CN102923812B - 三相内循环光催化反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三相内循环光催化反应器，设置包括筒体、导流管、石英套管和紫外灯；其特征在于：导流管内设置导流罩，导流罩的顶部设置导流罩出气管和锥形斜板构成沉淀池，导流管、导流罩和锥形斜板采用固定杆与筒体固定；所述的导流罩和导流管是用内壁镀有水银的玻璃制作，导流罩的罩口与导流管下端口距离≤3cm，所述的锥形斜板设置4层以上。废水由进水管进入，经过曝气带动形成内循环流动，处理后水、催化剂和气体在三相分离器中分离，得到干净出水。本发明具有光源利用率高，催化剂传质效果好，反应与分离一体化的优点。实际运行中污染物去除率高，操作简单，连续运行，催化剂回收方便，适合工业化应用，具有较好的经济效益、环境效益和社会效益。
Description
发明领域
本发明属于机械技术领域，具体涉一种光源利用率高，催化剂传质效果好，反应与分离一体化的三相内循环光催化反应器。
背景技术
随着我国工业化的不断发展，浓度高，成分复杂，含有有毒难降解物质，可生化降解性差的工业废水处理已成为当前水处理关注的热点。例如石油、化工、农药、制药、印染废水等，常规污水处理工艺很难实现稳定，高效处理，对于这类有毒有害废水一般采用高级氧化法。其中TiO2光催化技术是一种高效的深度氧化过程，可有效地将水体中的卤代烃类、表面活性剂、染料、含氮有机物、抗生素、杀虫剂等迅速矿化，达到消毒、脱色、除臭目的。而且，这类材料还具重复使用性，具有省资、高效、节能、不存在二次污染等优点，是一种应用前景广阔的绿色环境治理技术。
近20年来，研究者们对光催化机理、催化剂材料的制备和改性以及处理各种难降解有机物的研究取得了大量成果，但该技术在实现工业化推广和应用过程中，仍存在光反应效率低，难以高效连续运行，催化剂难以回收的问题。因此，高效、实用的反应器设计显得尤为必要。光催化反应器设计的问题比传统化学反应器复杂，涉及光照辐射、质量传递与混合、流动方式、反应动力学、催化剂的负载与分离等等。目前的反应器设计中存在以下问题：
①光源照射效率不高:一些采用光源外置的反应器，光利用率低；而内置光源虽然能提高效率，但在实际应用中，由于工业废水成分复杂，COD与SS很高，紫外光在这种废水中透射能力很低，光强衰减很快，所以距离光源较远的催化剂和废水很难得到光激发。
②催化剂和污染物的传质效果不好：采用普通浆式搅拌器一些催化剂容易沉积在反应器底部，混合效果不佳。
③催化剂、污染物分离困难：一些反应器采用外接沉淀池的方式进行催化剂、污染物与出水的分离，但会增加处理成本，易造成二次污染，反应无法连续运行，处理效率低。因此，必须设计一种光源效率高，传质效果好，反应和分离一体化，连续运行的反应器。
在流动相反应器中，按催化剂的存在方式可以分为桨式反应器，固定床反应器和流化床反应器。固定床反应器优点是反应分离容易，但催化剂比表面积大，光源利用率低，而且在长期运行中可能会有污染物附着于载体表面而导致光催化效率降低。桨式反应器催化剂多为纳米TiO2粉末，通过桨叶搅拌的形式混合。由于工业废水中SS很高，紫外光透射能力低，靠近光源的地方反应速率快，催化剂表面污染物更新快，而远离光源的地方催化剂表面污染物更新慢，反应效率低。单一的搅拌混合方式可能存在传质不均匀的问题，而且分离效果不好。采用内循环流化床反应器并设分离装置是能有效解决上述问题。周亚松等人采用流化床反应器（发明专利公开号CN 1199870C）通过底部曝气方式实现催化剂的流化态和充分混合，催化剂不断上下流动和摩擦，混合均匀，传质效果好；反应器上下采用多孔烧结板，将催化剂固定于一个区域，易于实现催化剂分离。但也存在以下问题：内置套管光源中紫外光在SS高的工业废水中衰减很快，反应器允许环隙宽度窄；底部曝气使催化剂流化，但是没有设置适当导流板控制流态，实现内循环流动；多孔烧结板长期运行可能会导致堵塞，没有实质上解决分离的问题。尤宏等人设计的多光源三相循环流化床光化学反应器和Fe/无机载体催化剂的制备及其废水处理方法（发明专利公开号CN 1994546A）中，反应器实现了内循环，但只通过设置导流板进行固、液、气三相的分离，会产生相互干扰，分离效果不好；另外采用芬顿试剂作为催化剂，pH必须控制在酸性，容易产生铁泥，限制其应用范围。
