一體式光催化氧化－膜分離流化床反應裝置的製作方法
2023-10-05 11:04:09
專利名稱：一體式光催化氧化－膜分離流化床反應裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一反應裝置，本發明尤其涉及一種一體式光催化氧化—膜分離流化床反應裝置。
背景技術：
光催化氧化技術具有以下優點(1)水中所含多種有機汙染物質均可被無選擇完全降解為幾乎無危害的CO2、H2O等；(2)不需要另外的電子受體(如H2O2)；(3)光催化劑具有廉價、無毒、穩定以及重複使用等優點；(4)反應條件溫和，對反應溫度、pH值沒有什麼特殊的要求；(5)光催化反應操作條件容易控制、氧化能力強。
目前光催化氧化技術所面臨的主要問題之一是光催化氧化反應裝置的優化設計及光催化氧化過程的最佳操作，因此，開發高效多功能集成式實用光催化氧化反應裝置將是該領域研究的重要內容之一，並將成為新型有效的水處理技術手段，尤其在低濃度難降解有機廢水的處理方面更將發揮重要作用。
目前集成式光反應裝置的種類按催化劑存在狀態分為3種，且這幾種反應裝置均有各自的優、缺點。
(1)懸浮式光催化反應裝置這類反應裝置通常是將光催化劑粉末加到所要處理的溶液中，它的優點是在反應中汙染物容易和光催化劑接觸，不存在質量傳輸的限制，但也存在不足，即處理效率不高，當提高催化劑的濃度時會造成懸浮液渾濁，影響光的穿透，降低光效率；此外催化劑與液體分離困難，而採用傳統的沉澱、凝聚、離心分離等手段獲得的分離物均為大的塊體或顆粒聚集體，使反應系統不能連續運轉，同時必須對光催化劑進行再處理及重新分散，降低了反應系統的處理效率，並增加了處理費用。
(2)鍍膜催化劑反應裝置這類反應裝置的催化劑主要是以膜的形式存在，如將二氧化鈦光催化劑塗抹在反應裝置的內外壁、燈管壁、不鏽鋼片、光導纖維材料等上面，催化劑膜在紫外光的照射下，將吸附在膜表面的汙染物降解、礦化。它的最大特點就是不需要對催化劑進行分離，但是反應容易受到傳質的限制。
(3)填充床式光催化反應裝置這類反應裝置通常是反應裝置內填充二氧化鈦顆粒或者表面塗有二氧化鈦膜的矽膠、氧化鋁、石英砂和玻璃珠等，這些載體通常是具有二維表面的，繫結構緊密且具有多孔結構的顆粒。由於它有效地讓光通過，並且有較高比表面積，適用於具有較高傳質能力的反應系統中。這類反應裝置的不足之處是顆粒之間的碰撞會造成膜的脫落，光的利用率較低。
發明內容
本發明的目的在於克服已有技術的缺點，提供一種一體式光催化氧化—膜分離流化床反應裝置，該反應裝置既具有良好的傳質性能，又可有效地實現水、催化劑的分離，同時亦兼有良好的光照射分布。
本發明的一體式光催化氧化—膜分離流化床反應裝置，它包括殼體，它還包括連接在所述的殼體內的倒Z形導流板，在所述的倒Z形導流板的上側面、傾斜面上部與所述的殼體側壁之間構成的區域內設置有浸沒式膜組件，在所述的導流板的倒Z形的下側面、傾斜面下部與所述的殼體側壁之間構成的反應區域內的殼體底部設置有一個或多個紫外燈，在所述的殼體下部的反應區內設置有沿水平方向放置的第一曝氣裝置，所述的殼體底部為傾斜面，並且在殼體的下部分別設置有入水口和排泥口。
採用本發明的裝置在廢水處理時具有以下效果(1)在曝氣氣流的攪動下，在反應裝置底部光催化劑、汙染物、入射光能實現充分的混合與接觸，汙染物被有效地分解，因而具有較高的傳質效率和光能利用率，提高光催化氧化的效率。
