作又可連續運行。本發明的另一目的是提供利用這種迷宮式錯流鼓泡光催化反應裝置連續降解含有機汙染物廢水的水處理方法。
本發明迷宮式錯流鼓泡光催化反應裝置包括光催化反應器主體、外部固液分離器和循環系統，其結構特徵在反應器內下部設置有氣體分布板，在其上垂直設置有平行折流板構成液相迷宮式通道；底部設置有反應器進氣口；氣體分布板上方的反應器側壁設置有反應器進液口和反應器溢流口；在反應器的上方設置有平行光源。
上述所述的反應器的橫截面是圓形橫截面或者矩形橫截面；所述的平行折流板是三塊或三塊以上的平行折流板；所述的氣體分布板是雙層多孔布氣板或燒結板，其孔徑＜0.5mm，開孔率為0.5％～5.0％；所述的平行光源是紫外光或者近紫外光；所述的固液分離器是圓錐形結構，其上部設有分離器進料口和分離器出水口，底部設有分離器排料口，其分離器進料口與反應器溢流口連通。
本發明用於迷宮式錯流鼓泡光催化反應裝置處理有機廢水的方法，該方法是將粒徑為0.3mm～0.8mm的顆粒光催化劑加入反應器中，待處理有機廢水從反應器進液口通入迷宮式反應區內，同時從反應器進氣口通入含氧氣體並通過氣體分布板向上鼓入反應區；沿折流板間隙流動的液體與上升氣泡呈錯流接觸，顆粒光催化劑懸浮分散於氣液混合相中，在平行紫外光光源照射下進行光催化反應，有機物被催化降解，出水經固液分離器、循環水槽達標可直接排放或經循環計量水泵循環返回反應器中。
其中經固液分離器分離的顆粒光催化劑從其底部的分離器排料口利用密度差自動進入反應器的進水管線中，與通過循環計量水泵的有機廢水一起循環到反應器中再循環；其中經固液分離器分離的顆粒光催化劑從其底部的分離器排料口排出進行催化劑的再生；其中調節反應器的進水流速實現顆粒光催化劑在反應器中的停留時間和出水中催化劑的帶出量。
本發明通過實施上述技術方案的優點與積極效果在於反應器底部通入含氧氣體的作用一方面是向體系提供光催化反應所需的氧氣；另一方面是提供能量使顆粒光催化劑懸浮分散於反應器物料中，氣相、液相和固相三相呈流化狀態充分接觸；同時氣泡的存在可提供較高空隙率便於反應器上方入射光深入反應器內與顆粒光催化劑充分、均勻接觸，因而整個反應體系有較高的光催化反應效率。
本發明的創新之處在於光催化反應器中有機廢水在迷宮式通道中以平推流方式流動，增加了液相在反應器中的停留時間；有機廢水與上升氣泡呈錯流流動，氣相、液相和固相三相充分混合兼有流態化反應的優點；反應器中顆粒光催化劑的停留時間和帶出量可通過調節進水流量來得到控制，從而可控制催化劑的再生速度；通過增加迷宮式通道的數量和長度可提高有機廢水的處理能力和降解深度。
本發明的光催化反應裝置可利用太陽能等平行光源，無須冷卻系統，光能可直接進入三相混合液中與光催化劑接觸，提高了光的有效利用率。
本發明採用的顆粒光催化劑粒徑在0.3mm～0.8mm，分布板孔徑小於0.5mm。如顆粒粒徑小於0.5mm，氣體分布板可採用中間夾有100目尼龍網或金屬絲網的雙層布氣板或多孔燒結板。
本發明所說的顆粒光催化劑可直接採用半導體金屬氧化物(通常為TiO2)顆粒，也可採用負載型催化劑顆粒，常用的載體有活性炭、矽膠、石英砂及分子篩等顆粒，可採用溶膠-凝膠法或粉末附著法等方法使半導體金屬氧化物在載體的表面成膜，製成負載型催化劑。
本發明中反應器的尺寸應根據物料處理量設計，以確保反應器內氣、液、固三相良好的混合和分離。
綜上所述，本發明通過實施上述技術方案的優點與創新之處在於(1)迷宮式錯流鼓泡光催化反應裝置結構簡單，操作方便，無須設置內部冷卻系統；(2)可利用外部平行輻射光源，光能利用率高；(3)有機廢水在反應器中以平推流方式流動，液相停留時間長，廢水處理能力和降解深度可調控；(4)氣、液兩相錯流流動，氣相、液相和固相三相呈流化狀態，光催化反應效率高；(5)反應器出水中的光催化劑經外部固液分離器分離可循環利用，也可回收再生；(6)通過進水流量可調節顆粒光催化劑在反應器中的停留時間；(7)光催化反應系統可間隙操作，也可連續運行；(8)反應器可單獨設計放大，易於實現工業應用。


