CN101913680A - 磁稳流化床光催化反应器及其处理难降解有机废水的方法 - Google Patents

磁稳流化床光催化反应器及其处理难降解有机废水的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种废水处理方法及装置，具体为一种磁稳流化床光催化反应器及其处理难降解有机废水的方法，解决现有光催化法存在光催化量子率低、活性低以及活性组分易流失问题，有机废水经泵、液体进口送至反应器，磁载光催化剂由催化剂加料口加入反应器内，开启风机经过流量缓冲器后，气体进入气体分布器内，使磁载光催化剂处于悬浮状态；打开亥姆霍兹线圈，线圈产生磁场，磁载光催化剂处于静止悬浮状态，打开紫外光灯，对有机废水进行降解，处理后的有机废水排至第二贮液槽。可提高光能量的利用率，磁载光催化剂处于稳定悬浮状态可以减少相互摩擦使活性组分流失，该装置结构紧凑、条件温和、光能量利用率高、既可间歇操作，也可连续运行。

Description

磁稳流化床光催化反应器及其处理难降解有机废水的方法
技术领域
本发明涉及一种废水处理方法及装置，具体为一种磁稳流化床光催化反应器及其处理难降解有机废水的方法。
背景技术
难降解的有机污染物由于毒性大、难生化、难降解、处理成本高，是化工生产和环境治理领域面临的最大难题。由于难降解有机污染物不易被微生物降解，在环境中长期滞留、排放到水体等自然环境中后不易通过天然的自净作用而逐渐减少其含量。因此，这类物质在水体、土壤、空气等自然介质中不断累积，打破生态系统原有的平衡，给人类赖以生存的环境造成巨大的威胁，这些持久性有机物痕量的暴露剂量就可能导致生物变异，通过食物链进入生物体并逐渐富集，最后进入人体，严重危害人类健康。
高浓度难降解有机废水的处理主要有萃取法、吸附法、膜分离法和化学沉淀法等，实际应用时多将这些方法集成使用，工艺路线较长。高级氧化是产生HO·自由基攻击有机废水体中各种污染物，最终降解为二氧化碳、水和其他矿物盐。高级氧化技术具有氧化能力强、治理彻底、无二次污染等优点，包括湿式氧化法、超临界水氧化法、超声氧化法和光催化氧化法等方法。光催化氧化法具有对有机物污染物的降解无选择性、在常温常压下进行、无毒性、化学性质稳定、可重复利用和具有大规模利用太阳能的前景。
光生载流子的快速复合是制约光催化剂技术工业化应用的主要原因，为了抑制电子和空穴的复合机率，从外加场角度，研究人员主要通过外加电场、磁场或微波场，加速电子和空穴的分离，从而提高光催化过程的量子效率。从光催化剂角度，将光催化剂细化、担载贵金属、离子掺杂、光敏化、表面还原处理、表面螯合及衍生、超强酸化等改性。光催化剂粒度越小，比表面积越大，光催化活性越高。然而，由于纳米氧化钛粒径细小，常规固液分离方法很难实现高效回收，极易造成光催化剂的流失，不利于光催化剂的循环利用。常用的载体主要有硅胶、氧化铝、玻璃纤维、空心陶瓷球、空心玻璃珠、石英玻璃管、有机玻璃和光导纤维等材料。但是，这些载体尺度较大，载体极易对光源阻挡，而使光催化活性组分不能充分被光照射而激活以发挥催化作用，存在光能利用率低的问题。
纳米磁性颗粒作为光催化材料的载体，由于其尺度细小，不会对光源进行阻挡，可以保持较高的光催化活性。同时，磁负载光催化剂在外加磁场时可实现方便快速回收，纳米磁性颗粒作为光催化剂的载体使光催化剂同时具备悬浮型催化剂和负载型催化剂的优点。对于常规光催化剂的光催化反应器，如专利02281186公开了三相内循环流化床光催化反应器，专利02156875公开了利用该流化光催化反应器实现的处理废水的工艺方法以及专利200620049096公开了水平旋流固定化催化剂悬浮载体光催化反应器。但是，对于磁载光催化剂的应用研究报道极少，专利200610113267公开了利用磁性光催化剂进行连续化污水处理的装置，但是利用该装置进行处理时，是利用外加磁场的上下垂直运动，实现光催化剂的分散，此种方法极易造成光催化剂颗粒之间相互摩擦而使活性组分流失，降低催化效率。
