CN101786715A - 二氧化钛预涂动态膜光催化水处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种二氧化钛预涂动态膜光催化水处理装置，主要包括预涂动态膜光催化反应器13和预反应器16。预涂动态膜光催化反应器13中设有紫外灯9-1、陶瓷膜管8及气体分布板7-1，其底部连接抽吸泵1和空压机5。预反应器16中设有紫外灯9-2及气液分布板7-2，用进水管14和出水管12连接预涂动态膜光催化反应器13和预反应器16形成回路。在悬浮式光催化反应器中加入二氧化钛预涂动态膜进行集成，不仅具有固液接触面积大，反应效率高，预涂动态膜制备简单，催化剂回收利用充分等优点，而且还能有效减缓陶瓷膜管8的污染，延长装置的运行周期，简化陶瓷膜管8的清洗再生工艺，降低运行费用。

Description

二氧化钛预涂动态膜光催化水处理装置

技术领域

本发明属于环保技术领域，具体涉及一种二氧化钛预涂动态膜光催化水处理装置。

背景技术

近年来半导体光催化高级氧化技术作为一种新型高效的废水处理技术已得到较快的发展。在紫外光或太阳光的照射下，半导体光催化剂能产生空穴，空穴再和水分子作用产生强氧化性羟基自由基，可有效氧化水中的各类有机物。该技术具有操作简单，能耗低，矿化程度高，常温常压反应，所使用催化剂无毒害、成本低廉且可反复使用等优点，其应用前景非常广阔，因而得到了国内外有关学者的高度重视。

就目前已研制开发出的各类光催化反应器而言，根据催化剂在反应器中的存在形式，可分为固定式和悬浮式两大类。其中固定式是通过一定的固定化工艺将催化剂附着在载体表面成膜和液体接触，如填充式、薄膜式光催化反应器等，其优点是催化剂回收利用简单，不影响光源的辐射深度，但其缺点是催化剂和液体的有效接触面积小，固定化过程中部分催化剂活性点容易失活，反应效率低，固定化工艺复杂，成本高。鉴于此，目前更多的采用悬浮式光催化反应器，该类型反应器是利用超细(尤其是纳米级)催化剂颗粒物分散在液体中和污染物充分接触，因此具有较高的固液接触面积，其反应效率高，但催化剂和液体的分离困难，催化剂容易流失。而利用膜分离和光催化技术集成耦合是有效解决该问题的方法之一，如ZL98111597.7、ZL00103229.1、ZL200410075505.0等，集成式光催化膜反应器在处理废水过程中不仅具有较高的固液接触面积，而且反应器中的催化剂颗粒物及未降解大分子物质可连续被分离膜截留，并重新回到反应器中，催化剂可得到充分的回收利用，被截留的大分子物质可进一步被氧化，并实现装置的连续运行。但也存在一些不足之处：在连续运行过程中，进入反应器中的有机污染物存在一定的停留时间分布，一些小分子有机物还没来得及被完全氧化就透过了分离膜随渗透液一起流出，而影响了最终处理效果；另外还有一些中小分子有机污染物没被充分氧化就进入了膜孔内，造成膜孔堵塞，特别是压差较高时，堵塞就更加严重，同时膜面会形成滤饼层，对分离膜造成严重的污染，膜通量下降明显，增加了膜组件过滤元件的更换和清洗的频率，特别是膜孔的堵塞使分离膜的清洗再生更加困难。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种二氧化钛预涂动态膜光催化水处理装置，该装置把预涂动态膜和悬浮式光催化技术进行了有效集成，具有反应效率高，催化剂回收利用充分，预涂动态膜抗污染能力强，清洗工艺简单，运行成本低廉等优点。

本发明为了实现上述目的而提供的技术方案，包括预涂动态膜光催化反应器和预反应

器，预涂动态膜光催化反应器和预反应器高度相同，两者通过进水管和出水管连接形成回路，装置中利用颗粒状二氧化钛为预涂动态膜制备材料，其粒径在0.02-1.0μm范围内，预涂动态膜光催化反应器为圆筒形，其内部中心设有紫外灯和石英玻璃管，中心周围均匀设置2-4根单通道陶瓷膜管，下部设有气体分布板，直径是预涂动态膜光催化反应器内径的0.9倍，气体分布板的底部通过法栏与抽吸泵相连。预反应器下部为倒圆锥体形，中部为圆筒形，上部为扩大段，其中部位置和出水管处于同一水平高度，预反应器中心设有紫外灯和石英玻璃管，底部设有圆形的气液分布板，，和出水管相连，其直径等于预反应器中部圆筒的半径。右上角设有溢流管和雾沫挡板。石英玻璃管旁边设有废水进水管，且两者底端齐平，并位于气液分布板的正上方。

