CN102872768A - 太阳光自动跟踪光热催化-膜分离反应系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种太阳光自动跟踪光热催化-膜分离反应系统，旨在提供一种高效光热催化反应系统，它包括光热催化反应区、膜分离区、太阳光自动跟踪仪、系统控制区、太阳能发电区。通过曝气混合驱动方式将TiO2催化剂与污染物充分混合，促使混合液循环流动进行光热催化反应。本系统在太阳光自动跟踪仪的带动下能全天候跟踪太阳光，具有很高的光能利用率和传质效率，太阳光自动跟踪仪的设置大大提高了光热催化反应去除污染物的效率，使得光能利用率达到最大化；太阳能发电区所提供的电能能够满足整个系统所需电量，使本系统摆脱外接电源的束缚，真正做到了高效节能，自给自足。
Description
技术领域
本发明涉及一种光热催化反应系统，是一种太阳光自动跟踪光热催化-膜分离反应系统。本发明是一种不受天气影响的光催化氧化废水处理装置，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
能源短缺是世界面临的一个很严峻的问题，太阳能作为一种清洁无污染的新能源具有十分广阔的开发前景，随着对太阳能的大规模开发利用研究，发现固定式太阳能采集板的采光率和光电、光热转换率低下；采用太阳能自动跟踪仪可使太阳能采光板始终与太阳光垂直，保持光能最大的采集率和转换率。
光催化技术作为一种绿色水处理技术，在难降解废水处理的应用中具有独特的优势。针对TiO2光催化技术的研究和应用过程中所面临的主要问题之一是开发高效低耗光催化反应器，有效利用太阳光，利用自然能来修复自然。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根据催化剂存在的形态不同，可分为固定型、填充床和悬浮型。固定型光催化反应器因其流速较低，雷诺数偏小，流体处于层流状态，所以存在传质限制、耗能高等缺点；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。填充床式光催化反应器是在反应器内填充TiO2颗粒或者表面涂有TiO2膜的硅胶、氧化铝和石英砂等，其具有较高传质能力；但是，颗粒之间的碰撞会造成膜的脱落，不利用长时间运行。悬浮型光催化反应器中催化剂颗粒与污染物的混合液处于紊流状态，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；但其存在催化剂分离回收、重复利用的难题，因此，如何实现催化剂的分离回收循环利用是悬浮型光催化反应器所面临的主要问题。
申请号为200910229101.5公开了一种新型光催化氧化-膜分离悬浮型反应器，该反应器将膜分离技术与悬浮型光催化反应器耦合，通过膜组件的分离作用可以有效的解决了催化剂分离回收难题，使得催化剂始终处于良好的悬浮状态，且其活性亦保持不变，可实现长期、稳定地运行。
已有研究表明，在较高反应温度下光催化与热催化的耦合是一种崭新的反应途径而不只是TiO2催化剂光催化性能与热催化性能的简单叠加。光热协同催化在TiO2光催化剂中的作用原理是遵循Mars-vanKrevelen氧化还原循环机制，根据这种机制，在光催化反应基础上，增加反应区的温度，有效的利用光催化和热催化的协同作用，能够大幅提高TiO2对污染物的降解效率和速率。
发明内容
本发明综合悬浮型光催化反应器的优点、膜分离技术的优点、太阳光自动跟踪仪的特点及光热协同效应，其目的是提出一种太阳光自动跟踪光热催化-膜分离反应系统，该系统将悬浮型光催化反应器、膜分离技术、太阳光自动跟踪技术和光热催化技术有机的耦合在一起，不仅提高了太阳光能利用率、最大限度的利用自然能源，而且，通过膜分离装置实现了催化剂的循环、回收和重复利用、减少资源浪费；并且其在结构上具有既可以为“紫外光+太阳光”的双光源结构、亦可以为单一光源结构的特征。本系统采用太阳能发电供电方式，太阳能发电装置的引入减少了电能的消耗，有效的降低了能耗。