(2)在反應裝置上部膜分離區的膜組件可以將進入上部的催化劑截留在反應裝置內，並重新進入光催化氧化反應區，實現光催化劑的循環利用；當未被降解的汙染物亦被截留時，可使光催化氧化反應區汙染物的濃度得以濃縮，提高反應速度。
(3)由於膜組件採用底部曝氣形式，使膜絲發生抖動，從而可有效地防止或減輕膜汙染。
圖1為本發明的一體式光催化氧化—膜分離流化床反應裝置的結構示意圖；圖2為圖1所示裝置的Z-Z剖視圖；圖3為圖1所示裝置的S-S剖視圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作以詳細描述。
如附圖所示本發明的一體式光催化氧化—膜分離流化床反應裝置，它包括殼體1、連接在所述的殼體內的倒Z形導流板，還可以在倒Z形導流板上設置一個或多個旋流板，在所述的倒Z形導流板的上側面2、傾斜面3上部與所述的殼體側壁之間構成的區域內設置有浸沒式膜組件4，膜組件可以採用簾式膜或U形膜等並可以在市場購得，出水口12與膜組件相連，在所述的導流板的倒Z形的下側面5、傾斜面3下部與所述的殼體側壁之間構成的反應區域內的殼體底部設置有一個或多個紫外燈6，所述的紫外燈外最好罩有冷卻裝置如石英冷卻套7，在所述的殼體下部的反應區內設置有沿水平方向放置的第一曝氣裝置8，所述的殼體底部9為傾斜面，並且在殼體的下部分別設置有入水口10和排泥口11。殼體底部9的傾斜面的傾角可根據需要確定。所述的殼體下部反應區內最好設置有沿垂直方向放置的第二曝氣裝置12。
如圖1所示該發明裝置分為A1，A2，A3，A4，A5五個區域，其工作原理如下在曝氣氣流作用下，由入水口10進入反應裝置的廢水與光催化劑迅速混合，催化劑、廢水、氣體在A1反應區形成三相流化床反應體系，使光催化劑與廢水中的汙染物充分接觸，並在紫外燈6的照射下汙染物被有效氧化分解，縮短了廢水的處理時間，相應地增加了處理水量；曝氣系統同時為光催化氧化反應提供氧氣。在導流板3及曝氣裝置8、12的曝氣氣流作用下，氣流進入A2區域並上升，使得在A2區域內產生上升水流，與所述的倒Z形導流板上側面2相對的殼體側壁最好為傾斜面。由於A2上部殼體側壁為傾斜面，其截面積增大，使上升水流流速減小，實現進入A2區的光催化劑在重力作用下返回到A1區，而上升水流則進入A3區。
A3區的膜組件將進入該區的光催化劑截留(在一定條件下將未降解的汙染物可同時截留)，處理水由出水口12排出。在所述的導流板的傾斜面3與所述的膜組件4底部之間最好設置有第三曝氣裝置13，曝氣裝置13產生的曝氣氣流使膜絲抖動，膜絲表面在汽泡剪切力的作用下，可以達到防止或減輕光催化劑、汙染物等的附著，從而避免或減輕膜汙染。
進入A4區域的混合液形成下降流進入A5區域內，同時根據曝氣裝置13的曝氣強度亦可能有部分混合液進入A3區域內，從而在A3與A4區域內產生一個小的混合液循環。混合液通過A5區進入A1區繼續進行光催化氧化反應。
反應裝置長期運行時在A1區底部產生汙泥等雜質，為此可將排泥口11打開，由入水口10進水衝刷傾斜面，將雜質排出。
由於紫外燈產生熱量將影響整個反應體系的溫度，所以在紫外燈外可根據使用需要設置冷卻裝置，以控制反應裝置的溫度。
本發明提出的一體式光催化氧化—膜分離流化床反應裝置的特徵1.光催化氧化與膜分離實現一體式組合，採用具有多孔結構、粉末狀的催化劑與待處理水混合形成懸浮催化劑的混合液，並在曝氣氣流作用下形成氣、液、固三相流化床反應體系。
