CN103387272A - 一种光催化降解含酚废水的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光催化降解含酚废水的装置及方法，属于化工废水处理技术领域。该装置包括转盘反应器、储液槽，其中转盘反应器包括壳体、转盘、转轴、激发光源、进液管与出液管，转盘水平设置在壳体中央，在转盘上方和下方分别设有激发光源，转盘通过转轴带动旋转，转轴与电机及变频器控制；转盘反应器和储液槽组成一个循环体系。光催化降解方法包括（1）制备负载型光催化剂；（2）光催化降解有机废水。本发明在反应器转盘和壳体内壁上同时负载催化剂，转盘上下方都安装有激发光源，增加了光催化反应时间，强化了传质效果，提高了光能利用率；克服现有光催化技术中催化剂难以分离，光能利用率低，光催化反应器结构复杂、不易工业化应用等不足。

Description

一种光催化降解含酚废水的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种光催化降解含酚废水的装置及方法，属于化工废水处理技术领域。

背景技术

光催化技术作为一种高级氧化技术，几乎能够使空气和水中的有机污染物完全矿化，不产生二次污染，反应条件温和，耗能低，在紫外光照射或暴露在太阳光下即可发生反应。

自利用光催化反应器在紫外光照射下发生光催化氧化反应降解有机化合物以来，众多的研究者投入到此类高级化学氧化技术的研究中，但大规模工业化应用极少，最主要的问题在于光催化剂难以分离回收以及缺少合适的高效光催化反应器。近年来，研究者通过对催化剂改性及负载实现了催化剂的分离回收，通过对反应器结构的改进不断实现反应器的高效化。已有的研究成果表明，多种结构的光催化反应体系已经被用于光降解研究，并且取得了一定的效果，如中国专利（CN 201770511U）公开了一种转盘式光解反应器，该反应器为转动轴串联多个附着有光催化剂的转盘置于含有污染物水溶液的水槽，转盘一半面积浸没在水中，由电动机带动其转动，水槽底部设多块导流折板，反应器顶部平行安装多根紫外灯管。该反应器解决了紫外光穿透性差的问题，增加了废水在反应器中停留时间，但该反应器由于转盘一半面积浸没在水中，单片转盘的处理能力较低，且其结构复杂，不易工业化应用。因此，如何在满足光催化效应的前提下，克服现有技术中催化剂难以分离，光能利用率低并同时降低反应器结构复杂程度，是本领域亟待解决的问题。

发明内容

为了克服上述不足，本发明旨在提供一种光催化降解含酚废水的装置，包括一种方便、高效并且造价低廉的光催化反应器，该反应器考虑到液体在转盘上停留时间短的问题，在壳体内壁上同时负载催化剂，转盘上下方都安装有激发光源，从而增加了光催化反应时间。本发明还提供了利用该装置降解含酚废水的方法，通过光催化反应降解水体中的酚类化合物，克服现有光催化技术中催化剂难以分离，光能利用率低，光催化反应器结构复杂、不易工业化应用等不足。

本发明是通过以下技术方案实现的：

    一种光催化降解含酚废水的装置，其特征在于：包括转盘反应器、储液槽，转盘反应器和储液槽组成一个循环体系；其中转盘反应器包括壳体、转盘、转轴、激发光源、进液管与出液管，进液管置于壳体上盖中央，出液管设置在壳体底部，壳体安装于水平台上，转盘水平设置在壳体内部中央，在转盘上方和下方分别设有激发光源，转盘通过转轴带动旋转，转轴与电机连接，电机的控制端连接变频器；储液槽通过泵与转盘反应器的进液管连接，液体输送管路上安装液体流量计，转盘反应器的出液管与储液槽上方入口连接。

进一步地，所述进液管下端与转盘中心的距离为2mm~30mm。

更进一步地，所述激发光源为紫外灯，包括四组，转盘上方设有两组紫外灯，转盘下方设有两组紫外灯。所述紫外灯的波长为365nm、313nm、254nm、185nm的一种。紫外灯的波长，可根据待降解含酚废水的需要进行选择。

