CN104707551B - 一种微波流化反应装置及处理苯类及其衍生物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水处理技术领域，具体涉及一种微波流化反应装置及处理苯类及其衍生物的方法。该微波流化反应装置包括微波谐振腔、流化反应体、固液分离系统和搅拌器；所述流化反应体设置于所述微波谐振腔内，在流化反应体内设有流化反应载体；所述固液分离系统连接于流化反应体，在固液分离系统上分别设有进水口和出水口；所述搅拌器上设置有推流桨，所述推流桨的一端穿过固液分离系统后伸入至流化反应体内。该微波流化反应装置通过微波谐振腔提供微波环境；并在流化反应体内使反应载体与液体充分接触微波；而且，通过固液分离系统有效实现了固液分离，整体操作简单，可连续性运行。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种微波流化反应装置及处理苯类及其衍生物的方法。
背景技术
微波是指频率为0.3GHz～300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1毫米～1米之间的电磁波，能量介于红外与无线电波之间，能量小至可以改变微观离子的迁移和偶极子转动，大至能引起分子结构的改变，是一种非离子化的辐射能。
微波是由电场和磁场组成的电磁波，微波中的电场对物质中的微观粒子产生作用力使之极化而发生迁移或旋转。微波对于物质的作用根据物质的特性有所不同，主要表现在对微波的吸收能力和微波穿透深度。物质吸收微波能量的多少和快慢与分子的极性、材料的介电常数和磁导率等有关。极性分子由于分子内电荷分布不平衡，在微波场所中能迅速吸收微波能量。根据作用的介质不同，其渗透深度和加热温度均有不同。微波可直接进入介质内部，但微波穿透介质的深度是有限的。随着微波渗透深度的增加，微波能逐渐被吸收而损耗，微波能量密度随渗透深度的增加呈指数衰减。当能量密度衰减到零后，更深层中的物质无法吸收微波。
微波具有加热作用，可以改变极性分子的有序状态和化学键的结合强度，从而影响反应的速率和产率。但许多有机化合物都不直接明显吸收微波，所以需要利用微波诱导催化氧化作用，将某种强烈吸收微波的敏化剂把微波能传递给这些物质而诱发化学反应。
专利文献(CN201310308272)公开了一种微波下催化连续处理难降解废水的方法及其实施装置，针对微波氧化反应过程中使用固体催化剂的情况、固液难分离的情况，提出将颗粒状催化剂置于石英管催化剂柱中使污水流过石英柱的方法。此方法虽然解决了固液分离的问题，但由于催化剂置于固定位置中，所以无法使污水与催化剂充分接触。而且，由于微波在不同介质中渗透深度一定，随着微波渗透深度的增加，微波能逐渐被吸收而损耗，微波能量密度随渗透深度的增加呈指数衰减。当能量密度衰减到零后，更深层中的物料就不能被微波直接加热了。此装置无法保证颗粒状催化剂充分吸收微波能量，从而影响处理效果。
专利文献(CN201220155445)公开了一种微波式污水处理设备、专利文献(CN201110429887)公开了一种循环往复式旋流微波水处理反应腔。采用盘管式(专利文献CN201220155445)或螺旋式(专利文献CN201110429887)污水管的方法，虽然可解决微波与水均匀接触的问题，但其无法处理难降解污染物。微波可以改变微观离子的迁移和偶极子转动，但不能引起分子结构的改变，是一种非离子化的辐射能。所以只是微波存在的条件下，无法吸收微波能的物质无法进行反应。
专利文献(CN200910076721)公开一种微波辅助碱催化分解处理持久性有机污染物的方法，(CN200610151046)公开一种水处理剂与微波协同作用去除水中污染物的方法。专利文献(CN200910076721)中通过在碱催化分解工艺中对反应物进行微波辐射达到去除持久性有机污染物；专利文献(CN200610151046)中通过微波反应器进行处理提高污水中氨氮和天然有机物腐殖酸的降解充和难生物降解有机物如硝基苯的降解效率。但是两个专利文献中均没有提出针对苯类和苯类衍生物的处理方法。
因此，针对以上不足，需要一种能够使反应载体与液体充分接触微波、固液充分分离及可连续运行的微波流化反应装置及处理苯类及其衍生物的方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供了一种微波流化反应装置及处理苯类及其衍生物的方法，具有能够使反应载体与液体充分接触微波、固液可充分分离且可连续运行的优点。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种微波流化反应装置，其包括：
微波谐振腔；