发明内容
本发明为了解决难降解有机废水采用现有光催化氧化法存在光催化量子率低、光催化活性低以及活性组分易流失问题，提供一种磁稳流化床光催化反应器及其处理难降解有机废水的方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种磁稳流化床光催化反应器，包括圆柱形筒体，圆柱形筒体底部一侧设有气体进口，正下方设有液体进口，圆柱形筒体顶部分别设有气体出口、液体出口及催化剂加料口；圆柱形筒体内部中心放置有带套管的紫外光灯，紫外光灯下方设有与气体进口贯通的气体分布器，圆柱形筒体外设有沿其中心布置的亥姆霍兹线圈；紫外光灯、亥姆霍兹线圈均与电源控制器连接；气体进口处连有流量缓冲器、风机，液体进口经管道与泵、第一贮液槽连接，液体出口经管道与第二贮液槽连接。所述的亥姆霍兹线圈是公知产品，其结构和工作原理是本领域普通技术人员所熟知的，它是用两个半径和匝数完全相同的线圈，将其同轴排列并令间距等于半径，串接而成的线圈，在本发明所述的反应器中，亥姆霍兹线圈为磁载光催化剂提供稳定的外加磁场，加速电子和空穴的分离，提高光催化过程的量子效率，同时在气体分布器的相互配合下，使得磁载光催化剂始终处于静止悬浮状态。
利用所述的磁稳流化床光催化反应器处理有机废水的方法，包括以下步骤：第一贮液槽内的有机废水经泵送至磁稳流化床光催化反应器的液体进口，磁载光催化剂由催化剂加料口加入反应器内，开启风机经过流量缓冲器后，气体由气体进口进入位于磁稳流化床光催化反应器底部的气体分布器内，使磁载光催化剂处于悬浮状态，然后气体由气体出口排空；打开亥姆霍兹线圈的电源控制器，线圈产生磁场，磁载光催化剂受到磁场作用，处于静止悬浮状态，然后打开紫外光灯的电源控制器，开始对有机废水进行光降解，处理后的的有机废水经液体出口排至第二贮液槽。
所述磁载光催化剂为TiO2/Fe2O4，TiO2/SiO2/Fe2O4，TiO2/a-Fe2O3，TiO2/SiO2/ a-Fe2O3，TiO2/NiFe2O4，TiO2/SiO2/NiFe2O4，TiO2/CoFe2O4，TiO2/SiO2/CoFe2O4，TiO2/BaFe2O4或TiO2/SiO2/BaFe2O4中的任意一种，上述物质均为现有公知产品。
上述由气体进口进入磁稳流化床光催化反应器底部的气体为空气、氧气或者是空气和臭氧以任意比例混合的混合气体，该气体有两个作用，一是以一定压力进入气体分布器，使得反应器内的磁载光催化剂处于悬浮状态，另一作用是提供反应器内有机废水降解的氧源。
所述磁载光催化剂投加量为1L有机废水加0.1~2.0 g，这是申请人经过多次试验及经验总结而得来的。
与现有技术相比，采用本发明所述的磁稳流化床光催化反应器以及利用其进行有机废水的处理方法，难降解有机废水经泵送入光催化反应器，投加适量的磁载光催化剂，在鼓入空气和外加磁场的双重作用下，使磁载光催化剂处于稳定悬浮状态，在紫外光照条件下进行降解，外加磁场可使电子-空穴快速分离而提高光能量的利用效率，同时，外加磁场使磁载光催化剂处于稳定悬浮状态，可以减少由于相互摩擦使活性组分流失，该装置具有结构紧凑、条件温和、光能量利用率高、既可间歇操作，也可连续运行的优点。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为实施例1中不同紫外光照条件下硝基苯溶液紫外-可见光谱变化曲线图
图中：1-圆柱形筒体；2-气体进口；3-液体进口；4-气体出口；5-液体出口；6-催化剂加料口；7-紫外光灯；8-气体分布器；9-亥姆霍兹线圈；10-电源控制器；11-流量缓冲器；12-风机；13-泵；14-第一贮液槽；15-第二贮液槽。
具体实施方式
实施例1：