为实现上述目的，本发明需要解释方案是提供一种太阳光自动跟踪光热催化-膜分离反应系统，其特征是：该系统包括有光热催化反应区、膜分离区、系统控制区、太阳能发电区；所述光热催化反应区通过光热催化反应管与膜分离区的气液分离水箱相连接，经过膜分离区分离之后的TiO2催化剂混合液通过循环管返回到光热催化反应区，由此组成一个循环反应系统，系统控制区通过系统控制面板的调节装置与控制系统运行的工作状态，太阳能发电区通过太阳能电池组件直接对系统控制区提供所需能源；
所述的光热催化反应区包括有均匀配水器、太阳光聚能板、光热催化反应管和太阳光自动跟踪仪；在所述太阳光聚能板的转动轴上设置太阳光自动跟踪仪，通过控制太阳光自动跟踪仪的阳光捕捉器和电机，带动太阳光聚能板追随太阳光转动，光热催化反应管固定在太阳光聚能板的聚光焦点的中心线上；光热催化反应管内设有低压紫外灯；所述均匀配水器通过分流管与光热催化反应管相连接；
所述的膜分离区包括有气液分离水箱、膜组件、加热电阻棒和出水管；所述气液分离水箱为全封闭外设隔热保温层的整体结构，在气液分离水箱的上部设有排气孔，气液分离水箱的内壁附着有加热电阻棒，所述的膜组件悬挂在气液分离水箱中与出水管相连；
所述的系统控制区包括在电源总线设有系统运行总开关及在各功能分区供电总线设有分开关，在系统运行控制面板上设有系统运行控制中枢、系统运行状态显示屏、太阳能光伏发电调节控制器、蓄电池组储电量状态调节器、太阳光自动跟踪仪控制器、曝气量调节控制器、加热电阻棒控制控制器、紫外灯光强控制器、进水口流量及压力控制器、膜出水控制器、光热反应区温度控制器、光热反应区pH调节控制器、膜组件反冲洗控制器和循环管气冲反冲洗控制器；通过系统内设置的感应器，将系统运行数据传输到系统运行控制中枢中，经过电信号转变在系统运行状态显示屏中显示出当前系统运行状态。通过调节各控制器进行系统运行控制。
所述的太阳能发电区包括有太阳能控制器，并与太阳能电池组件、蓄电池组相连接；太阳能电池组件包括支架、背板、接线盒、太阳能电池片，与太阳能电池组件连接有直流电能转换成交流电能的逆变器，所述太阳能控制器对蓄电池组的过充电保护及过放电保护进行控制。
采用本发明系统在废水处理时能达到以下效果：
1、太阳能聚光板以南北方向放置，且根据当地纬度而成一定的倾斜角度n；本系统的太阳能聚光板在太阳光自动跟踪装置的带动下能全天候跟踪收集太阳光，具有很高的光能利用率和传质效率，使得光能利用率达到了最大化，可满足光热催化反应的光能及热能需求，大大提高了光热催化反应效率。
2、本系统在太阳光自动跟踪仪的带动下能全天候跟踪太阳光，具有很高的光能利用率和传质效率，使得光能利用率达到了最大化；太阳能发电区接受太阳的辐射并将其转换为电能，太阳能发电区的太阳能电池组件所提供的电能一方面提供整个系统运行所需电量，另一方面可在阳光充足时对蓄电池组储备电量，可在阴雨天等太阳光较弱时对系统提供所需电量，使本系统摆脱外接电源的束缚，真正做到了高效节能，自给自足。
3、该系统可根据需要而设计为太阳光和紫外光的双光源结构，阴雨天及太阳光强较弱时，可开启紫外光和加热电阻丝，主要利用紫外光源和加热电阻棒进行光热催化降解反应，使系统实现全天候运转；晴天时太阳光和紫外光源则可互为补充，使系统保持较高的处理效率。
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、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为本发明的太阳光自动跟踪光热催化-膜分离反应系统结构示意图；
图2为本系统太阳光聚能板及双光源光热催化反应管结构剖面图；
图3为本系统太阳光聚能板与水平面夹角示意图；
图4为本系统平面示意图；
图5为均匀配水器结构图；
图6为本系统运行流程示意图；
图7为太阳能发电供电示意图。
