CN101786690A - 一种用于水处理的径向超声协同光催化反应装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于水处理的径向超声协同光催化反应装置，它的主体是一个圆桶状的不锈钢曝气池，曝气池内，底部有曝气管和进水管，曝气管通过U形管与曝气池外的风机相连，进水管与曝气池外的水泵相连，曝气池底部有放水管和放水阀门，曝气池有一曝气池盖，曝气池盖上中央有超声探头安装孔，垂直安装有超声探头，使超声径向辐射，在曝气池盖上，超声探头的周围均匀分布垂直地安装有紫外灯套管。本发明的优点是：将径向超声引入到水处理领域，实现了径向超声和紫外光辐射的一体化联用；工艺参数可调易控，便于实现水处理工艺的自动运行；径向超声对紫外催化降解表现出显著的协同效应。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于水处理的径向超声协同光催化反应装置。
背景技术
随着以二氧化钛为代表的光催化材料和各种光催化反应器的研究深入，作为一种高级氧化技术，光催化日益在水处理领域得到了更为广泛的应用。[Braham，Rowan J.，Harris，Andrew T.，Review of Major Design and Scale-up Considerations for Solar PhotocatalyticReactors，Industrial&Engineering chemistry research，48(2009)，8890-8905]，[O.M.Alfano，D.Bahnemann，A.E.Cassano，R.Dillert，R.Goslich，Photocatalysis in water environmentsusing artificial and solar light，Catalysis Today 58(2000)199-230]
催化剂在光催化反应器中有悬浮态和固定态两种存在形式。以悬浮态存在时，催化剂与污染物接触面积大，但催化剂容易团聚、失活且回收困难。以固定态存在时，催化剂负载在载体上，这样虽然可减少聚集、方便分离和回收，但只有与液相接触部分催化剂参加反应，活性也会降低。最先在水体中有机物光降解研究和实际水处理中得以应用的是固定态的平板型或浅池型光催化反应器(Hoffmann R M et al.EvironmentalApplications of Semiconductor Photocatalysis.Chem.Rev.，(95)1995，69-96)，但该类光催化反应器存在水力负荷较低或占地面积大的缺陷，限制了其在大规模污水处理领域中的应用。悬浮态的异相光催化浆式反应器的深入研究并逐渐投入应用克服了上述缺陷，有效地提高了水力负荷与效能比，[Alberto E.Cassano，Orlando M.Alfano，Reactionengineering of suspended solid heterogeneous photocatalytic reactors，Catalysis Today58(2000)167-197)]，随着能满足悬浮态浆式反应要求的新型光催化剂的开发，[XiaoboChen，Samuel S.Mao，Titanium Dioxide Nanomaterials：Synthesis，Properties，Modifications，and Applications，Chem.Rev.107(2007)，2891-2959]，该类反应器表现出良好的应用前景。
新型多项光催化反应器的研究与设计是推动光催化技术进一步实用化和提高效能的过程中需要解决的关键问题之一，基于协同效应的原理，采用多种技术的联用是实现这一目标的重要途径，其中，超声与光催化的联合降解的水处理方法表现出显著的增强效应。[Collin G.Joseph et a，Sonophotocatalysis in advanced oxidation process：A shortreview.Ultrasonics Sonochemistry 16(2009)583-589]