2.光催化氧化在反應裝置底部，水流經過中部導流板進入上部反應區，不需要管線、泵閥的輸送，節省電能。
3.紫外燈直接置入下部反應區，產生的光可被催化劑有效利用。
4.兩個反應區分別設置曝氣裝置，並實現分別控制。
5.膜分離區的膜組件可以使處理後的水與催化劑顆粒有效分離，實現光催化劑在反應裝置內的循環利用；同時在一定條件下(即根據膜截留性能)亦可將未分解汙染物質截留，使反應裝置內汙染物濃度濃縮，提高光催化氧化反應速度。
本發明的光催化氧化區與膜分離區採用上下組合的方式，光催化氧化區在反應裝置的下部，膜分離區在反應裝置的上部，中間設有導流板實現光催化氧化區與膜分離區的分離。入水口10在反應區的底部，出水口12與膜分離單元相連。反應裝置上部設有一緩衝區A2，有助於夾帶的催化劑顆粒與上升水流之間的分離，並返回到下部光催化氧化反應區。
本發明底部設有曝氣系統，主要作用使催化劑呈懸浮狀態，形成氣、水、固三相流化床反應體系，並為光催化氧化反應提供氧氣，同時實現反應裝置中水體的循環。膜裝置底部曝氣氣流使膜絲抖動，避免或減輕膜汙染。
本發明底部傾斜設計並設有排泥口。
本發明中部設有導流板，引導曝氣氣流的流動，並避免或減少光催化劑進入上部反應區。
權利要求
1.一體式光催化氧化-膜分離流化床反應裝置，它包括殼體，其特徵在於它還包括連接在所述的殼體內的倒Z形導流板，在所述的倒Z形導流板的上側面、傾斜面上部與所述的殼體側壁之間構成的區域內設置有浸沒式膜組件，在所述的導流板的倒Z形的下側面、傾斜面下部與所述的殼體側壁之間構成的反應區域內的殼體底部設置有一個或多個紫外燈，在所述的殼體下部的反應區內設置有沿水平方向放置的第一曝氣裝置，所述的殼體底部為傾斜面，並且在殼體下部分別設置有入水口和排泥口。
2.根據權利要求1所述的一體式光催化氧化一膜分離流化床反應裝置，其特徵在於所述的殼體下部反應區內設置有沿垂直方向放置的第二曝氣裝置，在所述的導流板的傾斜面與所述的膜組件底部之間設置有第三曝氣裝置。
3.根據權利要求1所述的一體式光催化氧化一膜分離流化床反應裝置，其特徵在於與所述的倒Z形導流板上側邊相對的殼體側壁為傾斜面。
4.根據權利要求1所述的一體式光催化氧化一膜分離流化床反應裝置，其特徵在於所述的紫外燈外罩有石英冷卻套。
全文摘要
本發明公開了一體式光催化氧化－膜分離流化床反應裝置，它包括連接在殼體內的倒Z形導流板、浸沒式膜組件，紫外燈，在殼體下部的反應區內設置有第一曝氣裝置，殼體底部為傾斜面，並且在殼體的下部分別設置有入水口和排泥口。採用本發明的裝置具有較高的傳質效率和光能利用率，能提高光催化氧化的效率，在反應裝置上部的膜組件可以將進入上部的催化劑截留在反應裝置內，並重新進入光催化氧化反應區，實現光催化劑的循環利用；當未被降解的汙染物亦被截留時，可使光催化氧化反應區汙染物的濃度得以濃縮，提高反應速度。由於膜組件採用底部曝氣形式，使膜絲發生抖動，從而可有效地防止或減輕膜汙染。
文檔編號C02F1/74GK1994545SQ20061012988
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月5日 優先權日2006年12月5日
發明者解立平, 王能亮 申請人:天津工業大學