    本发明还提供了一种光催化降解含酚废水的方法，其特征在于：包括如下步骤：

   （1）制备负载型光催化剂   

本发明所述转盘以及壳体内壁上负载有纳米二氧化钛，所述的纳米二氧化钛粒径为10~30nm，催化剂的负载方法为粘结剂法；具体操作步骤为：

将纳米二氧化钛加入含有粘结剂的有机溶剂中，采用超声波震荡使二氧化钛分散均匀，震荡时间为5~40min，将制得的混合液通过浸渍或涂抹负载到转盘和壳体内壁上，负载均匀后，保持温度在50~150℃干燥，自然冷却后得到负载型光催化剂薄膜；

    在负载光催化剂步骤中采用催化剂载体，首先将制得的混合液通过浸渍或涂抹负载到催化剂载体上，然后将催化剂载体置于转盘上，所述的催化剂载体的基质为无机陶瓷、不锈钢、硅胶片、硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃中的一种。

   （2）光催化降解有机废水

开动电机，将预先置于储液槽中的含酚废水经泵、转子流量计打入到转盘反应器内，含酚废水的流量为10~60L/h，从转盘反应器的进液管流到转盘中心，通过变频器调节转盘转速为0~800r/min，由于转盘旋转产生的离心力作用，含酚废水在转盘上形成一层厚度为20μm~1000μm的液膜，转盘上的有机溶液经转盘上方的紫外灯照射发生光降解反应；被转盘甩出的液体沿壳体内壁流下，在壳体内壁上由于重力作用也会形成薄液膜，在转盘下方的紫外灯照射下继续发生光降解反应，从而在转盘下方形成了一个简易的降膜层流反应器；液体经转盘反应器底部的出液管进入储液槽进行循环，循环反应时间为30~240min；反应后取样分析，采用中华人民共和国国家环境保护标准 HJ 503-2009的4-氨基安替比林分光光度法测定水体中酚类化合物的去除率。

    上述（1）制备负载型光催化剂步骤中，所述的有机溶剂是无水乙醇、甲醇、甲苯、苯、丙酮中的一种，有机溶剂与纳米二氧化钛的质量比为10~30:1；所述的粘结剂是聚乙二醇、聚乙烯醇、环氧树脂中的一种，粘结剂与纳米二氧化钛的质量比为0.5~3:1；所述纳米二氧化钛粒径为10~30nm。

上述方法中，所述的含酚废水可以为苯酚、4-氯苯酚、甲酚、二甲酚、苯硝基甲酚中的一种。所述的含酚废水可加入少量助氧化剂（双氧水）提高降解率，1L含酚废水加入双氧水1~10mL。

    光催化降解含酚废水的过程中，可通过调节转盘转速和液体流量控制液膜厚度，液膜厚度为20μm~1000μm，甩到壳体上的液膜厚度为30μm~200μm；通过调节紫外灯与转盘间的距离改变光照强度，光照强度为0~80mW/cm²。

本发明的有益效果：

本发明提供的光催化降解含酚废水的装置，包括一种方便、高效并且造价低廉的光催化反应器，该反应器考虑到液体在转盘上停留时间短的问题，在壳体内壁上同时负载催化剂，从而增加了光催化反应时间；转盘上下方分别安装有两组激发光源，提高了激发光的利用率；该反应器在减少激发光在溶液（特别是有色溶液）中传输损失的同时，还可利用转盘的转动强化传质，具有光能利用率高，能耗低，结构简单，操作方便，易于工业化设计放大等优点。

本发明提供的光催化降解含酚废水的方法，通过光催化反应降解水体中的酚类化合物，克服了现有光催化技术中催化剂难以分离，光能利用率低，光催化反应器结构复杂、不易工业化应用等的不足；本发明的特点是将转盘结构与降膜层流相结合，一是转盘的转动加快了催化剂表面和溶液间的界面更新速度；二是利用转盘转动和壳体内壁的降膜层流作用，大大降低了激发光在有机废水中传输时被溶液吸收而造成的光损失，提高了激发光的利用率。