所谓超声光催化技术，就是光辐射和超声辐射条件下，半导体光敏催化剂(如二氧化钛)被光激发出电子一空穴对，而吸附在半导体表面的水及污染物的分子接受光电子对一空穴对，同时超声对光催化剂表面起到活化作用，也能直接分解水分子产生羟基自由基，从而对水体中的有毒有害污染物发生氧化还原作用，实现降解或者完全去除的一种水处理方法。[Yusuf G.Adewuyi，Sonochemistry in Environmental Remediation.1.Combinative and Hybrid Sonophotochemical Oxidation Processes for the Treatment ofPollutants in Water，Environ.Sci.Technol.(39)2005，3409-3420；Yusuf G.Adewuyi，Sonochemistry in Environmental Remediation.2.Heterogeneous SonophotocatalyticOxidation Processes for the Treatment of Pollutants in Water，Environ.Sci.Technol.(39)2005，8557-8570]
超声技术在水处理中的应用也有了很长的一段历史，主要的超声源是平板型超声换能器和探头式轴向功率超声，前者在清洗行业已经获得广泛应用，后者主要用于细胞破碎、材料制备超声化学反应等实验室研究领域。选择能与光催化产生协同效应的的超声发生装置主要应考虑声强大小、频率范围和超声场的分布均匀性等几个因素，而上述两种超声发生设备均不能很好的满足与光催化联用的要求。随着超声换能器件的发展，近年来出现了径向超声换能器，并在中药萃取等领域取得了良好的应用效果。目前，单独径向超声降解有机物以及径向超声协同光催化降解有机物在水处理领域上均未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于水处理的径向超声协同光催化反应装置。其结构简单，能耗小，对污染物的催化降解效率高。
本发明的技术方案如下：
一种用于水处理的径向超声协同光催化反应装置，它的主体是一个圆桶状的不锈钢曝气池，曝气池内，底部有曝气管和进水管，曝气管通过U形管与曝气池外的风机相连，进水管与曝气池外的水泵相连，曝气池底部有排空管和排空阀门，曝气池有一曝气池盖，曝气池盖上中央有超声探头安装孔，垂直安装有超声探头，使超声径向辐射，在曝气池盖上，超声探头的周围均匀分布有3-6个紫外灯套管安装沟槽，垂直地安装紫外灯套管。
上述的反应装置，所述的曝气池池底为光滑锥底，以减少反应液的流动死角，并有助于检修维护阶段的排泥清淤。
上述的反应装置，所述的曝气管可以是主管上有多个支管均匀地分布在曝气池底部，支管上分布有多个朝下的出气孔，以保证曝气均匀并对悬浮体系提供足够的搅拌分散力。
上述的反应装置，所述的曝气管可以由聚氯乙烯材料制成。
上述的反应装置，所述的曝气管与风机相连的U形管路上可以安装有气体流量计。
上述的反应装置，所述的进水管与水泵相连的管路上可以安装有进水流量计。
上述的反应装置，所述的紫外灯与超声探头间的距离可通过调整紫外灯套管在盖子上的沟槽中的位置，在100mm～400mm的范围内可调。
上述的反应装置，所述的径向超声的功率在200-600w围内可调。
上述的反应装置，所述的紫外灯的总功率为60-300w。
上述的反应装置，所述的曝气池，在其上部高于超声探头的辐射杆部分的侧壁上有溢流槽，便于以连续方式进行水处理。
上述的反应装置，所述的溢流槽底部可以安装有磁分离装置，以满足磁性光催化剂的在线分离的要求。
上述的反应装置，所适用的光催化剂可以是颗粒状二氧化钛，也可以是内含磁核的磁性光催化剂或其他负载型复合光催化剂，悬浮态光催化剂可以采用过滤、沉淀或磁分离的方法分离后循环利用。
本发明的优点主要有以下几点：
1.将径向超声引入到水处理领域，实现了径向超声和紫外光辐射的联用。
2.工艺参数可调易控，便于实现水处理工艺的自动运行。
3.即可间歇运转又可连续运行，反应停留时间可以通过进水阀调节流量得以实现，可以满足不同水质条件的污染物的处理要求。
4.采用悬浆式多相催化反应体系，合理的曝气装置的设计，以及超声对悬浮体系的分散与活化作用，最大程度保证了光催化效应。
5.径向超声对紫外催化处理难降解有机物表现出显著的协同效应。
附图说明
图1为本发明用于水处理的径向超声协同光催化反应装置的结构示意图，图1a为曝气池盖示意图，图1b为曝气管示意图，其中1为曝气池；2为曝气管；3为风机；4为进水管；5为水泵；6为气体流量计；7为进水流量计；8为溢流槽；9为电控箱；10为曝气池盖；11为紫外灯套管安装沟槽；12为超声探头安装孔，13为池盖手柄，14为池盖挂钩。15为径向超声发生器，16为紫外光触发镇流器。
