CN102745795A

CN102745795A - 太阳光催化氧化-膜分离三相流化床循环反应装置

Info

Publication number: CN102745795A
Application number: CN2012102642988A
Authority: CN
Inventors: 解立平; 邹晨曦; 王俊
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2012-10-24
Also published as: CN103086495B; CN103086495A

Abstract

本发明涉及一种新型太阳光催化氧化-膜分离三相流化床循环反应装置的结构特点和工作原理。该装置包括由复合抛物面采光板、管式反应器、上部水箱和下部水箱等所组成的光催化氧化反应区和由膜分离器壳体以及浸没式膜组件所组成的膜分离区。其工作原理为：在曝气气流作用下，废水、催化剂迅速混合、并形成气、液、固三相流化床反应体系，同时形成一个废水→下部水箱→管式反应器→上部水箱→连通管→膜分离器→循环管→下部水箱的内循环流动；废水流经管式反应器时进行光催化降解反应；膜组件将进入膜分离器壳体中的TiO₂截留，被处理的水由出水口排出；而被截留的TiO₂随废水的内循环流动经循环管再回到下部水箱和管式反应器中，实现TiO₂在反应装置中的循环、重复利用。

Description

太阳光催化氧化-膜分离三相流化床循环反应装置

技术领域

本发明涉及一种反应装置，本发明尤其涉及一种不受天气影响的太阳光催化氧化废水处理装置：太阳光催化氧化-膜分离三相流化床循环反应装置，该装置既可应用于有毒有害难降解有机废水的预处理或深度处理，亦可应用于微污染饮用水的深度处理。

背景技术

随着我国社会经济的迅速发展，不可避免的产生大量废弃污染物，这导致了严重的环境污染和生态破坏。传统的处理方法不能彻底消除降解污染物，而且容易造成二次污染，使用范围窄，能耗高。近些年来，利用光催化氧化技术降解污染物得到了人们的广泛关注。光催化氧化技术以其氧化能力强、无二次污染、反应条件温和、操作简单容易控制等优点，成为难降解有机废水和微污染饮用水处理的有效方法。太阳能是一种取之不尽用之不竭的能源，且为清洁能源，阳光中可用于光催化氧化技术的光能(λ＜400nm)约为太阳能总辐射能量的3％～4％。太阳光催化氧化技术是将太阳光作为光源，可有效降低废水处理成本，逐渐成为难降解有机废水处理的研究热点。

目前太阳光催化氧化技术所面临的主要问题之一是在光催化氧化动力学基础上开发实用新型光催化反应器，即开发高效光催化反应器、有效收集利用太阳光，成为太阳光催化氧化技术所面临的重要任务，此技术将在难降解有机废水以及微污染饮用水深度处理领域发挥重要作用。

目前太阳光催化反应器按照反应器的聚光形式可分为聚光型、非聚光型和低聚光型反应器三大类，这三类反应器的各自特点如下：

(1)聚光型光催化反应器：这类反应装置光收集器的转动由一个或两个驱动器控制，驱动器又由方位角和高程构成的两轴跟踪系统控制，这样，光收集器的孔面一直保持与太阳光线垂直，使太阳光直接照射反应管道，没有直接照射管道的光线经过反射也可以照射反应管道，因此可以充分利用太阳能。但由于这类装置需要双轴跟踪系统的控制，因而装置的造价非常昂贵，无法实现大规模的工业应用。

(2)非聚光型光催化反应器：这类反应装置不聚集光线，所以没有转动装置和太阳光跟踪系统，造价比聚光式反应器要低廉。由于不存在互相遮挡光线现象，因此效率也不会受到聚光系数和太阳光跟踪方面的影响。但是，由于光的投射能力有限，使得反应溶液深度不能太大，因此要想提高反应器的处理能力，只能扩大光照面积，这就导致反应器的占地面积过大。

(3)低聚光型光催化反应器：复合抛物面反应器(Compound Parabolic ConcentratorReactor，CPCR)是当前在低聚光型光催化反应器领域研究最多的一类太阳光催化反应器。(低聚光型反应器这一类中，以复合抛物面反应器研究的最多，故以复合抛物面反应器为代表进行阐述)这类反应装置兼具聚光型和非聚光型两种反应装置的优点，既能利用直射光又能利用散射光。该类装置的光收集器是由两个并排的抛物面组成，反应管道处于两个抛物镜面焦点连线的中间位置，这样反应装置可以不必正对太阳光，也能吸收更多的光线参与光催化反应，无需跟踪系统，工程造价低；由于反应管一般为圆柱状，所以污水易流入，不需要很火的压力，而且污染物和催化剂混合比较均匀。该装置具有结构简单、易操作、较好抵抗天气能力等特点；但由于受流量限制，实际应用时需要采用多个反应器并联以增加其处理能力。