圖1是本發明迷宮式錯流鼓泡光催化反應裝置及其廢水處理方法流程2是本發明光催化反應器矩形主體迷宮式通道俯視結構示意3是本發明光催化反應器圓形主體迷宮式通道俯視結構示意中1反應器 2氣體分布板 3平行折流板 4反應器進液口 5反應器溢流口 6反應器進氣口 7固液分離器 8分離器進料口 9分離器出水口 10分離器排料口 11循環水槽 12平行光源 13循環計量水泵 14氣泵 15氣體流量計 16、17、18、19、20閥門具體實施方式
下面結合附圖和具體實例對本發明作進一步說明實施例一本發明裝置主要由迷宮式錯流鼓泡光催化反應器1主體、外部固液分離器7、循環系統和反應器1上方平行光源12構成。
本發明的反應器1主體橫截面為圓形或矩形，反應器1內安裝多孔氣體分布板2，分布板2下方為氣體預分布段，上方為反應區。在反應器1內部分布板2上方垂直布置多塊平行折流板3形成液相迷宮式通道。平行折流板3呈矩形，下端固定在平行分布板2上，平行折流板2側面一端與反應器1壁面聯結固定，另一端與反應器1壁面保持一定距離形成液相通道，相鄰兩塊平行折流板2交錯布置。反應器進液口4和反應器溢流口5設置在平行分布板2上方反應器1的側壁，且反應器溢流口5垂直位置低於平行折流板2的高度；反應器進氣口6在平行分布板2下方反應器1的底部。反應器1內平行分布板2為孔徑＜0.5mm，開孔率為0.5％～5.0％左右雙層多孔布氣板或燒結板，其作用是一方面使氣體在反應區內均勻分布產生微小上升氣泡流，另一方面是防止光催化劑顆粒漏入氣體預分布段。外部固液分離器7為圓錐形結構，上部設有分離器進料口8和分離器出水口9，底部設有固體顆粒分離器排料口10，其中分離器進料口8與反應器出水口9連通，固體顆粒分離器排料口10可以與反應器進液口4連通，也可以另設出口直接排料。光催化反應所需光源單獨設置，在反應器1的上方可以設置紫外燈或者近紫外燈產生平行光源12，也可利用太陽能中的紫外光部分。
實施例二一種用於迷宮式錯流鼓泡光催化反應裝置處理有機廢水的方法如下
(一)間隙循環操作光催化降解苯酚廢水圖1中所示，將顆粒活性炭為載體的負載型TiO2(德國Degussa P25，採用浸漬法將其負載於顆粒活性炭表面製成TiO2負載膜，TiO2活性組分用量約為待處理液用量的0.2％wt)光催化劑放入有效容積為0.8L的圓形反應器1中，在循環水槽11內加入苯酚初始濃度為20mg/L的1000mL模擬有機廢水，採用375W高壓汞燈經燈罩反射產生平行光源，反應器1的液面處光強為8mW/cm2。打開閥門18，將上述苯酚廢水通過循環計量水泵13以400mL/min的流量經反應器進液口4連續泵入反應器1，空氣由氣泵14經氣體流量計15以8L/min的流量從反應器底部進氣口6進入反應器1，經氣體分布板2的微孔分散後進入反應區，催化劑被氣泡夾帶而向上懸浮，使氣液固三相呈流態化反應體系。苯酚通過光催化反應降解成CO2和H2O，氣體從反應器1頂排出進入大氣；液相物料從反應器溢流口5排出至外部固液分離器7，再經循環水槽11、循環計量水泵13返回反應器1繼續降解；在外部固液分離器7中的顆粒光催化劑經分離器底部排料口10、閥門16排入進水管線隨進水返回反應器1。整個系統反應2h後水中苯酚被完全降解。
(二)連續運行光催化降解苯酚廢水將實施例1中顆粒活性炭為載體TiO2光催化劑6g放入反應器1中，仍採用375W高壓汞燈作為光源。關閉閥門18，打開閥門19，將苯酚初始濃度為50mg/L的模擬有機廢水通過循環計量水泵13連續泵入反應器1，反應器1中液相停留時間保持在2小時左右，空氣由氣泵14經氣體流量計15以12L/min的流量進入反應器1。有機廢水在反應器1中進行光催化反應後連續排出至外部固液分離器7，然後收集在循環水槽11中或直接排放，出水中苯酚去除率達60％左右。外部固液分離器7中的顆粒光催化劑隨進水循環返回反應器1。
