CN101875001B

CN101875001B - 光催化氧化-膜分离循环流化床反应装置

Info

Publication number: CN101875001B
Application number: CN2009102291015A
Authority: CN
Inventors: 解立平; 刘艳
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2029-12-10
Also published as: CN101875001A

Abstract

本发明公开了光催化氧化-膜分离循环流化床反应装置，它包括光催化反应器和膜分离循环反应器，光催化反应器包括光催化反应器壳体，膜分离循环反应器包括设置在光催化反应器壳体侧面上部的膜分离循环反应器壳体，在光催化反应器壳体内设置有紫外光源，在膜分离循环反应器壳体内设置有浸没式膜组件，浸没式膜组件与出水口相连，在光催化反应器壳体下部分别设置有入水口和排泥口，光催化反应器壳体和膜分离循环反应器壳体的上部和底部分别通过连接管和循环管相连通，在光催化反应器壳体下部以及膜分离循环反应器壳体内浸没式膜组件下部分别设置有第一、二曝气装置。采用本装置具有较高的传质效率和光能利用率，大大提高光催化氧化反应的效率。

Description

光催化氧化-膜分离循环流化床反应装置

技术领域

本发明涉及一种反应装置，本发明尤其涉及一种集成式光催化氧化-膜分离反应装置。

背景技术

光催化氧化技术以其氧化能力强、二次污染小、操作简单等优点而成为处理难降解废水的有效方法，其中尤以TiO2光催化技术的研究和应用较多；而TiO2光催化技术所面临的主要问题之一是在机理和实际废水催化氧化动力学研究的基础上开发新型集成式光催化反应器以及对所开发的反应器进行优化设计。因此，高效多功能集成式实用光催化反应器的开发，将会促进TiO2光催化技术在废水处理领域的应用，特别是在难降解有机废水处理及饮用水中三致物质的去除方面具有重要的应用前景。

目前集成式光催化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；并且难以实现催化剂的分离、回收和重复利用，废水处理成本昂贵。

(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、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，但是传质受到限制，反应器处理能力小。

(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，可以有效地让光通过，并且有较高比表面积，反应可不受传质的限制，但不足之处是颗粒之间的碰撞可能会造成膜的脱落，光的利用率较低，且催化剂的更换非常困难。

一些研究者通过将光催化氧化与膜技术耦合用于解决悬浮式光催化反应装置在应用过程中所面临的催化剂分离、回收难问题，以期推动技术优点突出、应用前景明显的该类反应器的实际应用。然而，由于有机膜表面长时间被紫外灯照射并在光催化剂作用下会造成膜材料的分解，使得有机膜分离与光催化耦合工艺一般为分置式的，而一体式耦合工艺中则普遍采用无机膜。

基于有机膜具有分离效率高、设备简单、易操作、能耗少等优点，而一体式耦合工艺则具有结构简单、投资小、占地面积少等特点，专利号为ZL200610129881.2、发明名称为“一体式光催化氧化-膜分离流化床反应器”的专利公开了一种反应器，该反应器分为下部的光催化氧化反应区和上部的膜分离区，两个区由倒Z形导流板分开，颗粒催化剂经膜分离装置分离后在循环水流的作用下实现分离、回收和重复利用的目的。该反应器具有光催化氧化反应速度快、易于实现工业化推广和应用等优点；然而，由于反应器中光催化氧化反应区的体积较小，使得反应器的处理能力受到一定的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光催化氧化-膜分离循环流化床反应装置，该反应装置不仅具有良好的传质性能，而且可有效地实现催化剂分离、回收和重复利用，同时亦兼有良好的光照射分布，可有效提高反应器的废水处理能力。

本发明的光催化氧化-膜分离循环流化床反应装置，它包括光催化反应器和膜分离循环反应器，所述的光催化反应器包括光催化反应器壳体，所述的膜分离循环反应器包括设置在所述的光催化反应器壳体侧面上部的膜分离循环反应器壳体，在所述的光催化反应器壳体内设置有多个紫外光源，在所述的膜分离循环反应器壳体内设置有浸没式膜组件，所述的浸没式膜组件与出水口相连，在所述的光催化反应器壳体下部分别设置有入水口和排泥口，所述的光催化反应器壳体和膜分离循环反应器壳体的上部和底部分别通过连接管和循环管相连通，在所述的光催化反应器壳体下部以及膜分离循环反应器壳体内浸没式膜组件下部沿水平方向分别设置有第一、二曝气装置。

采用本发明装置在废水处理时具有以下效果：

(1)在曝气气流的作用下，催化剂、废水、气泡在光催化反应器中可实现充分的混合与接触，并在紫外光的作用下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，大大提高光催化氧化反应的效率。

(2)膜分离循环反应器的膜组件可以将催化剂截留在该反应器中，同时通过采用适当类型的膜组件(如采用可截留废水中某一污染组分的膜组件)亦可将未被降解的污染物截留。

(3)通过循环管将膜分离循环反应器中被截留的催化剂和污染物返回光催化反应器，实现催化剂在反应系统中的循环利用，且可通过循环管中设置的阀门和第三曝气装置促进这种循环；通过控制适当的光催化氧化预处理时间和膜出水通量等操作条件，有利于实现控制光催化反应器中污染物的适宜浓度，以期提高反应速度。

(4)本发明装置既可进行间歇反应操作，亦可进行连续操作。

(5)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为本发明的光催化氧化-膜分离循环流化床反应装置的结构示意图；