太阳光催化反应器根据催化剂存在的形态不同，可分为悬浮型和固定型，这两类反应器各自特点如下：

(1)固定型光催化反应器：固定型光催化反应器普遍存在传质限制、耗能高以及催化剂装载复杂等缺点。各国研究人员根据各自不同的设计思想，研制了众多的固定膜太阳光催化反应器，其中最具代表性的是实用型固定膜太阳光催化反应器。然而，由于该类反应器的流速较低，雷诺数偏小，流体处于层流状态，所以存在传质限制。同时，反应器是非封闭运行，催化剂受周围的环境影响比较大，易造成催化剂中毒。

(2)悬浮型光催化反应器：悬浮型光催化反应器的效率比固定型的高，其优点在于流体处于紊流状态，无传质限制；同时反应器为封闭状态，不存在挥发性污染物蒸发的问题；此外，反应器构造简单，投资成本低；但其存在催化剂分离回收、重复利用的难题，因而如何实现催化剂的循环利用是悬浮型光催化反应器所面临的主要问题。

基于CPCR和悬浮型光催化反应器的优点，提出了本发明设计专利，即设计了一种太阳光催化氧化-膜分离三相流化床循环反应装置，该装置不仅实现了催化剂的循环、重复利用；而且其在结构上具有既可以为“人工光源+太阳光”的双光源结构、亦可以为单一太阳光光源结构的特征。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳光催化氧化-膜分离三相流化床循环反应装置，该反应装置不仅具有良好的传质性能，有效地实现催化剂分离、回收和重复利用，而且可根据需要设置有紫外光源(人工光源)，使太阳光催化氧化-膜分离三相流化床循环反应装置具有双光源(太阳光和人工光源)结构特征；亦可根据需要而仅为具有单一太阳光光源结构特征。

本发明的太阳光催化氧化-膜分离三相流化床循环反应装置，它包括光催化反应区和膜分离区，光催化反应区包括复合抛物面采光板、管式反应器、上部水箱和下部水箱，其中采光板由平截式复合抛物面构成，管式反应器设置在所述的平截式复合抛物面的中心，且管式反应器既可以是由内外两根管构成的双层同心圆结构(或双层同轴方形等其它结构形式)，其中内管可根据需要设置紫外灯等紫外光源(人工光源)，使本发明所述的反应装置为双光源结构；管式反应器亦可以仅仅由单一的反应管构成，从而使本发明所述的反应装置为单一太阳光光源结构；下部水箱设置有进水口、排泥口以及第一曝气装置，其中第一曝气装置可根据需要设置成曝气板或者曝气管，且当第一曝气装置设置为曝气管时，其曝气管还可根据实际情况延伸至管式反应器中的适当位置；第一曝气装置曝气时产生的气泡进入上部水箱后溢出、排空，同时上部水箱亦可根据需要为紫外灯管等紫外光源提供固定面；膜分离区包括设置在光催化反应区上部水箱侧面(或其它利于内循环流动的位置)的膜分离器壳体，以及在其中设置的与出水口相连通的膜组件，且在膜组件底部可根据需要设置第二曝气装置；光催化反应区上部水箱、下部水箱分别和膜分离器壳体的壁面和底部通过连通管和循环管相连通，且在循环管中可根据需要而设置有水冲洗或气冲洗装置。

采用本发明装置在废水处理时能达到以下效果：

①复合抛物面采光板以竖直方向放置，且根据当地纬度而成一定的倾斜角度；复合抛物面采光板能够有效的收集太阳光中的直射光和部分散射光，使管式反应器能够最大程度的接收到太阳光，可满足光催化反应的光能需求，具有简单实用的优点。

②当该反应装置根据需要而设计为双光源(太阳光和人工光源)结构时，阴雨天太阳光强较弱时，可开启人工光源，主要利用人工光源进行光催化降解使装置实现全天候运转；晴天时太阳光和人工光源则可互为补充，使反应装置保持较高的处理效率。

③当反应装置根据需要而设计为单一太阳光光源结构时，其具有结构更加简单、且更加方便操作和维修，同时可在一定程度上增大废水处理量等优点。

④在曝气气流的作用下，催化剂、废水、气泡在反应装置中可实现混合与接触，在光子的激发下发生光催化氧化反应，污染物被有效的分解，因而具有较高的传质效率和光能利用率，能够达到较高的光催化氧化反应效率。

⑤膜分离器中采用适当类型的膜组件(如采用能够截留废水中某一污染组分的微滤膜、超滤膜或纳滤膜等膜组件)，使其能够截留光催化剂，或还可根据需要同时截留未被降解的污染物。