(三)半間隙半連續光催化降解甲基橙水溶液將分子篩為載體的負載型TiO2(溶膠凝膠法製備TiO2，採用浸漬法將其負載於分子篩表面製成TiO2負載膜)光催化劑20g放入有效容積為2L的矩形反應器1中，採用375W高壓汞燈為光源。先關閉閥門18，打開閥門19，將甲基橙初始濃度為40mg/L的模擬有機廢水通過循環計量水泵13泵入反應器1，液相停留時間保持在2小時左右，空氣由氣泵14以8L/min的流量從反應器1底部進入反應器。甲基橙經過光催化反應降解後排出至外部固液分離器7再進入循環水槽11，此時打開並調節閥門18使循環水槽中處理水與閥門19來水按1∶1比例混合再經循環計量水泵13返回反應器1繼續降解；經外部固液分離器7分離的顆粒光催化劑經分離器底部排料口10排入進水管線隨進水返回反應器1。循環水槽溢流口出水。
權利要求
1.迷宮式錯流鼓泡光催化反應裝置，包括光催化反應器主體、外部固液分離器和循環系統，其特徵在於反應器(1)內下部設置有氣體分布板(2)，在其上垂直設置有平行折流板(3)構成液相迷宮式通道；底部設置有反應器進氣口(6)；氣體分布板(2)上方的反應器側壁設置有反應器進液口(4)和反應器溢流口(5)；在反應器(1)的上方設置有平行光源(12)。
2.如權利要求1所述的迷宮式錯流鼓泡光催化反應裝置，其特徵在於反應器(1)的橫截面是圓形橫截面或者矩形橫截面。
3.如權利要求1所述的迷宮式錯流鼓泡光催化反應裝置，其特徵在於平行折流板(3)是三塊或三塊以上的平行折流板(3)。
4.如權利要求1所述的迷宮式錯流鼓泡光催化反應裝置，其特徵在於氣體分布板(2)是雙層多孔布氣板或燒結板，其孔徑＜0.5mm，開孔率為0.5％～5.0％。
5.如權利要求1所述的迷宮式錯流鼓泡光催化反應裝置，其特徵在於平行光源(12)是紫外光或者近紫外光。
6.如權利要求1所述的迷宮式錯流鼓泡光催化反應裝置，其特徵在於固液分離器(7)是圓錐形結構，其上部設有分離器進料口(8)和分離器出水口(9)，底部設有分離器排料口(10)，其分離器進料口(8)與反應器溢流口(5)連通。
7.用於迷宮式錯流鼓泡光催化反應裝置處理有機廢水的方法，其特徵在於該方法是將粒徑為0.3mm～0.8mm的顆粒光催化劑加入反應器(1)中，待處理有機廢水從反應器進液口(4)通入迷宮式反應區內，同時從反應器進氣口(6)通入含氧氣體並通過氣體分布板(2)向上鼓入反應區；沿折流板間隙流動的液體與上升氣泡呈錯流接觸，顆粒光催化劑懸浮分散於氣液混合相中，在平行紫外光(12)光源照射下進行光催化反應，有機物被催化降解，出水經固液分離器(7)、循環水槽(11)達標可直接排放或經循環計量水泵(13)循環返回反應器(1)中。
8.如權利要求7所述的迷宮式錯流鼓泡光催化反應裝置處理有機廢水的方法，其特徵在於經固液分離器(7)分離的顆粒光催化劑從其底部的分離器排料口(10)利用密度差自動進入反應器(1)的進水管線中，與通過循環計量水泵(13)的有機廢水一起循環到反應器(1)中再循環。
9.如權利要求7所述的迷宮式錯流鼓泡光催化反應裝置處理有機廢水的方法，其特徵在於經固液分離器(7)分離的顆粒光催化劑從其底部的分離器排料口(10)排出進行催化劑的再生。
10.如權利要求7所述的迷宮式錯流鼓泡光催化反應裝置處理有機廢水的方法，其特徵在於調節反應器(1)的進水流速實現顆粒光催化劑在反應器(1)中的停留時間和出水中催化劑的帶出量。
全文摘要
迷宮式錯流鼓泡光催化反應裝置及其有機廢水處理方法，其特點是在反應器中垂直設置有平行折流板形成液相迷宮式通道，含氧氣體由反應器底部進入通過分布板向上鼓入反應區，有機廢水由分布板上方反應器側面進液管流入，沿折流板間隙在迷宮式反應區內流動並與上升氣泡呈錯流接觸，顆粒光催化劑懸浮分散於氣液混合相中。在反應器上方外部平行紫外光源照射下氣液固三相進行光催化反應，有機物被催化降解，反應器出水經外部固液分離器分離，在泵作用下循環連續進行光催化反應。本發明結構簡單、操作方便、液體停留時間長而液固相能夠充分接觸，傳質效率和光催化反應效率高，反應器設計放大不受光源限制，易於實現工業應用。
文檔編號C02F1/30GK1864843SQ20061001262
公開日2006年11月22日 申請日期2006年4月21日 優先權日2006年4月21日
發明者郝曉剛, 張忠林, 羅善霞, 樊彩梅, 劉世斌, 孫彥平 申請人:太原理工大學