CN102241450A - 一种太阳能可见光催化废水处理装置 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能可见光催化废水处理装置，其特点是薄膜光催化反应器的固定反应床由玻璃基板和涂布在玻璃基板上的WO3/Fe2O3/TiO2可见光催化剂薄膜组成，光催化反应器的倾角等于其所在位置的纬度；光催化剂悬浮废水反应液在固定反应床上形成的反应液薄膜的厚度由分水器和电磁阀调节优化；悬浮光催化剂回收器采用圆锥形结构，包含固液分离薄板和光催化剂回流导管；循环储水器内设置若干紊流板，形成液相紊流通道；光催化废水处理模块可通过扩展阀门以连续或并行方式扩展。本发明兼有薄膜固定反应床式和悬浮式光催化反应器的优点，注重太阳直射和散射光的共同利用和可见光催化剂的性能优势，可产业化应用于难生物降解有机工业废水深度处理。

Description

一种太阳能可见光催化废水处理装置
技术领域
本发明涉及一种太阳能可见光催化废水处理装置，利用太阳能和复合二氧化钛可见光催化剂，可见光催化氧化工业废水中难生物降解的有机污染物，特别适用于纺织染整行业废水的深度处理，属于水处理领域。
背景技术
光催化氧化废水处理技术利用紫外光激活半导体光催化剂价带上的光生空穴，在废水中形成氧化能力极强的氢氧自由基，使废水中难于降解的有机污染物完全矿化，降解过程可在常温下进行，对污染物无选择性，无二次污染，成为当前废水处理领域国内外研究前沿和开发热点。
光催化剂、光源、反应器是光催化氧化废水处理技术体形的三大要素。
光催化剂多为硫族化物半导体.如TiO2、CdS、WO3、SnO2等。其中，最常用的光催化剂为TiO2，它光活性强、无毒、光稳定、在常温下不易溶于酸碱。TiO2的禁带宽为3.2eV，能量大于或等于3.2eV的光子均能激发TiO2，即波长小于388nm的光子均能使TiO2激发。
在光催化废水处理实验室研究中，通常采用紫外灯等电光源作激发源。紫外灯等电光源可控性、可比性及稳定性好，但在废水处理实际应用中，因其运行费用高和使用寿命等问题而受限制。
太阳光作为光催化氧化废水处理技术体系的光源，具有降低废水处理成本的经济效益和低碳环保的社会效益。但TiO2光催化剂只能利用太阳光中波长小于388nm的紫外光，紫外光仅占太阳光总能量的4％，可见光却占太阳光总能量的43％.因此，对波长大于388nm的可见光激发也能响应的可见光型光催化剂，成为光催化领域的研究开发热点。
光催化反应器，按反应器中催化剂的存在形式，分为悬浮型反应器和固定型反应器；按反应器的聚光形式，可分为聚光型反应器和非聚光型反应器。已经在实际工业废水处理中示范应用的光催化反应器包括下列四种反应器：
抛物槽型反应器(PTR)是聚光型反应器。它通过跟踪装置追踪太阳光，将直射光聚集到位于抛物槽焦线上反应管，反应管内装有悬浮TiO2光催化剂的废水反应液。抛物槽型反应器直接由聚光型集热装置的原理延伸而来的。能但仅能充分利用直射光，不能利用阴雨天地面上大量存在的散射光，造价昂贵，光效应和量子效应较低，严重限制其投入工业应用。
复合抛物型反应器(CPCR)是非聚光型反应器。它通过改进抛物槽型反应器(PTR)的反光镜的几何形状，使其可利用散射光，且不再需要太阳跟踪装置。复合抛物型反应器的反应管内装有悬浮TiO2光催化剂的废水反应液。复合抛物型反应器需要向反应管内注入氧气，调节管内压力、温度等。反应管内同时添加TiO2光催化剂、Fenton试剂、O3、H2O2，特别是以Fenton试剂为主时，效果较好。在复合抛物型反应器内仅单一使用TiO2光催化剂，有机物降解效果优势并不明显。初次投资成本、运行维护成本较高，对废水透光性敏感，光催化剂难以回收。
箱体薄板型反应器(DSSR)是非聚光型反应器。它用外形为平扁箱体内有分隔薄板的特种中空玻璃(PLEXIGLAS玻璃)作废水容器，悬浮TiO2光催化剂的废水反应液沿着箱体内的隔板紊流，可同时利用照射在平扁箱体的直射光和散射光。箱体薄板反应器需要鼓风设备向箱体内通入空气，对废水透光性敏感，光催化剂难以回收。