1、进水管 2、曝气管 3、曝气泵 4、光热催化反应管5、太阳光聚能板 6、太阳光自动跟踪仪 7、气液分离水箱8、太阳能电池组件 9、出水管 10、膜组件 11、聚能板支架12、循环管 13、低压紫外灯 14、光热催化层15、真空保温层 16、蓄电池组 17、加热电阻棒18、石英管 19、均匀配水器 20、气冲反冲洗阀门a、循环水进水口 b、导流锥 c、配水器出水连接口d、原水进水口 e、排泥口 m、k、j为均匀配水器设计参数
具体实施方式
下面结合附图对本发明的太阳光自动跟踪功能的光热催化-膜分离反应系统作详细描述。
本发明的太阳光自动跟踪光热催化-膜分离反应系统结构是：该系统包括有光热催化反应区、膜分离区、系统控制区、太阳能发电区；所述光热催化反应区通过光热催化反应管与膜分离区的气液分离水箱相连接，经过膜分离区分离之后的TiO2催化剂混合液通过循环管返回到光热催化反应区，由此组成一个循环反应系统，系统控制区通过系统控制面板的调节装置与控制系统运行的工作状态，太阳能发电区通过太阳能电池组件直接对系统控制区提供所需能源。
所述的光热催化反应区包括有均匀配水器19、太阳光聚能板5、光热催化反应管4和太阳光自动跟踪仪6；在所述太阳光聚能板5的转动轴上设置太阳光自动跟踪仪6，通过控制太阳光自动跟踪仪6的阳光捕捉器和电机，带动太阳光聚能板5追随太阳光转动，光热催化反应管4固定在太阳光聚能板5的聚光焦点的中心线上；光热催化反应管4内设有低压紫外灯13；所述均匀配水器19通过分流管与光热催化反应管4相连接。
所述的膜分离区包括有气液分离水箱7、膜组件10、加热电阻棒17和出水管9；所述气液分离水箱7为全封闭外设隔热保温层的整体结构，在气液分离水箱7的上部设有排气孔，气液分离水箱7的内壁附着有加热电阻棒17，所述的膜组件10悬挂在气液分离水箱7中与出水管9相连。
所述的系统控制区包括在电源总线设有系统运行总开关及在各功能分区供电总线设有分开关，在系统运行控制面板上设有系统运行控制中枢、系统运行状态显示屏、太阳能光伏发电调节控制器、蓄电池组储电量状态调节器、太阳光自动跟踪仪控制器、曝气量调节控制器、加热电阻棒控制控制器、紫外灯光强控制器、进水口流量及压力控制器、膜出水控制器、光热反应区温度控制器、光热反应区pH调节控制器、膜组件反冲洗控制器和循环管气冲反冲洗控制器；通过系统内设置的感应器，将系统运行数据传输到系统运行控制中枢中，经过电信号转变在系统运行状态显示屏中显示出当前系统运行状态。通过调节各控制器进行系统运行控制。
所述的太阳能发电区包括有太阳能控制器，并与太阳能电池组件8、蓄电池组16相连接；太阳能电池组件8包括支架、背板、接线盒、太阳能电池片，与太阳能电池组件8连接有直流电能转换成交流电能的逆变器，所述太阳能控制器对蓄电池组16的过充电保护及过放电保护进行控制。
所述的光热催化反应管4是三层同心圆结构，光热催化反应管4由外到内分为真空保温层15、光热催化层14、低压紫外灯13，光热催化反应管4为短波紫外光透射率达90％以上的石英管或石英冷阱管。本系统的光热催化反应区中的光热催化反应管4内设有低压紫外灯13和加热电阻棒17，以在阳光光强较弱及阴雨天气时，打开低压紫外灯13和加热电阻棒17，为光热催化反应区提供所需光能和热能，以保证光热催化降解效率，形成双光源供热结构。
所述的太阳光聚能板5的放置方向以经度为基准南北纵向放置，太阳光聚能板5放置角度为n，n是指所述系统所属地区的纬度，以调节使太阳光聚光板5与太阳光垂直。
所述的均匀配水器19背部中心位置设有原水进水口d、在分流管连接短管底部设有排泥口e和曝气管2、曝气管2延伸到分流管中，循环水进水口a位于均匀配水器顶部中心位置，循环水由循环水进水口a进入均匀配水器19中，在导流锥b的作用下将水流均匀分配到两边的分流管连接短管中，然后经配水器出水连接口c进入分流流管和光热催化反应管4中。设计参数m为均匀配水器出水连接口底部与弯角底部的水平距离；夹角K为两分流管的水平夹角；夹角j为均匀配水器底部内夹角。各设计参数为:10mm<m<100mm、30°<夹角k<90°、90°<夹角j<180°。
所述的光热催化反应区中的均匀配水器19中的曝气管2也能够设置成曝气板、曝气片或曝气头结构。