⑥膜组件可根据需要设置膜底曝气装置，当设置膜底曝气装置时，上升的气泡通过膜表面时产生纵向剪切力，使膜丝发生抖动，从而能有效的避免催化剂在膜表面的附着进而减轻膜污染。

⑦循环管中不同位置处可设置一个或多个气冲洗或水冲洗装置，使循环管中发生沉积的催化剂经冲洗后重新返回到循环体系。

附图说明

图1为本发明的太阳光催化氧化-膜分离三相流化床循环反应装置结构示意图；

图2(a)为反应装置双光源结构复合抛物面采光板示意图。

图2(b)为反应装置单独太阳光源结构复合抛物面采光板示意图。

图3为反应装置平面示意图。

附图中的标号说明如下：

1-进水口，2-下部水箱，3-上部水箱，4-高硅氧玻璃管，5-复合抛物面采光板，6-循环管，7-膜分离器壳体，8-连通管，9、10-阀门，11-石英管，12-紫外灯，13-膜组件，14、15-第一曝气装置、第二曝气装置，16-支架，17-气冲洗接口，18-排泥口

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明作详细描述。

如附图所示本发明的太阳光催化氧化-膜分离三相流化床循环应装置，它包括光催化反应区和膜分离区，所述的光催化反应区包括下部水箱2、上部水箱3、复合抛物面采光板5以及管式反应器，所述的管式反应器设置在复合抛物面采光板5的中心位置，其中图2(a)是太阳光催化氧化-膜分离三相流化床循环应装置为双光源结构时管式反应器结构的剖面图，包括高硅氧玻璃外管4和内置的石英管或者石英冷阱管11等石英冷却管；所述的石英管或者石英冷阱管11等石英冷却管中可根据需要而设置紫外灯12等紫外光源；图2(b)是太阳光催化氧化-膜分离三相流化床循环应装置为单一太阳光光源结构时管式反应器结构的剖面图，这时管式反应器仅仅由单一的反应管构成；所述的光催化反应区的下部水箱2设置有入水口1、排泥口18以及第一曝气装置14，所述的光催化反应区上部水箱3与膜分离器壳体7之间通过连通管8相连通，所述的光催化反应区下部水箱2与膜分离循器壳体7之间通过循环管6相连通，循环管中可根据需要设置一个或多个水冲洗或气冲洗装置17。所述的膜分离区包括设置在光催化反应区上部水箱3侧面(或其他利于内循环流动的位置)的膜分离器壳体7，在所述的膜分离器壳体7中设置有浸没式膜组件13，所述的浸没式膜组件13与出水口相连，在所述的浸没式膜组件底部可根据需要而设置第二曝气装置15，所述的膜组件可采用帘式膜或者U形膜等膜组件。在所述的循环管6和连通管8上分别可根据需要而安装阀门9和阀门10。

其工作原理如下：

在第一曝气装置产生的曝气气流作用下，由入水口1进入下部水箱2的废水与催化剂迅速混合，在下部水箱2和管式反应器中形成气、液、固三相流化床反应体系；在紫外光照射作用下，当本发明的反应装置为双光源结构时，流经管式反应器套管之间的废水发生光催化降解反应，而当为单一太阳光光源结构时废水则流经反应管4时发生光催化降解反应。被降解的废水进入上部水箱3，之后经连通管8进入膜分离器壳体7，最后经循环管6由膜分离器壳体7回流至反应装置的下部水箱2，由此形成一个废水→下部水箱→管式反应器→上部水箱→连通管→膜分离器→循环管→下部水箱的内循环流动。膜组件13将进入膜分离器中的TiO₂截留，被处理的水由出水口排出；而被截留的TiO₂随废水的内循环流动经循环管6再回到下部水箱和管式反应器中，实现TiO₂在反应装置中的循环、重复利用。循环管6中设置的气冲洗或水冲洗装置17使沉积于其中的TiO₂返回至循环体系中，避免因TiO₂在循环管6中发生沉积而导致其在反应装置中悬浮浓度的不断降低。

本发明提出的太阳光催化氧化-膜分离三相流化床循环反应装置的特征为：

1.复合抛物面采光板以竖直方向放置，且根据当地纬度而成一定的倾斜角度放置；复合抛物面采光板能够有效的收集太阳光中的直射光和部分散射光，使管式反应器能够最大程度的接收到太阳光，具有简单实用的优点。

2.本发明反应装置根据需要设计为双光源(太阳光和人工光源)结构时，阴雨天太阳光强较弱时，开启人工光源，主要利用人工光源进行光催化降解使装置实现全天候运转；晴天时太阳光和人工光源则可互为补充，保持较高的处理效率。