发明内容
本发明的目的是针对光催化反应器中存在的问题，提供一种光源利用率高，催化剂传质效果好，反应与分离实现一体化，能够连续运行并且简单实用，应用于废水处理和化学工程光催化技术领域的三相内循环光催化反应器。
本发明采用的技术方案如下：
一种三相内循环光催化反应器，设置包括筒体、导流管、石英套管和紫外灯；所述的筒体设置上封头和下封头，上封头与筒体端头法兰连接；石英套管和紫外灯置于导流管的中央，导流管置于筒体的中央；筒体的下封头设置进水管、曝气器和排泥阀，上端设置出气管和出水管，其特征在于：导流管设置导流罩，导流罩的顶部设置锥形斜板构成沉淀池，导流管、导流罩和锥形斜板采用固定杆与筒体固定。
以上所述的导流罩和导流管是采用内壁镀有水银的玻璃玻璃导流罩和导流管。
以上所述的导流罩设置为直筒形，导流罩的罩顶设置导流罩出气管，导流罩的罩口与导流管下端口距离≤3cm。
以上所述的锥斜板包括波纹锥形斜板和常用锥形斜板，锥形斜板设置4层以上。
以上所述的出水管固定在筒体的上端，出水管的出进水囗置于锥形斜板的锥顶中心上方，出水管的另一端设置出水阀。
以上所述的出气管固定在上封头上并与内室相通，出气管的另一端设置出气阀。
以上所述的进水管固定在下封头上，进水管的出水口向上，设置在石英套管的下方，进水管的另一端设置进水阀。
以上所述的石英套管和紫外灯设置一组以上。
以上所述的下封头的底部设置排泥阀。
以上所述的曝气器设置在进水管的下方，与固定在下封头上的进气管连接；进气管的另一端设置进气阀和鼓风机，并依次连接。
本三相内循环光催化反应器的材料采用金属和塑料一种以上制作而成。
本三相内循环光催化反应器应用于污水处理和化学工程光催化反应技术领域。
本三相内循环光催化反应器的工作原理：
工作时，将处理废水经进水管进入反应器，并加入催化剂，同时开动鼓风机通过进气管鼓入空气在曝气器不断曝气；上升的空气推动反应液和催化剂从导流管中上升，多余的空气通过导流罩出气管排到反应器的顶端，在导流罩的作用下，反应液折流到反应器的沉淀池下段，再经曝气上升，形成流化和内循环的状态，同时一部分处理后废水从导流罩外部的沉淀区缓慢上升，经反应器的锥形斜板进一歨除尘，得到处理后清水，部分未反应的催化剂和一些污染物经过沉淀作用到达反应器底部，并与连续加入的污水一起在气流和水流作用下重新进入反应器的导流管继续参与反应，处理后清水在反应器上段设置的出水管排出，气体经反应器顶部的出气管排出；反应经过一段时间后，打开排泥阀将底泥和催化剂排出更换催化剂。
本发明的优点和积极效果：
1、在反应器内的石英套管外部设置圆柱形导流管和导流罩，底部液体经过曝气气流带动，从导流管往上流动，到导流罩顶部后反应液折流到反应器的沉淀池下段，再经曝气上升，形成流化和内循环的状态，同时一部分处理后废水从导流罩外部的沉淀区缓慢上升，经反应器的锥形斜板进一歨除尘，得到处理后清水，部分未反应的催化剂和一些污染物经过沉淀作用到达反应器底部，并与连续加入的污水一起在气流和水流作用下重新进入反应器的导流管继续参与反应，催化剂和污染物在反应器内保持流化状态和循环流动，可以实现充分混合，催化剂表面不断碰撞摩擦，污染物与催化剂不断接触与分离，从而实现高效传质。