一种磁稳流化床光催化反应器，包括圆柱形筒体1，圆柱形筒体底部一侧设有气体进口2，正下方设有液体进口3，圆柱形筒体1顶部分别设有气体出口4、液体出口5及催化剂加料口6；圆柱形筒体内部中心放置有带套管的紫外光灯7，紫外光灯7下方设有与气体进口2贯通的气体分布器8，圆柱形筒体外设有沿其中心布置的亥姆霍兹线圈9；紫外光灯7、亥姆霍兹线圈9均与电源控制器10连接；气体进口2处连有流量缓冲器11、风机12，液体进口3经管道与泵13、第一贮液槽14连接，液体出口5经管道与第二贮液槽15连接。
利用所述的磁稳流化床光催化反应器处理难降解有机废水的方法，包括以下步骤：将浓度为50mg/m3有机废水硝基苯溶液置于第一贮液槽中，经泵送至磁稳流化床光催化反应器的液体进口，磁载光催化剂TiO2/Fe2O4或TiO2/SiO2/Fe2O4或TiO2/a-Fe2O3、由催化剂加料口加入反应器内，投加量为1.5g/L，开启风机经过流量缓冲器后，空气由气体进口进入位于磁稳流化床光催化反应器底部的气体分布器内，使磁载光催化剂处于悬浮状态，然后气体由气体出口排空；打开亥姆霍兹线圈的电源控制器，线圈产生磁场，磁载光催化剂受到磁场作用，处于静止悬浮状态，然后打开紫外光灯的电源控制器，紫外光灯为271准分子灯，开始对有机废水进行光降解，光降解240分钟后，打开液体进口和液体出口，控制流量，出口浓度为0.5mg/m3，处理后的的有机废水排至第二贮液槽。
如图2所示，不同紫外光照条件下硝基苯溶液紫外-可见光谱变化曲线，硝基苯初始浓度为50 50mg/m3，空气鼓气速率为10 m3/m2.h，光催化剂的添加量为1.5 g/L。在紫外光照后，主波长268nm下的波峰不断减弱，硝基苯浓度持续降低，240min时趋于直线，此时硝基苯结构完全光降解破坏，呈现良好光催化活性。
实施例2：
一种磁稳流化床光催化反应器，结构如实施例1所示。
利用所述的磁稳流化床光催化反应器处理难降解有机废水的方法，包括以下步骤：将浓度为100mg/m3有机废水硝基苯溶液置于第一贮液槽中，经泵送至磁稳流化床光催化反应器的液体进口，磁载光催化剂TiO2/SiO2/a-Fe2O3或TiO2/NiFe2O4由催化剂加料口加入反应器内，投加量为2.0 g/L，开启风机经过流量缓冲器后，氧气由气体进口进入位于磁稳流化床光催化反应器底部的气体分布器内，使磁载光催化剂处于悬浮状态，然后气体由气体出口排空；打开亥姆霍兹线圈的电源控制器，线圈产生磁场，磁载光催化剂受到磁场作用，处于静止悬浮状态，然后打开紫外光灯的电源控制器，紫外光灯为271准分子灯，开始对有机废水进行光降解，光降解150分钟后，打开液体进口和液体出口，控制流量，出口浓度为0.4mg/m3，处理后的的有机废水排至第二贮液槽。
实施例3：
一种磁稳流化床光催化反应器，结构如实施例1所示。
利用所述的磁稳流化床光催化反应器处理难降解有机废水的方法，包括以下步骤：将浓度为200mg/m3有机废水对羟基苯甲酸溶液置于第一贮液槽中，经泵送至磁稳流化床光催化反应器的液体进口，磁载光催化剂TiO2/SiO2/NiFe2O4或TiO2/CoFe2O4由催化剂加料口加入反应器内，投加量为0.1 g/L，开启风机经过流量缓冲器后，空气与臭氧以任意比例混合后由气体进口进入位于磁稳流化床光催化反应器底部的气体分布器内，使磁载光催化剂处于悬浮状态，然后气体由气体出口排空；打开亥姆霍兹线圈的电源控制器，线圈产生磁场，磁载光催化剂受到磁场作用，处于静止悬浮状态，然后打开紫外光灯的电源控制器，紫外光灯为271准分子灯，开始对有机废水进行光降解，光降解180分钟后，打开液体进口和液体出口，控制流量，出口浓度为0.5mg/m3，处理后的的有机废水排至第二贮液槽。
实施例4：
一种磁稳流化床光催化反应器，结构如实施例1所示。