薄膜平板型反应器(TFFBR)是非聚光型反应器，它的主要部分为涂覆有TiO2光催化剂膜的平板，废水反应液成薄膜状流经平板，污染物质在氧气存在的情况下，经阳光照射得以催化降解。薄膜平板型反应器可同时利用太阳光中的直射光和散射光，光催化剂固定于平板上不需要回收，运行成本低；废水反应液薄膜周围空气中氧气充足，无需鼓风设备，投资成本低。但国外实际纺织工业废水处理示范应用中发现，存在光子效率过低的少数案例。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能可见光催化废水处理装置，其特点结构简单、操作方便、投资和运行成本低廉、可在纺织染整工业废水深度处理领域广泛实际应用。
本发明的一种太阳能可见光催化废水处理装置，主要包括薄膜光催化反应器、悬浮光催化剂回收器、循环储水器、废水调整池、光催化剂预调池。所述的薄膜光催化反应器的固定反应床由玻璃基板和涂布在玻璃基板上的一种复合二氧化钛可见光催化剂薄膜组成，固定反应床的倾角α等于其所在位置的纬度，反应器盖子用可见光通透性高的Pyrex玻璃。光催化剂悬浮废水反应液在薄膜光催化反应器的固定反应床上形成的反应液薄膜的厚度由分水器和电磁阀调节优化。所述的悬浮光催化剂回收器是圆锥形结构，固液分离薄板的倾角β等于55度，固液分离薄板之间的距离为38mm～42mm，光催化剂回流导管出口位于圆锥形沉淀区。所述的循环储水器是方形或圆形，放置若干紊流板，形成液相紊流通道。由薄膜光催化反应器和循环储水器组成的光催化废水处理模块包含扩展阀门，通过扩展阀门连接至下一个光催化废水处理模块，光催化废水处理模块相互之间的可连续或并行处理。
本发明有机地融合固定性和悬浮型的反应器功能，在实际纺织染整工业废水处理应用中，以固定型反应器功能单一运行为主，必要时，在废水中注入悬浮光催化剂，启用悬浮反应器功能。本发明的的优点如下：
1.利用薄膜平板型反应器的固定反应床平板，添加特制的紊流循环储水器和可调节的送水口，构成悬浮型反应器的核心。这一巧妙创新，一方面，以较小的投入，克服了薄膜平板型反应器在光催化处理部分纺织染整工业废水时，光子效率过低的不足；另一方面，流经固定反应床平板的悬浮废水反应液薄膜厚度较小，克服了复合抛物型反应器(CPCR)和箱体薄板型反应器(DSSR)等悬浮型反应器对纺织染整废水的透光性敏感问题。
2.悬浮光催化剂回收器采用特别设计的圆锥体沉淀区、固液分离薄板、和部分浓度较高的光催化剂浆体回流到沉淀区上部，促进浓度较低的光催化剂悬浮液中光催化剂颗粒加速沉淀等领先的固液分离技术要素，使其回收效果优势显著。圆锥体沉淀区底部的光催化剂浆体直接回收至光催化剂预调池，设计实用巧妙。
3.薄膜光催化反应器采用特制的一种复合二氧化钛“可见光”催化剂薄膜，固定反应床的倾角α等于其所在位置的纬度，反应器盖子用可见光通透性高的Pyrex玻璃。使其充分利用太阳光中紫外光和“可见光”的能量，光催化效率优势显著。
4.循环储水器设置紊流板，采用浅池结构，当悬浮废水反应液以一定流量在固定反应床平板成薄膜形式流动时，光催化剂颗粒不易沉淀，在循环储水器内因设置紊流板使其水流变化紊乱，光催化剂颗粒也不易沉淀，加之，平板表面空气中氧气充足，从而省去了悬浮型反应器防止沉淀和供氧所必需的通气系统，降低了成本。
5.由薄膜光催化反应器和循环储水器组成的光催化废水处理模块，可通过扩展阀门灵活扩充，使其能适应实际工厂处理能力的要求，柔性应用，光催化废水处理模块相互之间的可连续或并行处理，使其能根据实际催化反应动力学条件的变化，优化选择。
附图说明
图1为本发明的太阳能可见光催化废水处理装置示意图。
图2为本发明的薄膜光催化反应器示意图。
图3为本发明的悬浮光催化剂回收器示意图。
图4为本发明的循环储水器示意图。
附图的标号说明如下：
1-薄膜光催化反应器，2-悬浮光催化剂回收器，3-循环储水器，4-废水调整池，
5-光催化剂预调池，6-薄膜光催化反应器，7-循环储水器，8-扩展阀门，
9-扩展阀门，10-电磁阀，11-分水器，12-固定反应床，13-反应器盖子，