附图说明

图1 为本发明的工艺流程图；

图2为图1中转盘反应器结构图；

图3为图2中转盘反应器A-A剖视图；

图中：1为储液槽，2为泵，3为阀门，4为流量计，5为转盘反应器，6为电机，5.1为进液管，5.2为壳体，5.3为转盘，5.4为激发光源，5.5为转轴，5.6为出液管。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

图1示出了光催化降解含酚废水的工艺流程图，图2~图3示出了其中转盘反应器的结构。如图1~图3所示，一种光催化降解含酚废水的装置，其特征在于：包括转盘反应器5、储液槽1，转盘反应器5和储液槽1组成一个循环体系；其中转盘反应器5包括壳体5.2、转盘5.3、转轴5.5、激发光源5.4、进液管5.1与出液管5.6，进液管5.1置于壳体5.2上盖中央，出液管5.6设置在壳体5.2底部，壳体5.2安装于水平台上，转盘5.3水平设置在壳体5.2内部中央，在转盘5.3上方和下方分别设有激发光源5.4，转盘5.3通过转轴5.5带动旋转，转轴5.5与电机6连接，电机6的控制端连接变频器；储液槽1通过泵2与转盘反应器5的进液管5.1连接，液体输送管路上安装阀门3和流量计4，转盘反应器5的出液管5.6与储液槽1上方入口连接。

该装置中，所述进液管5.1下端与转盘5.3中心的距离是可以调节的，调节范围为2mm~30mm。可根据需要调节进液管与转盘中心的距离。

所述激发光源为紫外灯，包括四组，转盘上方设有两组紫外灯，转盘下方设有两组紫外灯。紫外灯的波长为365nm、313nm、254nm、185nm的一种。

该装置用于降解含酚废水的工艺过程为：（1）打开电源，开启电机，将预先置于储液槽中1~5L的含酚废水溶液经泵和转子流量计打入到转盘反应器内，含酚废水中可适当加入1~10mL双氧水，液体流量为10~60L/h，溶液从转盘反应器的进液管流到旋转的转盘上，通过变频器调节转盘转速为0~800r/min，由于转盘旋转产生的离心力作用，溶液在转盘以及壳体内壁上形成一层很薄的液膜，厚度为20μm~1000μm，转盘上的有机溶液经转盘上方的紫外灯照射发生光降解反应，随后被转盘甩出沿壳体内壁流下，在壳体内壁上由于重力作用也会形成薄液膜，在转盘下方的紫外灯照射下继续发生光降解反应；反应后的有机溶液经转盘反应器底部的出液口进入储液槽后进行循环反应，循环反应时间为30~240min，反应后根据中华人民共和国国家环境保护标准 HJ 503-2009的4-氨基安替比林分光光度法测定水体中酚类化合物的去除率。

实施例1：光催化降解含酚废水的方法

采用上述装置处理含酚废水，处理对象为500mg/L的模拟苯酚废水，废水体积为1L，转盘及壳体材质均为不锈钢。采用粘结剂法将纳米二氧化钛负载到转盘以及壳体内壁表面。具体步骤为：

（1）将纳米二氧化钛放入含有粘结剂的有机溶剂中，其中粘结剂为环氧树脂E-51，有机溶剂为甲苯，甲苯与纳米二氧化钛的质量比为20:1，环氧树脂E-51与纳米二氧化钛的质量比为1:1，混合均匀后加入固化剂乙二胺，环氧树脂E-51与乙二胺的质量比为8:1，具体用量为：

甲苯：100g

纳米二氧化钛：5g

环氧树脂E-51：5g

乙二胺：0.625g

（2）经超声波震荡20min混合均匀后涂覆到转盘以及壳体内壁表面，随后于110℃下干燥，自然冷却后得到光催化剂薄膜；

（3）开动电机，将预先置于储液槽中的苯酚溶液打入到转盘反应器内，从转盘反应器的进液管流到转盘上，并通过变频器控制转轴转速为200r/min，流量为50L/h，由于转盘旋转产生的离心力作用，使转盘表面和壳体内壁上形成一层薄膜，转盘上下方分别安装两个18W、 254nm低压汞灯作为激发光源，光强为22.75mW/cm²，使激发光透过液膜照射到转盘以及壳体内壁表面；

