CN100444945C - 一体式光催化氧化-膜分离流化床反应装置 - Google Patents

一体式光催化氧化-膜分离流化床反应装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一体式光催化氧化—膜分离流化床反应装置，它包括连接在壳体内的倒Z形导流板、浸没式膜组件，紫外灯，在壳体下部的反应区内设置有第一曝气装置，壳体底部为倾斜面，并且在壳体的下部分别设置有入水口和排泥口。采用本发明的装置具有较高的传质效率和光能利用率，能提高光催化氧化的效率，在反应装置上部的膜组件可以将进入上部的催化剂截留在反应装置内，并重新进入光催化氧化反应区，实现光催化剂的循环利用；当未被降解的污染物亦被截留时，可使光催化氧化反应区污染物的浓度得以浓缩，提高反应速度。由于膜组件采用底部曝气形式，使膜丝发生抖动，从而可有效地防止或减轻膜污染。

Description

一体式光催化氧化-膜分离流化床反应装置
技术领域
本发明涉及一反应装置，本发明尤其涉及一种一体式光催化氧化-膜分离流化床反应装置。
背景技术
光催化氧化技术具有以下优点：(1)水中所含多种有机污染物质均可被无选择完全降解为几乎无危害的CO2、H2O等；(2)不需要另外的电子受体(如H2O2)；(3)光催化剂具有廉价、无毒、稳定以及重复使用等优点；(4)反应条件温和，对反应温度、pH值没有什么特殊的要求；(5)光催化反应操作条件容易控制、氧化能力强。
目前光催化氧化技术所面临的主要问题之一是光催化氧化反应装置的优化设计及光催化氧化过程的最佳操作，因此，开发高效多功能集成式实用光催化氧化反应装置将是该领域研究的重要内容之一，并将成为新型有效的水处理技术手段，尤其在低浓度难降解有机废水的处理方面更将发挥重要作用。
目前集成式光反应装置的种类按催化剂存在状态分为3种，且这几种反应装置均有各自的优、缺点。
(1)悬浮式光催化反应装置：这类反应装置通常是将光催化剂粉末加到所要处理的溶液中，它的优点是在反应中污染物容易和光催化剂接触，不存在质量传输的限制，但也存在不足，即处理效率不高，当提高催化剂的浓度时会造成悬浮液浑浊，影响光的穿透，降低光效率；此外催化剂与液体分离困难，而采用传统的沉淀、凝聚、离心分离等手段获得的分离物均为大的块体或颗粒聚集体，使反应系统不能连续运转，同时必须对光催化剂进行再处理及重新分散，降低了反应系统的处理效率，并增加了处理费用。
(2)镀膜催化剂反应装置：这类反应装置的催化剂主要是以膜的形式存在，如将二氧化钛光催化剂涂抹在反应装置的内外壁、灯管壁、不锈钢片、光导纤维材料等上面，催化剂膜在紫外光的照射下，将吸附在膜表面的污染物降解、矿化。它的最大特点就是不需要对催化剂进行分离，但是反应容易受到传质的限制。
(3)填充床式光催化反应装置：这类反应装置通常是反应装置内填充二氧化钛颗粒或者表面涂有二氧化钛膜的硅胶、氧化铝、石英砂和玻璃珠等，这些载体通常是具有二维表面的，系结构紧密且具有多孔结构的颗粒。由于它有效地让光通过，并且有较高比表面积，适用于具有较高传质能力的反应系统中。这类反应装置的不足之处是颗粒之间的碰撞会造成膜的脱落，光的利用率较低。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种一体式光催化氧化-膜分离流化床反应装置，该反应装置既具有良好的传质性能，又可有效地实现水、催化剂的分离，同时亦兼有良好的光照射分布。
本发明的一体式光催化氧化-膜分离流化床反应装置，它包括壳体，它还包括连接在所述的壳体内的
Figure C20061012988100041
形导流板，在所述的形导流板的上侧面、倾斜面上部与所述的壳体侧壁之间构成的区域内设置有浸没式膜组件，在所述的导流板的
Figure C20061012988100043
形的下侧面、倾斜面下部与所述的壳体侧壁之间构成的反应区域内的壳体底部设置有一个或多个紫外灯，所述的紫外灯外罩有石英冷却套，在所述的壳体下部的反应区内设置有沿水平方向放置的第一曝气装置，所述的壳体底部为倾斜面，并且其下部分别设置有入水口和排泥口。
采用本发明的装置在废水处理时具有以下效果：
(1)在曝气气流的搅动下，在反应装置底部光催化剂、污染物、入射光能实现充分的混合与接触，污染物被有效地分解，因而具有较高的传质效率和光能利用率，提高光催化氧化的效率。
(2)在反应装置上部膜分离区的膜组件可以将进入上部的催化剂截留在反应装置内，并重新进入光催化氧化反应区，实现光催化剂的循环利用；当未被降解的污染物亦被截留时，可使光催化氧化反应区污染物的浓度得以浓缩，提高反应速度。
(3)由于膜组件采用底部曝气形式，使膜丝发生抖动，从而可有效地防止或减轻膜污染。
附图说明
图1为本发明的一体式光催化氧化-膜分离流化床反应装置的结构示意图；
图2为图1所示装置的Z-Z剖视图；
图3为图1所示装置的S-S剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作以详细描述。
如附图所示本发明的一体式光催化氧化-膜分离流化床反应装置，它包括壳体1、连接在所述的壳体内的
Figure C20061012988100051
形导流板，在所述的