3.本发明反应装置根据需要设计为单一太阳光光源结构时，其具有结构更加简单、且更加方便操作和维修，同时可在一定程度上增大废水处理量等优点。

4.在曝气气流的作用下，催化剂、废水、气泡在反应装置中可实现充分的混合与接触，在光子的激发下发生光催化氧化反应，污染物被有效的分解，因而具有较高的传质效率和光能利用率，能够达到较高的光催化氧化反应效率。

5.膜分离器中采用适当类型的膜组件(如采用能够截留废水中某一污染组分的微滤膜、超滤膜和纳滤膜等膜组件)，使其能够截留光催化剂，或还可同时截留未被降解的污染物。

6.膜组件可根据需要设置膜底曝气装置，当设置膜底曝气装置时，上升的气泡通过膜表面时产生纵向剪切力，使膜丝发生抖动，从而能有效的避免催化剂在膜表面的附着进而减轻膜污染。

7.循环管中可设置一个或多个气冲洗或水冲洗装置17，使循环管中发生沉积的催化剂经冲洗后重新返回到循环体系。

本发明反应装置的连通管6和循环管8上可根据需要设置阀门，以控制本发明反应装置运行时废水的内循环流动。

本发明光催化反应区下部水箱2设置第一曝气装置，且第一曝气装置可根据需要设置成曝气板或者曝气管等形式，且第一曝气装置还可根据实际情况延伸至管式反应器中的适当位置，从而在光催化反应区中更好地形成气(气泡)、液(废水)、固(催化剂)三相流化床反应体系，并为光催化氧化反应提供氧气。

Claims

1.太阳光催化氧化-膜分离三相流化床循环反应装置，它包括光催化反应区和膜分离区，所述的光催化反应区包括复合抛物面采光板、管式反应器、上部水箱和下部水箱；其中所述的采光板由平截式复合抛物面构成；所述的管式反应器设置在所述的平截式复合抛物面的中心，其特征在于：所述的管式反应器既可以是双层同心圆结构(或双层同轴方形等其它结构形式)，亦可仅仅由单一的反应管构成；所述的下部水箱其特征在于设置有进水口、排泥口以及第一曝气装置，所述的上部水箱其特征在于由下部水箱中设置的第一曝气装置曝气时产生的气泡从此处排空，同时可根据需要为紫外灯等紫外光源提供固定所需平面；所述的膜分离区包括设置在所述的光催化反应区上部水箱侧面(或其它利于内循环流动的位置)的膜分离器壳体，以及在其中设置的与出水口相连通的膜组件，且在膜组件底部可根据需要设置第二曝气装置；所述的光催化反应区上部水箱、下部水箱分别和膜分离器壳体壁面和底部通过连通管和循环管相连通。

2.根据权利要求1所述的太阳光催化氧化-膜分离三相流化床循环反应装置，其特征在于：所述的复合抛物面采光板以竖直方向放置，且根据当地纬度而成一定的倾斜角度。

3.根据权利要求1所述的太阳光催化氧化-膜分离三相流化床循环反应装置，其特征在于：在所述的循环管中可根据需要设置一个或多个水冲洗或气冲洗装置。

4.根据权利要求1所述的太阳光催化氧化-膜分离三相流化床循环反应装置，其特征在于：所述的管式反应器可以是双层同心圆结构(或双层同轴方形等其它结构形式)，其中外管为对太阳紫外辐射有很高透射率的高硅氧玻璃管，内管为短波紫外光透射率达90％以上的石英管或者石英冷阱管等石英冷却管；此外，内管和外管亦可选用其它紫外透射率高的材料；所述的紫外灯等紫外光源(即人工光源)设置在所述的石英管或者石英冷阱管等石英冷却管内部，此时本发明所述的反应装置是双光源(太阳光和人工光源)结构。

5.根据权利要求1所述的太阳光催化氧化-膜分离三相流化床循环反应装置，其特征在于：所述的管式反应器还可以仅仅是单一的反应管，这时所述的本发明反应装置仅是单一太阳光光源结构，其中反应管为对太阳紫外辐射有很高透射率的高硅氧玻璃管，或亦可选用其它紫外透射率高的材料。

6.根据权利要求1所述的太阳光催化氧化-膜分离三相流化床循环反应装置，其特征在于：所述的光催化反应区的下部水箱为V型或其它结构形式的水箱。

7.根据权利要求1所述的太阳光催化氧化-膜分离三相流化床循环反应装置，其特征在于：在所述的下部水箱设置第一曝气装置，且第一曝气装置可根据需要设置成曝气板或者曝气管等形式，且第一曝气装置还可根据实际情况延伸至管式反应器中的适当位置。