（4）液体经转盘反应器底部的出液口进入储液槽后进行循环；

（5）4h后取样分析，利用4-氨基安替比林分光光度法测定苯酚的浓度，测定苯酚的去除率为79.28%。

实施例2

处理对象及催化剂负载方法条件与实施例1一致，操作条件：转盘转速500r/min，光源为254nm低压汞灯，光强13.35mW/cm²，流量50L/h。4h后取样分析，测定苯酚的去除率为68.12%。

实施例3

处理对象及催化剂负载方法条件与实施例1致，操作条件：转盘转速0r/min，光源为254nm低压汞灯，光强18.45mW/cm²，流量30L/h。4h后取样分析，测定苯酚的去除率为70.22%。

实施例4

处理对象及催化剂负载方法条件与实施例1致，操作条件：转盘转速800r/min，光源为254nm低压汞灯，光强18.45mW/cm²，流量60L/h。4h后取样分析，测定苯酚的去除率为71.23%。

实施例5

处理对象及催化剂负载方法条件与实施例1致，操作条件：转盘转速300r/min，光源为365nm中压汞灯，光强40.35mW/cm²，流量50L/h。4h后取样分析，测定苯酚的去除率为61.14%。

实施例6

处理对象及催化剂负载方法条件与实施例1一致，操作条件：转盘转速200r/min，光源为365nm中压汞灯，光强31.42mW/cm²，流量50L/h。4h后取样分析，测定苯酚的去除率为55.68%。

实施例7

处理对象与实施例1一致，在负载过程中粘结剂采用聚乙烯醇，溶剂为水，其中聚乙烯醇5g，溶剂水100g，纳米二氧化钛5g，混合均匀后超声波震荡20min。操作条件：转盘转速200r/min，光源为254nm低压汞灯，光强18.35mW/cm²，流量50L/h。4h后取样分析，测定苯酚的去除率为75.12%。

实施例8

处理对象：500mg/L的4-氯苯酚废水，负载方法及条件与实施例1一致。操作条件：转盘转速200r/min，光源为365nm中压汞灯，光强31.42mW/cm²，流量30L/h。4h后取样分析，测定苯酚的去除率为52.34%。

实施例9

处理对象：500mg/L的4-氯苯酚废水，负载方法及条件与实施例7一致。操作条件：转盘转速200r/min，光源为365nm中压汞灯，光强25.42mW/cm²，流量30L/h。4h后取样分析，测定苯酚的去除率为49.34%。

实施例10

处理对象及催化剂负载方法条件与实施例1致，处理前在1L苯酚废水中加入1mL双氧水。操作条件：转盘转速200r/min，光源为365nm中压汞灯，光强31.42mW/cm²，流量50L/h。4h后取样分析，测定苯酚的去除率为82.68%。

实施例11

处理对象及催化剂负载方法条件与实施例1致，处理前在1L苯酚废水中加入2mL双氧水。操作条件：转盘转速200r/min，光源为254nm低压汞灯，光强18.35mW/cm²，流量50L/h。4h后取样分析，测定苯酚的去除率为98.68%。

实施例12

    处理对象及催化剂负载方法条件与实施例7一致，处理前在1L苯酚废水中加入2mL双氧水。操作条件：转盘转速500r/min，光源为254nm低压汞灯，光强18.35mW/cm²，流量50L/h。4h后取样分析，测定苯酚的去除率为96.45%。

实施例13

处理对象：500mg/L的4-氯苯酚废水，负载方法及条件与实施例7一致。处理前在1L 4-氯苯酚废水中加入2mL双氧水。操作条件：转盘转速500r/min，光源为254nm低压汞灯，光强18.35mW/cm²，流量50L/h。4h后取样分析，测定苯酚的去除率为98.34%。