2、本发明中的导流管和导流罩内壁镀有水银的玻璃作为反射紫外光的材料，紫外光经光源发射到导流管和导流罩被反射回来，整个导流管和导流罩内部形成一个紫外光强很高，照射很强的反应空间，称为反应区；催化剂负载的污染物在反应区内得到高效降解，经过内循环进入导流罩外部后反应速率降低，催化剂内循环流动到底部后，与进水管进入的废水在曝气扰动的作用下重新混合，进行下一周期的反应。通过这种方式，催化剂表面污染经常得到更新，保持较高的活性反应速率得以加强，效率提高。通常的光催化反应器，由于紫外光在COD和SS很高的废水中透射能力很低，能有效接收光源并参与反应的催化剂实际上只存在于紫外光源周围。因此，光源内置的同轴套管式反应器允许的狭缝宽度很窄。
3、本发明的固、液、气三相的分离由一体化的三相内循环光催化反应器完成，催化剂与污泥颗粒进入沉淀区，沉淀区较宽，水流缓慢，催化剂与污泥等颗粒经过锥形斜板沉淀作用落回反应器中，继续参与循环反应。反应器可以有效实现污染物、催化剂、气体和出水的三相分离，出水水质得到提高，污染物去除率接近100%。实现反应与分离一体化，能够连续运行并且简单实用，易于实现工业化应用。
附图说明
图1：三相内循环光催化反应器的结构示意图；
图中：1-上封头、2-出气阀、3-出气管、4-出水管、5-反应池、6-沉淀池、7-筒体、8-导流罩、9-导流管、10-石英套管、11-进水管、12-进水阀、13-曝气器、14-排泥阀、15-进气管、16-鼓风机、17-进气阀、18-紫外灯、19-锥形斜板、20-导流罩出气管、21-出水阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细描述。旨在帮助读者理解，不能构成对本发明实施范围的限定。
实施例1
三相内循环光催化反应器，设置包括金属的筒体7、内壁镀有水银的玻璃导流管9、石英套管10和紫外灯18；所述的筒体7设置金属的上封头1和下封头，上封头1与筒体7端头法兰连接；石英套管10和紫外灯18设置三组呈等边三角形布置置于导流管9的中央，导流管9置于筒体7的中央；筒体7的和下封头设置进水管11、曝气器13和排泥阀14，上端设置出气管3和出水管4，导流管9设置内壁镀有水银的直筒形玻璃导流罩8，导流罩8的罩顶设置导流罩出气管20，导流罩8的罩口与导流管9下端口距离1cm，导流罩8的顶部设置4层和中央设置出水孔铝合金的锥斜板19构成沉淀池6，导流管9、导流罩8和锥形斜板19采用固定顶杆或横杆固定在筒体7中央。出水管4固定在筒体7的上端，出水管4的出进水囗置于锥形斜板19的锥顶中心上方，出水管4的另一端设置出水阀21。出气管3固定在上封头1上并与内室相通，出气管3的另一端设置出气阀2。进水管11固定在下封头上，进水管11的出水口向上，设置在石英套管10的下方，塑料进水管11的另一端设置塑料进水阀12。塑料曝气器13设置在进水管11的下方，与固定在下封头上的进气管15连接；塑料进气管15的另一端设置塑料进气阀17和鼓风机16，并依次连接。下封头的底部设置排泥阀14。
工作时，将要处理的50mg/L甲基橙溶液高浓度染料废水以0.2L/min，经进水管进入反应器，并加入TiO2催化剂，其用量为1.3g/L，同时开动鼓风机通过进气管鼓入空气在曝气器不断曝气，气流量为0.4L/min，使催化剂保持流化状态，推动水流循环；上升的空气推动反应液和催化剂从导流管中上升，多余的空气通过导流罩出气管排到反应器的顶端，在导流罩的作用下，反应液折流到反应器的沉淀池下段再经曝气上升，形成流化和内循环的状态，同时一部分废水从导流罩外部的沉淀段缓慢上升，经反应器的锥形斜板进一歨除尘，得到处理后清水，部分未反应的催化剂和一些污染物经过沉淀作用到达反应器底部，并与连续加入的污水一起在气流和水流作用下重新进入反应器的导流管继续参与反应，处理后清水在反应器上段设置的出水管排出，气体经反应器顶部的出气管排出；累计反应时间10h，发现催化剂颜色变暗，效率降低后，打开排泥阀将底泥和催化剂排出更换催化剂。结果为处理50mg/L甲基橙溶液停留时间3h，出水的去除率为96.4%。
为了进行对比，在原反应器基础上将内壁镀有水银的直筒形玻璃导流罩和内壁镀有水银的玻璃导流管撤掉制作的常规处理设备，采用同样的处理过程处理50mg/L甲基橙溶液只降解了72.1%。证明了该三相内循环光催化反应器对高浓度染料废水具有较好的处理效果。