所述的单通道陶瓷膜管根数为2-6根，其平均孔径在0.05-1.0μm范围内。

本发明的优点在于，

把预涂动态膜和悬浮式光催化技术进行了有效耦合，并设置了内循环式预反应器。运行时可根据污染物被氧化的难易程度控制阀门，以调节废水在装置中的停留时间，对不同性质的污染物都有较好的处理效果。二氧化钛预涂动态膜不仅可充当分离膜，充分回收利用装置中的超细二氧化钛催化剂，而且还可充当固定式光催化膜，一些中小分子污染物在悬浮液中即使未被完全氧化，当进入膜面浓差极化层、沉积到预涂动态膜表面或进入预涂动态膜孔内时可进一步被氧化，使得整个装置的反应效率在悬浮式光催化反应器的基础上得到进一步的提高，而这一过程又可大大降低浓差极化层厚度，减缓预涂动态膜和陶瓷膜管的堵塞。因此，二氧化钛预涂动态膜和悬浮式光催化技术的集成耦合不仅可进一步提高光催化反应效率，还可大大减缓陶瓷膜管的污染，简化陶瓷膜管的清洗再生工艺，延长装置的运行周期，大大降低运行费用。

附图说明

图1为本发明结构及物料循环流动示意图；

图2为本发明预涂动态膜光催化反应器13中A-A剖面示意图；

图3为本发明预反应器16中B-B面示意图；

附图标记说明如下：

1抽吸泵；2-1、2-2三通阀；3-1旁路阀；3-2、3-3、3-4、3-5、3-6球阀；4压力表；5空压机；6转子流量计；7-1气体分布板；7-2气液分布板；7-11布气孔；7-12气液分布孔；8陶瓷膜管；9-1、9-2紫外灯；10-1、10-2石英玻璃管；11封盖板；12出水管；13预涂动态膜光催化反应器；14进水管；15盖板；16预反应器；17废水进水管；18雾沫挡板；19溢流管

具体实施方式

参照附图1、2、3，本发明主要包括预涂动态膜光催化反应器13和预反应器16。预涂动态膜光催化反应器为圆筒形，其中心设有紫外灯，紫外灯外部套有石英玻璃管，石英玻璃管周围均匀设置2-6根单通道陶瓷膜管，陶瓷膜管平均孔径在0.05-1.0μm范围内。预涂动态膜光催化反应器下部设有圆形气体分布板，其顶部设有封盖板，其底部设有固定板及法栏。用硅橡胶密封圈和封盖板11对陶瓷膜管8上端进行则封和端封，对石英玻璃管10-1的上端进行侧封。用硅橡胶密封圈和固定板15对陶瓷膜管8下端进行侧封，陶瓷膜管8下端口和法栏相通。气体分布板的直径是预涂动态膜光催化反应器筒体半径的0.9倍，气体分布板通过管道和转子流量计连接，转子流量计再和阀门3-2相连，阀门3-2再通过三通管分别和阀门3-3和三通阀2-1相连，阀门3-3再通过三通管分别和压力表4及通空压机5相连，三通阀2-1和阀门3-3之间设有旁路管及旁路阀3-1，三通阀2-1另两端分别和法栏及抽吸泵1相连，抽吸泵1再和三通阀2-2相连，三通阀2-2另两端分别和排水管及三通管相连，三通管另两端分别和预涂动态膜光催化反应器13下部进水管14及阀门3-4相连，阀门3-4通过三通管分别和预反应器16底部出水管及阀门3-5相连。预涂动态膜光催化反应器13上部出水管12和预反应器16下部设置的圆形气液分布板7-2相连。预反应器16下部为倒圆锥体形，中部为圆筒形，上部为扩大段，其整体高度和预涂动态膜光催化反应器13的高度相等，其中部位置和出水管12处于同一高度。预反应器16右上角设有溢流管19和雾沫挡板18，其上部中心位置装有紫外灯9-2，紫外灯9-2外部套有石英玻璃管10-2，石英玻璃管10-2旁边设有废水进水管17，废水进水管17和阀门3-6相连。石英玻璃管10-2和废水进水管17底端平齐，并位于气液分布板7-2的正上方，气液分布板7-2直径等于预反应器16中部圆筒的半径。