实施例14

处理对象及负载方法条件与实施例1一致，处理前在1L苯酚废水中加入2mL双氧水。操作条件：转盘转速200r/min，光源为254nm低压汞灯，光强18.35mW/cm²，流量30L/h。4h后取样分析，测定苯酚的去除率为99.23%。

Claims (10)

1.一种光催化降解含酚废水的装置，其特征在于：包括转盘反应器、储液槽，转盘反应器和储液槽组成一个循环体系；其中转盘反应器包括壳体、转盘、转轴、激发光源、进液管与出液管，进液管置于壳体上盖中央，出液管设置在壳体底部，壳体安装于水平台上，转盘水平设置在壳体内部中央，在转盘上方和下方分别设有激发光源，转盘通过转轴带动旋转，转轴与电机连接，电机的控制端连接变频器；储液槽通过泵与转盘反应器的进液管连接，液体输送管路上安装液体流量计，转盘反应器的出液管与储液槽上方入口连接。

2.根据权利要求1所述的光催化降解含酚废水的装置，其特征在于：所述进液管下端与转盘中心的距离为2mm~30mm。

3.根据权利要求1所述的光催化降解含酚废水的装置，其特征在于：所述激发光源为紫外灯，包括四组，转盘上方设有两组紫外灯，转盘下方设有两组紫外灯。

4.根据权利要求3所述的光催化降解含酚废水的装置，其特征在于：所述紫外灯的波长为365nm、313nm、254nm、185nm的一种。

5.一种光催化降解含酚废水的方法，其特征在于：包括如下步骤：

   （1）制备负载型光催化剂   

    将纳米二氧化钛加入含有粘结剂的有机溶剂中，采用超声波震荡使二氧化钛分散均匀，震荡时间为5~40min，将制得的混合液通过浸渍或涂抹负载到转盘和壳体内壁上，负载均匀后，保持温度在50~150℃干燥，自然冷却后得到负载型光催化剂薄膜；

（2）光催化降解有机废水

    开动电机，将预先置于储液槽中的含酚废水经泵、转子流量计打入到转盘反应器内，含酚废水的流量为10~60L/h，从转盘反应器的进液管流到转盘中心，通过变频器调节转盘转速为0~800r/min，由于转盘旋转产生的离心力作用，含酚废水在转盘上会形成一层厚度为20μm~1000μm的液膜，转盘上的有机溶液经转盘上方的紫外灯照射发生光降解反应；被转盘甩出的液体沿壳体内壁流下，在壳体内壁上由于重力作用也会形成薄液膜，在转盘下方的紫外灯照射下继续发生光降解反应；液体经转盘反应器底部的出液管进入储液槽进行循环，循环反应时间为30~240min；反应后取样分析，测定废水中酚类化合物的去除率。

6.根据权利要求5所述的光催化降解含酚废水的方法，其特征在于：所述（1）制备负载型光催化剂步骤中，所述的有机溶剂是乙醇、甲醇、甲苯、苯、丙酮中的一种，有机溶剂与纳米二氧化钛的质量比为10~30:1。

7.根据权利要求5所述的光催化降解含酚废水的方法，其特征在于：所述（1）制备负载型光催化剂步骤中，所述的粘结剂是聚乙二醇、聚乙烯醇、环氧树脂中的一种，粘结剂与纳米二氧化钛的质量比为0.5~3:1。

8.根据权利要求5所述的光催化降解含酚废水的方法，其特征在于：所述纳米二氧化钛粒径为10~30nm。

9.根据权利要求5所述的光催化降解含酚废水的方法，其特征在于：所述（1）制备负载型光催化剂步骤中采用催化剂载体，首先将制得的混合液通过浸渍或涂抹负载到催化剂载体上，然后将催化剂载体置于转盘上，所述的催化剂载体的基质为无机陶瓷、不锈钢、硅胶片、硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃中的一种。

10.根据权利要求5所述的光催化降解含酚废水的方法，其特征在于：所述的含酚废水在降解时添加助氧化剂双氧水，1L含酚废水添加双氧水1~10mL。

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