实施例2
三相内循环光催化反应器，设置包括塑料的筒体7、内壁镀有水银的玻璃导流管9、石英套管10和用三个28W紫外灯18；所述的筒体7设置塑料的上封头1和下封头，上封头1与筒体7端头法兰连接；石英套管10和紫外灯18设置三组呈等边三角形布置置于导流管9的中央，导流管9置于筒体7的中央；筒体7的下封头设置进水管11、曝气器13和排泥阀14，上端设置出气管3和出水管4，导流管9设置内壁镀有水银的直筒形玻璃导流罩8，导流罩8的罩顶设置导流罩出气管20，导流罩8的罩口与导流管9下端口距离2cm，导流罩8的顶部设置6层和中央设置出水孔铝合金的锥形形波纹斜板19构成沉淀池6，导流管9、导流罩8和锥形斜板19采用固定顶杆或横杆固定在筒体7中央。塑料出水管4固定在塑料筒体7的上端，塑料出水管4的出进水囗置于锥形斜板19的锥顶中心上方，塑料出水管4的另一端设置塑料出水阀21。塑料出气管3固定在塑料上封头1上并与内室相通，塑料出气管3的另一端设置塑料出气阀2。塑料进水管11固定在塑料下封头上，塑料进水管11的出水口向上，设置在石英套管10的下方，进水管11的另一端设置进水阀12。曝气器13设置在塑料进水管11的下方，与固定在塑料下封头上的塑料进气管15连接；塑料进气管15的另一端设置塑料进气阀17和鼓风机16，并依次连接。下封头的底部设置排泥阀14。
工作时，将要处理的20mg/L甲基橙溶液低浓度染料废水以0.6L/min经进水管进入反应器，并加入TiO2催化剂，其用量为1.4g/L，同时开动鼓风机通过进气管鼓入空气在曝气器不断曝气，气流量为0.5L/min，使催化剂保持流化状态，推动水流循环；上升的空气推动反应液和催化剂从导流管中上升，多余的空气通过导流罩出气管排到反应器的顶端，在导流罩的作用下，反应液折流到反应器的沉淀池下段，再经曝气上升，形成流化和内循环的状态，同时一部分废水从导流罩外部的沉淀段缓慢上升，经反应器的锥形斜板进一歨除尘，得到处理后清水，部分未反应的催化剂和一些污染物经过沉淀作用到达反应器底部，并与连续加入的污水一起在气流和水流作用下重新进入反应器的导流管继续参与反应，处理后清水在反应器上段设置的出水管排出，气体经反应器顶部的出气管排出；累计反应时间15h，发现催化剂颜色变暗，效率降低后，打开排泥阀将底泥和催化剂排出更换催化剂。结果为处理20mg/L甲基橙溶液停留时间1h，出水的去除率为98.8%。
为了进行对比，在原反应器基础上将内壁镀有水银的直筒形玻璃导流罩和内壁镀有水银的玻璃导流管撤掉制作的常规处理设备，采用同样的处理过程处理20mg/L甲基橙溶液只降解了75%。证明了该三相内循环光催化反应器对低浓度染料废水具有较好的处理效果。
实施例3
三相内循环光催化反应器，设置包括塑料的筒体7、内壁镀有水银的玻璃导流管9、石英套管10和一个90W紫外灯18；所述的筒体7设置塑料的上封头1和下封头，上封头1与筒体7端头法兰连接；石英套管10和紫外灯18设置三组呈等边三角形布置置于导流管9的中央，导流管9置于筒体7的中央；筒体7的下封头设置进水管11、曝气器13和排泥阀14，上端设置出气管3和出水管4，导流管9设置内壁镀有水银的直筒形玻璃导流罩8，导流罩8的罩顶设置导流罩出气管20，导流罩8的罩口与导流管9下端口距离2cm，导流罩8的顶部设置5层和中央设置出水孔铝合金的锥形波纹斜板19构成沉淀池6，导流管9、导流罩8和锥形波纹斜板19采用固定顶杆或横杆固定在筒体7中央。塑料出水管4固定在塑料筒体7的上端，塑料出水管4的出进水囗置于锥形波纹斜板19的锥顶中心上方，塑料出水管4的另一端设置塑料出水阀21。塑料出气管3固定在塑料上封头1上并与内室相通，塑料出气管3的另一端设置塑料出气阀2。塑料进水管11固定在塑料下封头上，塑料进水管11的出水口向上，设置在石英套管10的下方，进水管11的另一端设置进水阀12。曝气器13设置在塑料进水管11的下方，与固定在塑料下封头上的塑料进气管15连接；塑料进气管15的另一端设置塑料进气阀17和鼓风机16，并依次连接。下封头的底部设置排泥阀14。