Figure C20061012988100052
形导流板的上侧面2、倾斜面3上部与所述的壳体侧壁之间构成的区域内设置有浸没式膜组件4，膜组件可以采用帘式膜或U形膜等并可以在市场购得，出水口12与膜组件相连，在所述的导流板的形的下侧面5、倾斜面3下部与所述的壳体侧壁之间构成的反应区域内的壳体底部设置有一个或多个紫外灯6，所述的紫外灯外罩有石英冷却套7，在所述的壳体下部的反应区内设置有沿水平方向放置的第一曝气装置8，所述的壳体底部9为倾斜面并且其下部设置有入水口10和排泥口11。壳体底部9的倾斜面的倾角可根据需要确定。所述的壳体下部反应区内最好设置有沿垂直方向放置的第二曝气装置12。
如图1所示该发明装置分为A1，A2，A3，A4，A5五个区域，其工作原理如下：
在曝气气流作用下，由入水口10进入反应装置的废水与光催化剂迅速混合，催化剂、废水、气体在A1反应区形成三相流化床反应体系，使光催化剂与废水中的污染物充分接触，并在紫外灯6的照射下污染物被有效氧化分解，缩短了废水的处理时间，相应地增加了处理水量；曝气系统同时为光催化氧化反应提供氧气。在导流板3及曝气装置8、12的曝气气流作用下，气流进入A2区域并上升，使得在A2区域内产生上升水流，与所述的
Figure C20061012988100061
形导流板上侧面相对的上升水流区域A2处的壳体的侧壁最好为倾斜面。由于A2上部壳体侧壁为倾斜面，其截面积增大，使上升水流流速减小，实现进入A2区的光催化剂在重力作用下返回到A1区，而上升水流则进入A3区。
A3区的膜组件将进入该区的光催化剂截留(在一定条件下将未降解的污染物可同时截留)，处理水由出水口12排出。在所述的导流板的倾斜面3与所述的膜组件4底部之间最好沿水平方向设置有第三曝气装置13，曝气装置13产生的曝气气流使膜丝抖动，膜丝表面在汽泡剪切力的作用下，可以达到防止或减轻光催化剂、污染物等的附着，从而避免或减轻膜污染。
进入A4区域的混合液形成下降流进入A5区域内，同时根据曝气装置13的曝气强度亦可能有部分混合液进入A3区域内，在A3与A4区域内产生一个小的混合液循环。混合液通过A5区进入A1区继续进行光催化氧化反应。
反应装置长期运行时在A1区底部产生污泥等杂质，为此可将排泥口1 1打开，由入水口10进水冲刷倾斜面，将杂质排出。
由于紫外灯产生热量将影响整个反应体系的温度，所以在紫外灯外可根据使用需要设置冷却装置，以控制反应装置的温度。
本发明提出的一体式光催化氧化-膜分离流化床反应装置的特征：
1.光催化氧化与膜分离实现一体式组合，采用具有多孔结构、粉末状的催化剂与待处理水混合形成悬浮催化剂的混合液，并在曝气气流作用下形成气、液、固三相流化床反应体系。
2.光催化氧化在反应装置底部，水流经过中部导流板进入上部反应区，不需要管线、泵阀的输送，节省电能。
3.紫外灯直接置入下部反应区，产生的光可被催化剂有效利用。
4.两个反应区分别设置曝气装置，并实现分别控制。
5.膜分离区的膜组件可以使处理后的水与催化剂颗粒有效分离，实现光催化剂在反应装置内的循环利用；同时在一定条件下(即根据膜过滤类型)亦可将未分解污染物质截留，使反应装置内污染物浓度浓缩，提高光催化氧化反应速度。
本发明的光催化氧化区与膜分离区采用上下组合的方式，光催化氧化区在反应装置的下部，膜分离区在反应装置的上部，中间设有导流板实现光催化氧化区与膜分离区的分离。入水口10在反应区的底部，出水口12与膜分离单元相连。反应装置上部设有一缓冲区A2，有助于夹带的催化剂颗粒与上升水流之间的分离，并返回到下部光催化氧化反应区。
本发明底部设有曝气系统，主要作用使催化剂呈悬浮状态，形成气、水、固三相流化床反应体系，并为光催化氧化反应提供氧气，同时实现反应装置中水体的循环。膜装置底部曝气气流使膜丝抖动，避免或减轻膜污染。
本发明底部倾斜设计并设有排泥口。
本发明中部设有导流板，引导曝气气流的流动，并避免或减少光催化剂进入上部反应区。

Claims (3)

1.一体式光催化氧化-膜分离流化床反应装置，它包括壳体，其特征在于：它还包括连接在所述的壳体内的
Figure C2006101298810002C1
形导流板，在所述的形导流板的上侧面、倾斜面上部与所述的壳体侧壁之间构成的区域内设置有浸没式膜组件，在所述的导流板的
Figure C2006101298810002C3
形的下侧面、倾斜面下部与所述的壳体侧壁之间构成的反应区域内的壳体底部设置有一个或多个紫外灯，所述的紫外灯外罩有石英冷却套，在所述的壳体下部的反应区内设置有沿水平方向放置的第一曝气装置，所述的壳体底部为倾斜面，并且其下部分别设置有入水口和排泥口。
2.根据权利要求1所述的一体式光催化氧化-膜分离流化床反应装置，其特征在于：所述的壳体下部反应区内设置有沿垂直方向放置的第二曝气装置，在所述的导流板的倾斜面与所述的膜组件底部之间沿水平方向设置有第三曝气装置。
3.根据权利要求1所述的一体式光催化氧化-膜分离流化床反应装置，其特征在于：与所述的
Figure C2006101298810002C4
形导流板上侧面相对的上升水流区域处的壳体的侧壁为倾斜面。
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