工作原理：

(1)二氧化钛预涂动态膜制备阶段关闭阀门3-5、紫外灯9-1和9-2，打开阀门3-2、3-3和3-4，调节三通阀2-1使其左端和上端相通，右端截止，调节三通阀2-2使其右端和上端相通，左端截止。打开阀门3-6，向预反应器16加入超细二氧化钛悬浮液，当液位升至预反应器16扩大段起始位置时，关闭阀门3-6停止加液，悬浮液浓度值范围在0.2-0.7g/l内，二氧化态粒径范围在0.01-1.0μm内。再打开空压机5和抽吸泵1，并通过旁路阀3-1调节进气流量和压力，在气流的作用下，二氧化钛悬浮液在两个反应器之间进行循环流动，则陶瓷膜管8外壁面可形成一定的错流速度，气体从溢流管19排出。在负压抽吸作用之下，超细二氧化颗粒物被陶瓷膜管8截留，渗透液进入陶瓷膜管8内腔，再流经法栏、抽吸泵1及三通阀2-2后再进入预涂动态膜光催化反应器13内，以维持反应装置中的水量基本不变。连续运行40分钟后，陶瓷膜管8外壁面可形成具有分离与光催化作用的二氧化钛预涂动态膜。

(2)废水处理阶段预涂动态膜制备完后，调节三通阀2-2使其左右端相通，上端截止，并打开紫外灯9-1和9-2，再打开阀门3-6让废水靠自身重力从废水进水管17连续流进预反应器16内。在气流的作用下，废水混合液在预反应器16中形成内循环流动模式，在两个反应器之间形成外循环流动模式，污染物在紫外光、悬浮超细二氧化钛及二氧化钛预涂动态膜的作用下，可得到较为充分的氧化，而悬浮超细二氧化钛催化剂被充分回收利用，渗透清液进入陶瓷膜管8内腔，再流经法栏、抽吸泵1及三通阀2-2排出。在初始阶段随时观测渗透清液中污染物残留量，以判断污染物被氧化的难易程度，并根据渗透清液中污染物残留情况调节阀门3-1、3-4及3-6和抽吸泵1的转速，以改变进气量、废水流进量及跨膜压差，达到调节污染物在反应器中的停留时间的目的，以确保良好的处理效果。另外，当渗透清液流量达到基本稳定时，可仅适当调节阀门3-6使废水流进量和渗透清液流量基本相当，以实现装置的连续稳定运行。

(3)膜清洗过程，经过长时间连续运行后，若渗透清液流量下降十分明显，则预涂动态膜层和陶瓷膜管8已被污染，这时必须对污染膜进行清洗再生。利用气体反冲时，停抽吸泵1，关闭紫外灯9-1、9-2和阀门3-2、3-5、3-6，打开阀门3-3和3-4，调节三通阀2-1使其右上端相通，左端截止。打开空压机5，通过旁路阀3-1调节反冲气压力，反冲洗5分钟即可。反冲气冲洗完毕后，若要用清洗液进行反冲，可先停空压机5，关闭阀门3-3，打开旁路阀3-1，让清洗液从旁路管和旁路阀3-1流进陶瓷膜管8内腔，以达到反冲洗的目的。清洗完毕后可打开排放阀3-5，把反应器中的清洗废液排出。

实施例一：

利用上述装置处理甲基橙废水，废水浓度为0.8g/l，pH值为4.2，采用20-100W高压汞灯，装置中两个反应器的有效反应体积为5-8升，向其中加入6克锐钛矿晶型TiO₂，TiO₂平均粒径为0.2μm。所用陶瓷膜材料为Al₂O₃，陶瓷膜管3根，其平均孔径为0.1μm，长度为30cm，外径为13mm，内径为9mm，反应温度在25-30℃，抽吸负压稳定在0.06-0.08MPa范围内，进气气速(已校正)稳定在15-30L/min，气体反冲压力为0.4MPa，气体反冲洗时间为8s。在上述条件下，先制备预涂动态膜，接着处理甲基橙废水，最后进行膜的清洗与再生，而完成一个运行周期。在处理甲基橙废水时每隔10分钟监测出水中甲基橙和TiO₂的浓度及膜通量。监测结果表明：甲基橙的平均去除率达98％以上，TiO₂催化剂截留率可达99.9％以上，膜通量保持在200L.m^-2.h左右，运行周期可达15-30小时。