利用所述的磁稳流化床光催化反应器处理难降解有机废水的方法，包括以下步骤：将浓度为150mg/m3有机废水苯酚溶液置于第一贮液槽中，经泵送至磁稳流化床光催化反应器的液体进口，磁载光催化剂TiO2/SiO2/CoFe2O4或TiO2/BaFe2O4由催化剂加料口加入反应器内，投加量为1.5 g/L，开启风机经过流量缓冲器后，空气由气体进口进入位于磁稳流化床光催化反应器底部的气体分布器内，使磁载光催化剂处于悬浮状态，然后气体由气体出口排空；打开亥姆霍兹线圈的电源控制器，线圈产生磁场，磁载光催化剂受到磁场作用，处于静止悬浮状态，然后打开紫外光灯的电源控制器，紫外光灯为271准分子灯，开始对有机废水进行光降解，光降解200分钟后，打开液体进口和液体出口，控制流量，出口浓度为0.5mg/m3，处理后的的有机废水排至第二贮液槽。
实施例5：
一种磁稳流化床光催化反应器，结构如实施例1所示。
利用所述的磁稳流化床光催化反应器处理有机废水的方法，包括以下步骤：将浓度为50mg/m3有机废水苯甲酸溶液置于第一贮液槽中，经泵送至磁稳流化床光催化反应器的液体进口，磁载光催化剂TiO2/SiO2/BaFe2O4由催化剂加料口加入反应器内，投加量为1.2g/L，开启风机经过流量缓冲器后，氧气由气体进口进入位于磁稳流化床光催化反应器底部的气体分布器内，使磁载光催化剂处于悬浮状态，然后气体由气体出口排空；打开亥姆霍兹线圈的电源控制器，线圈产生磁场，磁载光催化剂受到磁场作用，处于静止悬浮状态，然后打开紫外光灯的电源控制器，紫外光灯为271准分子灯，开始对有机废水进行光降解，光降解180分钟后，打开液体进口和液体出口，控制流量，出口浓度为0.5mg/m3，处理后的的有机废水排至第二贮液槽。

Claims (5)

1.一种磁稳流化床光催化反应器，其特征是包括圆柱形筒体（1），圆柱形筒体底部一侧设有气体进口（2），正下方设有液体进口（3），圆柱形筒体（1）顶部分别设有气体出口（4）、液体出口（5）及催化剂加料口（6）；圆柱形筒体内部中心放置有带套管的紫外光灯（7），紫外光灯（7）下方设有与气体进口（2）贯通的气体分布器（8），圆柱形筒体外设有沿其中心布置的亥姆霍兹线圈（9）；紫外光灯（7）、亥姆霍兹线圈（9）均与电源控制器（10）连接；气体进口（2）处连有流量缓冲器（11）、风机（12），液体进口（3）经管道与泵（13）、第一贮液槽（14）连接，液体出口（5）经管道与第二贮液槽（15）连接。
2.利用如权利要求1所述的磁稳流化床光催化反应器处理难降解有机废水的方法，其特征是包括以下步骤：
第一贮液槽内的有机废水经泵送至磁稳流化床光催化反应器的液体进口，磁载光催化剂由催化剂加料口加入反应器内，开启风机经过流量缓冲器后，气体由气体进口进入位于磁稳流化床光催化反应器底部的气体分布器内，使磁载光催化剂处于悬浮状态，然后气体由气体出口排空；打开亥姆霍兹线圈的电源控制器，线圈产生磁场，磁载光催化剂受到磁场作用，处于静止悬浮状态，然后打开紫外光灯的电源控制器，开始对有机废水进行光降解，处理后的的有机废水经液体出口排至第二贮液槽。
3.根据权利要求2所述的处理难降解有机废水的方法，其特征是所述的磁载光催化剂为TiO2/Fe2O4、TiO2/SiO2/Fe2O4、TiO2/a-Fe2O3、TiO2/SiO2/a-Fe2O3、TiO2/NiFe2O4、TiO2/SiO2/NiFe2O4、TiO2/CoFe2O4、TiO2/SiO2/CoFe2O4、TiO2/BaFe2O4或TiO2/SiO2/BaFe2O4中的任意一种。
4.根据权利要求2所述的处理难降解有机废水的方法，其特征是由气体进口进入磁稳流化床光催化反应器底部的气体为空气、氧气或者是空气和臭氧以任意比例混合的混合气体。
5.根据权利要求2所述的处理难降解有机废水的方法，其特征是磁载光催化剂投加量为1L有机废水加0.1~2.0 g。
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