工作时，将要处理的20mg/L甲基橙溶液低浓度染料废水以0.6L/min经进水管进入反应器，并加入TiO2催化剂，其用量为1.3g/L，同时开动鼓风机通过进气管鼓入空气在曝气器不断曝气，气流量为0.6L/min，使催化剂保持流化状态，推动水流循环；上升的空气推动反应液和催化剂从导流管中上升，多余的空气通过导流罩出气管排到反应器的顶端，在导流罩的作用下，反应液折流到反应器的沉淀池下段，再经曝气上升，形成流化和内循环的状态，同时一部分废水从导流罩外部的沉淀段缓慢上升，经反应器的锥形斜板进一歨除尘，得到处理后清水，部分未反应的催化剂和一些污染物经过沉淀作用到达反应器底部，并与连续加入的污水一起在气流和水流作用下重新进入反应器的导流管继续参与反应，处理后清水在反应器上段设置的出水管排出，气体经反应器顶部的出气管排出；累计反应时间15h，发现催化剂颜色变暗，效率降低后，打开排泥阀将底泥和催化剂排出更换催化剂。结果为处理20mg/L甲基橙溶液停留时间1h，出水的去除率为97.3%。
为了进行对比，在原反应器基础上将内壁镀有水银的直筒形玻璃导流罩和内壁镀有水银的玻璃导流管撤掉制作的常规处理设备，采用同样的处理过程处理20mg/L甲基橙溶液只降解了75%。证明了该三相内循环光催化反应器采用单灯管光源对低浓度染料废水仍具有较好的处理效果。
Claims (8)
1.一种三相内循环光催化反应器，设置包括筒体（7）、导流管（9）、石英套管（10）和紫外灯（18），其特征在于：所述的筒体（7）设置上封头（1）和下封头，上封头（1）与筒体（7）端头法兰连接；石英套管（10）和紫外灯（18）置于导流管（9）的中央，导流管（9）置于筒体（7）的中央；筒体（7）的下封头设置进水管（11）、曝气器（13）和排泥阀（14），上端设置出气管（3）和出水管（4），导流管（9）设置导流罩（8），导流罩（8）的顶部设置锥形斜板（19）构成沉淀池（6），导流管（9）、导流罩（8）和锥形斜板（19）采用固定杆与筒体（7）固定；
所述的导流罩（8）和导流管（9）是采用内壁镀有水银的玻璃导流罩和导流管；
所述的导流罩（8）设置为直筒形，导流罩（8）的罩顶设置导流罩出气管（20），导流罩（8）的罩口与导流管（9）下端口距离≤3cm。
2.根据权利要求1所述的三相内循环光催化反应器，其特征在于：所述的锥形斜板（19）设置4层以上。
3.根据权利要求1所述的三相内循环光催化反应器，其特征在于：所述的出水管（4）固定在筒体（7）的上端，出水管（4）的出进水口置于锥形斜板（19）的锥顶中心上方，出水管（4）的另一端设置出水阀（21）。
4.根据权利要求1所述的三相内循环光催化反应器，其特征在于：所述的出气管（3）固定在上封头（1）上并与内室相通，出气管（3）的另一端设置出气阀（2）。
5.根据权利要求1所述的三相内循环光催化反应器，其特征在于：所述的进水管（11）固定在下封头上，进水管（11）的出水口向上，设置在石英套管（10）的下方，进水管（11）的另一端设置进水阀（12）。
6.根据权利要求1所述的三相内循环光催化反应器，其特征在于：所述的石英套管（10）和紫外灯（18）设置一组以上。
7.根据权利要求1所述的三相内循环光催化反应器，其特征在于：所述的曝气器（13）设置在进水管（11）的下方，与固定在下封头上的进气管（15）连接；进气管（15）的另一端设置进气阀（17）和鼓风机（16），并依次连接。
8.根据权利要求1所述的三相内循环光催化反应器，适用于污水处理和化学工程光催化反应技术领域。
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