所述经过膜分离区分离之后TiO2催化剂混合液通过的循环管12中设置一个或多个水冲反冲洗或气冲反冲洗装置。
如图1所示，本发明的太阳光自动跟踪光热催化-膜分离反应系统，它包括光热催化反应区、膜分离区、太阳光自动跟踪仪、系统控制区、太阳能发电区。所述的光热催化反应区包括均匀配水器19、太阳光聚能板5、光热催化反应管4和太阳光自动跟踪仪6；所述的光热催化反应管4设置在太阳光聚能板5的中心位置。太阳光聚能板5的转动轴上设置太阳光自动跟踪仪6。
图2是本系统太阳光聚能板及双光源光热催化反应管结构剖面图。所述的光热催化反应管4分为三层结构：真空保温层15、光热催化层14和内层低压紫外灯13。膜分离区由气液分离水箱7、膜组件10及加热电阻棒17构成；在气液分离水箱7的内壁附着有加热电阻棒17，在气液分离水箱7中设置有浸没式膜组件10，膜组件10与出水管9相连，出水管9与定期膜组件反冲洗装置相连接，所述的膜组件10可采用帘式膜或者U形膜等膜组件。在所述的循环管12上设置有气冲反冲洗阀20和闸阀。太阳能发电区由太阳能电池组件8和蓄电池组16组成。太阳能发电区的太阳能电池组件所提供的电能一方面能够满足整个系统运行所需电量，另一方面通过蓄电池组储备电量，可在阴雨天对系统提供所需电量。
其工作原理如下：
在阳光充足的晴天，开启太阳光自动跟踪仪，使太阳光聚能板5在太阳光自动跟踪仪6的带动下转动，直到太阳光聚能板5与阳光垂直；然后开启曝气泵3，在均匀配水器19中产生的曝气气流作用下，由原水进水管1进入均匀配水器19的废水与TiO2催化剂迅速混合，在均匀配水器19和光热催化反应管4中形成气、液、固三相反应循环体系；在太阳光照射作用下，流经光热催化反应管4的废水发生光热催化降解反应。被降解处理过的废水进入气液分离水箱7，设置气液分离水箱7中的膜组件10将催化剂与废水分离，分离之后的催化剂经循环管12回流至系统下部的均匀配水器19，由此形成一个废水→均匀配水器→光热催化反应管→气液分离水箱→膜组件→循环管→均匀配水器的内循环流动。膜组件10将进入膜分离器中的TiO2截留，被处理的水由出水口9排出；而被截留的TiO2随废水的内循环流动经循环管12再回到均匀配水器19和光热催化反应管4中，实现TiO2在系统中的循环、重复利用。循环管12中设置的气冲反冲洗阀门20使沉积于其中的TiO2返回至循环体系中，避免因TiO2在循环管12中发生沉积而导致其在系统中悬浮浓度的不断降低。在太阳光的照射下，自动跟踪仪6会带动太阳光聚能板5自动跟踪收集太阳光，太阳能电池组件8会将太阳能转化为电能储备在蓄电池组中，用来提供阴雨天气系统运行所需能量。
在阳光光强较弱与阴雨天气，开启曝气泵3，在均匀配水器19中产生的曝气气流作用下，由原水进水管1进入均匀配水器19的废水与TiO2催化剂迅速混合，在均匀配水器19和光热催化反应管4中形成气、液、固三相反应循环体系；10min之后开启低压紫外灯13和加热电阻棒17，气液分离水箱7中的废水经过加热电阻棒17的加热作用和光热催化反应管4的废水在紫外光的光催化作用下发生光热催化降解反应。被降解处理过的废水进入气液分离水箱7，设置气液分离水箱7中的膜组件10将催化剂与废水分离，分离之后的催化剂经循环管12回流至系统下部的均匀配水器19，由此形成一个废水→均匀配水器→光热催化反应管→气液分离水箱→膜组件→循环管→均匀配水器的内循环流动。
Claims (8)
1.一种太阳光自动跟踪光热催化-膜分离反应系统，其特征是：该系统包括有光热催化反应区、膜分离区、系统控制区、太阳能发电区；所述光热催化反应区通过光热催化反应管与膜分离区的气液分离水箱相连接，经过膜分离区分离之后的TiO2催化剂混合液通过循环管返回到光热催化反应区，由此组成一个循环反应系统，系统控制区通过系统控制面板的调节装置与控制系统运行的工作状态，太阳能发电区通过太阳能电池组件直接对系统控制区提供所需能源；