具体实施方式
本发明的用于水处理的径向超声协同光催化反应装置如图1所示，本发明装置适用于废水的深度净化，可按照间歇和连续两种方式运行。
间歇方式：即预处理后的废水经由磁力驱动泵，由进水调节槽(图1中省略)泵入径向超声协同光催化反应器，液位浸没超声探头的辐射杆部分后停止进水，催化剂和其它辅助药剂根据所需投加量配制一定浓度在加药槽(图1中省略)中，搅拌分散，由计量泵自反应器顶部直接投加，开启曝气泵，在较大曝气量(1.5～2.5m3/min)下充分搅拌至催化剂在水相中分散均匀。调节曝气量至0.2～1.0m3/min，设置超声功率和扫频工作方式，设置光源的波长和功率，开启超声和紫外光源，开始反应。反应结束后，依次关闭进气阀、超声、光源和气泵，处理后废水自反应器底部阀门排放。
连续方式：预处理后的废水经由磁力驱动泵，按照一定流量，由进水调节槽中泵入径向超声协同光催化反应器，催化剂和其它辅助药剂根据所需投加量配制一定浓度在加药槽中，搅拌分散，按照与进水流量相应比例，由计量泵连续泵入反应器底部，的高度调节至低于溢流槽出口位置。开启曝气泵，调节曝气量至0.2～1.0m3/min，设置超声功率和扫频工作方式，设置光源的波长和功率，开启超声和紫外光源，开始反应。反应结束后，依次关闭进气阀、超声、光源和气泵，处理过的废水溢流排放。
在直径为300mm，高度为400mm的上述曝气池中，以典型难降解染料亚甲基蓝(MB)为模拟废水，配制20升含有10ppm亚甲基蓝的水溶液，以德固赛二氧化钛P25为催化剂，每升亚甲基蓝MB水溶液投加催化剂量为0.05g，以波长为254nm，功率为60W的四支紫外灯作为光源，径向超声功率设定在200W，超声工作方式为扫频(20kHz～23kHz)，曝气量为0.2m3/min，反应时间为1h，紫外吸收光谱表征其降解率，径向超声对紫外催化降解表现出显著的协同效应，降解率由单独光催化的50％提高到径向超声协同光催化的85％。
Claims (10)
1.一种用于水处理的径向超声协同光催化反应装置，其特征是：它的主体是一个圆桶状的不锈钢曝气池(1)，曝气池(1)内，底部有曝气管(2)和进水管(4)，曝气管(2)通过U形管与曝气池外的风机(3)相连，进水管(4)与曝气池外的水泵(5)相连，曝气池(1)底部有排空管和排空阀门，曝气池(1)有一不锈钢的曝气池盖(10)，曝气池盖(10)的中心位置有超声探头安装孔(12)，垂直安装有超声探头，在曝气池盖(10)上，超声探头的周围均匀分布有3-6个紫外灯套管安装孔(11)，垂直地安装紫外灯套管。
2.根据权利要求1所述的反应装置，其特征是：所述的曝气池(1)池底为光滑锥底。
3.根据权利要求1所述的反应装置，其特征是：所述的曝气管(2)是主管上有多个支管均匀地分布在曝气池底部，支管上分布有多个开孔朝下的曝气孔。
4.根据权利要求3所述的反应装置，其特征是：所述的曝气管(2)由聚氯乙烯材料制成。
5.根据权利要求1所述的反应装置，其特征是：所述的紫外灯与超声探头间的距离通过调整紫外灯套管在盖子上的沟槽中的位置，在100mm～400mm的范围内可调。
6.根据权利要求1所述的反应装置，其特征是：径向超声的功率在200～600W的范围内可调。
7.根据权利要求1所述的反应装置，其特征是：所述的紫外灯的总功率为60-300w。
8.根据权利要求1所述的反应装置，其特征是：所述的曝气池(1)，在其上部高于超声探头的辐射杆部分的侧壁上有溢流槽(8)。
9.根据权利要求8所述的反应装置，其特征是：所述的溢流槽(8)底部安装有磁分离装置，以满足磁性光催化剂的在线分离的要求。
10.根据权利要求1所述的反应装置，其特征是：所适用的光催化剂是颗粒状二氧化钛、内含磁核的磁性光催化剂或其他负载型复合光催化剂，悬浮态光催化剂采用过滤、沉淀或磁分离的方法分离后循环利用。
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- 2010-03-18 CN CN2010101275249A patent/CN101786690B/zh not_active Expired - Fee Related
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