14-玻璃基板，15-可见光催化剂薄膜，16-固液分离薄板，17-光催化剂回流导管，
18-紊流板
具体实施方式
实施例1
仅使用本发明的薄膜光催化反应器之固定型反应器功能，两个光催化废水处理模块以连续方式运行，处理水磨洗(stone wash)工序的废水。
废水样品中模型污染物为漂白剂酶(Crouscoular TRP)，TOC浓度为715.48mg/L，pH值为8.5，试验从上午11时开始至下午3时结束。太阳中紫外光强度在18-25w/m2之间变化，平均强度等于22w/m2。
固定反应床玻璃基板的太阳光照射面积为25m2，在基板上涂布由上海牧而建筑科技有限公司生产的WO3-Fe2O3/TiO2可见光型光催化剂，光催化剂密度为10g/m2，平板倾角等于上海的纬度31.4度。
预处理过的水磨洗工序的废水，在废水调整池(4)调整后，经泵注入循环储水器(3)，经薄膜光催化反应器(1)后，以连续方式流入下一个光催化废水处理模块(6、7)，再返回循环储水器(3)。调节电磁阀(10)使废水循环流量等于2.8m3/h，4小时TOC降解率达93％
实施例2
使用本发明的薄膜光催化反应器之悬浮型反应器功能，两个光催化废水处理模块以并行方式运行，处理染色工序的废水。
废水样品中模型污染物为染料胭脂红(Cibacrone)，TOC浓度为23.8mg/L，pH值为7.6，试验从上午11时开始至下午3时结束。太阳中紫外光强度在17-27w/m2之间变化，平均强度等于223w/m2。
固定反应床玻璃基板的太阳光照射面积为25m2，在基板上涂布由上海牧而建筑科技有限公司生产的WO3-Fe2O3/TiO2可见光型光催化剂，光催化剂密度为10g/m2，平板倾角等于上海的纬度31.4度。
取上海牧而建筑科技有限公司生产的WO3-Fe2O3/TiO2可见光型光催化剂粉体，在光催化剂预调池中，按1∶20加水稀释搅拌后，得可见光催化剂浓液，经泵注入废水调整池，经与染料废水混合搅拌调整后，使废水中可见光催化剂的浓度为100mg/L。打开扩展阀门，将悬浮废水反应液泵入两个循环储水池(3、7)中。两个光催化废水处理模块以并行方式运行，调节电磁阀(10)使废水循环流量等于3.5m3/h，2小时TOC降解率达95％。
夜间，废水在悬浮光催化剂回收器(2)中沉淀，处理过的清水从上部净水出口排出，沉淀区底部的光催化剂浆体直接回收至光催化剂预调池。光催化剂回收率大于96％。

Claims (5)

1.一种太阳能可见光催化废水处理装置，主要包括薄膜光催化反应器(1)、悬浮光催化剂回收器(2)、循环储水器(3)、废水调整池(4)、光催化剂预调池(5)，其特征在于薄膜光催化反应器(1)的固定反应床(12)由玻璃基板(14)和涂布在玻璃基板上的一种复合二氧化钛可见光催化剂薄膜(15)组成，固定反应床(12)的倾角α等于其所在位置的纬度，反应器盖子(13)用可见光通透性高的Pyrex玻璃。
2.如权利要求1所述的一种太阳能可见光催化废水处理装置，其特征在于：光催化剂悬浮废水反应液在薄膜光催化反应器的固定反应床(12)上形成的反应液薄膜的厚度由分水器(11)和电磁阀(10)调节优化。
3.如权利要求1所述的一种太阳能可见光催化废水处理装置，其特征在于悬浮光催化剂回收器(2)是圆锥形结构，固液分离薄板(16)的倾角β等于55度，固液分离薄板之间的距离为38mm～42mm，光催化剂回流导管(17)出口位于圆锥形沉淀区。
4.如权利要求1所述的一种太阳能可见光催化废水处理装置，其特征在于循环储水器(3)是方形或圆形，放置若干紊流板(18)形成液相紊流通道。
5.如权利要求1所述的一种太阳能可见光催化废水处理装置，其特征在于：由薄膜光催化反应器(1)和循环储水器(3)组成的光催化废水处理模块包含扩展阀门(8)，通过扩展阀门连接至下一个光催化废水处理模块(6、7、9)，光催化废水处理模块相互之间的可连续或并行处理。
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