图2为图1所示装置的A-A剖视图；

图3为图1所示装置的B-B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详细描述。

如附图所示本发明的光催化氧化-膜分离循环流化床反应装置，它包括光催化反应器1和膜分离循环反应器6，所述的光催化反应器包括光催化反应器壳体，所述的膜分离循环反应器包括设置在所述的光催化反应器壳体侧面上部的膜分离循环反应器壳体，在所述的光催化反应器壳体内设置有多个紫外光源，在所述的膜分离循环反应器壳体内设置有浸没式膜组件5，所述的浸没式膜组件与出水口14相连，所述的光催化反应器壳体下部分别设置有入水口13和排泥口15，所述的光催化反应器壳体和膜分离循环反应器壳体的上部和底部分别通过连接管4和循环管8相连通，在所述的光催化反应器壳体下部以及膜分离循环反应器壳体内浸没式膜组件下部沿水平方向分别设置有第一、二曝气装置12、7。所述的紫外光源可以包括紫外灯3，所述的紫外灯既可以固定在光催化反应器壳体底部，亦可在反应器壳体顶部或侧面等位置进行灵活布置，且可均匀或非均匀分布设置，灯管外可装有石英套或石英冷阱套2。

膜组件可以采用帘式膜或其它膜组件。

在循环管中可安装有阀门10和第三曝气装置9。所述的光催化反应器底面11可设置为倾斜面，以便于排泥。

其工作原理如下：

在曝气气流作用下，由入水口13进入光催化反应器的废水与光催化剂迅速混合，催化剂、废水、气体在光催化反应器1中形成三相流化床反应体系，使催化剂与废水中的污染物充分接触，并在光的照射下污染物被有效氧化分解，缩短了废水处理时间，提高反应器的处理能力；曝气系统同时为光催化氧化反应提供氧气，提高反应效率。

两个反应器上部装有连接管4，用于光催化反应器内被降解废水溢流至膜分离循环反应器。膜分离循环反应器中的膜组件5将进入该区的光催化剂截留(且通过选择一定截留性能的膜组件，可将未降解的污染物同时截留)，处理后的水由出水口14排出。第二曝气装置7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。

循环管8中的阀门10和第三曝气装置9可实施定时或连续启动，并在第三曝气装置9曝气气流的作用下，可促进膜分离循环反应器中被截留的催化剂回流至光催化反应器中。

反应装置长期运行时在底部产生污泥等杂质，为此可将排泥口15打开，由入水口13进水冲刷倾斜面，将杂质排出。

本发明提出的光催化氧化-膜分离循环流化床反应装置的特征：

1.集成了光催化氧化与膜分离技术，可采用具有多孔结构、颗粒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.紫外灯直接置入光催化反应器中，并可实现多光源均匀或非均匀分布，提高光照面积，产生的光被催化剂有效利用。

3.两个反应器分别设置曝气装置，且本发明装置中设置的三个曝气装置可实现分别控制。

4.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，并且通过第三曝气装置曝气气流作用下，促进光催化剂在整个反应装置内的循环利用；同时在一定条件下(即根据膜的截留性能)亦可将未分解污染物质截留，并通过控制光催化氧化预处理时间和膜出水通量等操作条件而方便地控制光催化反应器中污染物的浓度，有利于提高光催化氧化反应速度。

5.反应过程可实现连续和间歇两种操作，采用间歇反应操作时，光催化和膜分离过程在时序上可分开进行。由于阶段性紫外光照射和第一曝气装置的启动，可以大大降低反应能耗。

本发明的光催化氧化反应与膜分离过程采用集成方式，光催化氧化在光催化反应器内进行，膜分离在膜分离循环反应器中进行，入水口在光催化反应器的底部，出水口与膜分离单元相连。两个反应器的上部设有连接管，用于光催化反应器内被降解废水溢流至膜分离循环反应器；而通过两个反应装器下部循环管中第三曝气装置曝气气流的作用，促进催化剂和反应液返回至光催化反应器中。

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、固三相流化反应体系，并为光催化氧化反应提供氧气。膜分离装置底部曝气气流使膜丝抖动，避免或减轻膜污染。本装置底部倾斜，设有排泥口。在两个反应器下部循环管中可通过设置阀门和曝气装置，有效地实现两个反应器中废水、催化剂的循环流动。

Claims

1.光催化氧化-膜分离循环流化床反应装置，它包括光催化反应器和膜分离循环反应器，所述的光催化反应器包括光催化反应器壳体，所述的膜分离循环反应器包括设置在所述的光催化反应器壳体侧面上部的膜分离循环反应器壳体，其特征在于：在所述的光催化反应器壳体内设置有多个紫外光源，在所述的膜分离循环反应器壳体内设置有浸没式膜组件，所述的浸没式膜组件与出水口相连，所述的光催化反应器壳体下部分别设置有入水口和排泥口，所述的光催化反应器壳体和膜分离循环反应器壳体的上部和底部分别通过连接管和循环管相连通，在所述的光催化反应器壳体下部以及膜分离循环反应器壳体内浸没式膜组件下部沿水平方向分别设置有第一、二曝气装置。

2.根据权利要求1所述的光催化氧化-膜分离循环流化床反应装置，其特征在于：在所述的循环管中设置有阀门。

3.根据权利要求1所述的光催化氧化-膜分离循环流化床反应装置，其特征在于：在所述的循环管中设置有第三曝气装置。

4.根据权利要求1所述的光催化氧化-膜分离循环流化床反应装置，其特征在于：所述的紫外光源包括紫外灯，在所述的紫外灯外罩有石英套或石英冷阱套。

5.根据权利要求1所述的光催化氧化-膜分离循环流化床反应装置，其特征在于：所述的光催化反应器壳体底部为倾斜面。