所述的光热催化反应区包括有均匀配水器（19）、太阳光聚能板（5）、光热催化反应管（4）和太阳光自动跟踪仪（6）；在所述太阳光聚能板（5）的转动轴上设置太阳光自动跟踪仪（6），通过控制太阳光自动跟踪仪（6）的阳光捕捉器和电机，带动太阳光聚能板（5）追随太阳光转动，光热催化反应管（4）固定在太阳光聚能板（5）的聚光焦点的中心线上；光热催化反应管（4）内设有低压紫外灯（13）；所述均匀配水器（19）通过分流管与光热催化反应管（4）相连接；
所述的膜分离区包括有气液分离水箱（7）、膜组件（10）、加热电阻棒（17）和出水管（9）；所述气液分离水箱（7）为全封闭外设隔热保温层的整体结构，在气液分离水箱（7）的上部设有排气孔，气液分离水箱（7）的内壁附着有加热电阻棒（17），悬挂在气液分离水箱（7）中的膜组件（10）与出水管（9）相连；
所述的系统控制区包括在电源总线设有系统运行总开关及在各功能分区供电总线设有分开关，在系统运行控制面板上设有系统运行控制中枢、系统运行状态显示屏、太阳能光伏发电调节控制器、蓄电池组储电量状态调节器、太阳光自动跟踪仪控制器、曝气量调节控制器、加热电阻棒控制控制器、紫外灯光强控制器、进水口流量及压力控制器、膜出水控制器、光热反应区温度控制器、光热反应区pH调节控制器、膜组件反冲洗控制器和循环管气冲反冲洗控制器；通过系统内设置的感应器，将系统运行数据传输到系统运行控制中枢中，经过电信号转变在系统运行状态显示屏中显示出当前系统运行状态。通过调节各控制器进行系统运行控制。
所述的太阳能发电区包括有太阳能控制器，并与太阳能电池组件（8）、蓄电池组（16）相连接；太阳能电池组件（8）包括支架、背板、接线盒、太阳能电池片，与太阳能电池组件（8）连接有直流电能转换成交流电能的逆变器，所述太阳能控制器对蓄电池组（16）的过充电保护及过放电保护进行控制。
2.根据权利要求1所述的太阳光自动跟踪光热催化-膜分离反应系统，其特征是：所述的均匀配水器（19）背部中心位置设有原水进水口d、在分流管连接短管底部设有排泥口e和曝气管（2）、曝气管（2）延伸到分流管中，循环水进水口a位于均匀配水器顶部中心位置，循环水由循环水进水口a进入均匀配水器(19)中，在导流锥b的作用下将水流均匀分配到两边的分流管连接短管中，然后经配水器出水连接口c进入分流管和光热催化反应管（4）中。
3.根据权利要求1所述的太阳光自动跟踪光热催化-膜分离反应系统，其特征是：所述的光热催化反应区中的均匀配水器（19）中的曝气管（2）也能够设置成曝气板、曝气片或曝气头结构。
4.根据权利要求1所述的太阳光自动跟踪光热催化-膜分离反应系统，其特征是：所述经过膜分离区分离之后TiO2催化剂混合液通过的循环管（12）中设置一个或多个水冲反冲洗或气冲反冲洗装置。
5.根据权利要求1所述的太阳光自动跟踪光热催化-膜分离反应系统，其特征是：所述的太阳光聚能板（5）的放置方向以经度为基准南北纵向放置，太阳光聚能板（5）放置角度为n，n是指所述系统所属地区的纬度，以调节使太阳光聚光板（5）与太阳光垂直。
6.根据权利要求1所述的太阳光自动跟踪光热催化-膜分离反应系统，其特征是：所述的光热催化反应管（4）是三层同心圆结构，光热催化反应管（4）由外到内分为真空保温层（15）、光热催化层（14）、低压紫外灯（13），光热催化反应管（4）为短波紫外光透射率达90％以上的石英管或石英冷阱管。
7.根据权利要求1所述的太阳光自动跟踪光热催化-膜分离反应系统，其特征是：本系统的光热催化反应区中的光热催化反应管（4）内设有低压紫外灯（13）和加热电阻棒（17），以在阳光光强较弱及阴雨天气时，打开低压紫外灯（13）和加热电阻棒（17），为光热催化反应区提供所需光能和热能，以保证光热催化降解效率，形成双光源供热结构。
8.根据权利要求1或2或3所述的太阳光自动跟踪光热催化-膜分离反应系统，其特征是：所述的均匀配水器（19）的设计参数m为均匀配水器出水连接口底部与弯角底部的水平距离：10mm<m<100mm；夹角K为两分流管的水平夹角：30°<夹角k<90°；夹角j为均匀配水器底部内夹角：90°<夹角j<180°。
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