实施例二：

利用上述装置处理甲基橙废水，废水浓度为0.9g/l，pH值为4.3，采用20-100W高压汞灯，装置中两个反应器的有效反应体积为5-8升，向其中加入7克锐钛矿晶型TiO₂，TiO₂平均粒径为0.2μm。所用陶瓷膜材料为Al₂O₃，陶瓷膜管4根，其平均孔径为0.1μm，长度为30cm，外径为13mm，内径为9mm，反应温度在25-30℃，抽吸负压稳定在0.06-0.08MPa范围内，进气气速(已校正)稳定在15-30L/min，气体反冲压力为0.4MPa，气体反冲洗时间为8s。在上述条件下，先制备预涂动态膜，接着处理甲基橙废水，最后进行膜的清洗与再生，而完成一个运行周期。在处理甲基橙废水时每隔10分钟监测出水中甲基橙和TiO₂的浓度及膜通量。监测结果表明：甲基橙的平均去除率达98％以上，TiO₂催化剂截留率可达99.9％以上，膜通量保持在200L.m^-2.h左右，运行周期可达15-30小时。

实施例三：

利用上述装置处理甲基橙废水，废水浓度为0.7g/l，pH值为4.1，采用20-100W高压汞灯，装置中两个反应器的有效反应体积为5-8升，向其中加入5克锐钛矿晶型TiO₂，TiO₂平均粒径为0.2μm。所用陶瓷膜材料为Al₂O₃，陶瓷膜管2根，其平均孔径为0.1μm，长度为30cm，外径为13mm，内径为9mm，反应温度在25-30℃，抽吸负压稳定在0.06-0.08MPa范围内，进气气速(已校正)稳定在15-30L/min，气体反冲压力为0.4MPa，气体反冲洗时间为8s。在上述条件下，先制备预涂动态膜，接着处理甲基橙废水，最后进行膜的清洗与再生，而完成一个运行周期。在处理甲基橙废水时每隔10分钟监测出水中甲基橙和TiO₂的浓度及膜通量。监测结果表明：甲基橙的平均去除率达98％以上，TiO₂催化剂截留率可达99.9％以上，膜通量保持在200L.m^-2.h左右，运行周期可达15-30小时。

Claims (5)

1.一种二氧化钛预涂动态膜光催化水处理装置，主要包括预涂动态膜光催化反应器(13)和预反应器(16)，其特征在于：预涂动态膜光催化反应器(13)和预反应器(16)高度相同，两者通过进水管和出水管连接形成回路，装置中利用颗粒状二氧化钛为预涂动态膜制备材料，其粒径在0.02-1.0μm范围内，预涂动态膜光催化反应器(13)为圆筒形，其内部中心设有紫外灯和石英玻璃管，中心周围均匀设置2-4根单通道陶瓷膜管(8)，下部设有气体分布板(7-1)，底部通过法栏和抽吸泵(1)相连，预反应器(16)下部为倒圆锥体形，中部为圆筒形，上部为扩大段，其中部位置和出水管处于同一水平高度，预反应器(16)中心设有紫外灯和石英玻璃管，底部设有气液分布板(7-2)，右上角设有溢流管(19)和雾沫挡板(18)。

2.根据权利要求1所述二氧化钛预涂动态膜光催化水处理装置，其特征在于：所述的单通道陶瓷膜管(8)根数为2-6根，其平均孔径在0.05-1.0μm范围内。

3.根据权利要求2所述的二氧化钛预涂动态膜光催化水处理装置，其特征在于，所述的气体分布板(7-1)为圆形，其直径是预涂动态膜光催化反应器(13)内径的0.9倍。

4.根据权利要求3所述的二氧化钛预涂动态膜光催化水处理装置，其特征在于，所述的气液分布板(7-2)为圆形，和出水管相连，其直径等于预反应器(16)中部圆筒的半径。

5.据权利要求4所述的二氧化钛预涂动态膜光催化水处理装置，其特征在于，所述预反应器(16)中心的石英玻璃管旁边设有废水进水管(17)，且两者底端齐平，并位于气液分布板(7-2)的正上方。

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