流化反应体，所述流化反应体设置于所述微波谐振腔内，在流化反应体内设有流化反应载体；
固液分离系统，所述固液分离系统连接于流化反应体，在固液分离系统上分别设有进水口和出水口；
搅拌器，所述搅拌器上设置有推流桨，所述推流桨的一端穿过固液分离系统后伸入至流化反应体内。
其中，所述固液分离系统通过斜面体与流化反应体连接。
其中，所述流化反应体包括分别与固液分离系统连通的环腔和进水通道，所述进水通道位于环腔的中部，且与所述环腔的底部连通，所述推流桨的一端穿过固液分离系统后伸入至进水通道中。
其中，所述环腔通过支撑架固定在微波谐振腔内。
其中，所述流化反应载体包括沸石、复合铁氧体、活性炭、碳化硅中的一种或几种；所述流化反应载体的密度为0.9-1.1kg/m3。
本发明还提供一种根据所述的微波流化反应装置处理苯类及其衍生物的方法，其包括如下步骤：
S1、将待净化的水体与催化剂同时通过进水口输送至流化反应体中，并与流化反应载体充分接触；利用推流桨使流化反应载体随水体一起处于流化状态；
S2、通过微波谐振腔提供微波环境，使流化反应载体吸收微波能后在其表面形成高温区，利用高温区使水体中的苯类及苯类衍生物在催化剂的作用下发生分解、氧化反应，从而对水体进行净化；
S3、净化后的水体流入至固液分离系统，通过固液分离系统分离混合于净化水体中的流化反应载体，并使流化反应载体回流至流化反应体内继续参与反应，部分分离后的净化水体则通过出水口排出。
其中，步骤S1包括：所述催化剂包括次氯酸钠、过氧化氢、高锰酸钾、过硫酸铵、三氯化铁、硫酸亚铁、高氯酸盐中的一种或者多种。
其中，步骤S2包括：调节流化反应体中溶液的pH为1-3，控制反应时间为10-120min，控制反应过程中液体温度为20-80℃。
其中，步骤S2包括：所述微波的频率包括915兆赫或2450兆赫中的一种或两种。
其中，步骤S3包括：在出水口处将净化水体的pH调至6-9。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明微波流化反应装置利用微波谐振腔提供微波环境；在流化反应体内可使反应载体和液体充分接触微波；而且，通过固液分离系统可有效实现固液分离，整体操作简单，可连续性运行；对于苯类及其衍生物的处理流程简单，反应条件不苛刻，污染物质去除率高。
附图说明
图1为本发明实施例微波流化反应装置的结构示意图；
图2为本发明实施例微波流化反应装置的俯视图。
其中，1：微波谐振腔；2：流化反应体；3：固液分离系统；4：搅拌器；5：流化反应载体；6：进水口；7：出水口；8：水流方向；21：环腔；22：进水通道；23：支撑架；31：斜面体；41：推流桨。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-2所示，本实施例提供的微波流化反应装置，其包括微波谐振腔1、流化反应体2、固液分离系统3及搅拌器4，其中：
微波谐振腔1，用于提供微波环境，其本身并不产生微波，微波是由磁控管产生的；微波的频率包括915兆赫或2450兆赫中的一种或两种；利用微波谐振腔1不仅可起到传输微波的作用，还具有屏蔽微波以防止泄漏的作用；
流化反应体2设置于微波谐振腔1内，在流化反应体2内设有流化反应载体5，流化反应载体5作为微波的主要吸收体，在充分吸收微波能后在其表面形成“热点”(高温区)，苯类及其衍生物的化学反应主要在“热点”进行。
固液分离系统3连接于流化反应体2，在固液分离系统3上分别设有进水口6和出水口7；污水可通过进水口6进入流化反应体2内，出水口7用于排出净化后的水体；
搅拌器4上设置有推流桨41，推流桨41的一端穿过固液分离系统3后伸入至流化反应体2内，搅拌器4通过驱动推流桨41旋转搅拌使得流化反应载体5处于流化状态。所谓流化状态就是利用流动流体的作用，将载体粒子悬浮起来，从而使载体颗粒具有某些流体表观特征，使流化反应载体5与液体充分接触微波。同时，推流桨41也会提供给液体一定的流速，使液体在流化反应体2中循环流动。
值得说明的是，流化反应载体5可以采用微波吸收材料制成，其形式并不局限于某种特定形式，包括沸石、复合铁氧体、活性炭、碳化硅中的一种或几种混合物。流化反应载体5的密度可以为0.9-1.1kg/m3之间。
本实施例中固液分离系统3通过斜面体31与流化反应体2连接。固液分离系统3的形状类似于漏斗的形状，进水口6和出水口7分别位于其上方。流化反应体2包括分别与固液分离系统3连通的环腔21和进水通道22；进水通道22位于环腔21的中部，且与环腔21的底部连通，推流桨41的一端穿过固液分离系统3后伸入至进水通道22中。水体进入进水口6后的水流方向8如图1所示，箭头表示流向，具体可总结为先自上而下、再自下而上，并可循流动。
而且，推流桨41可将进水向下推，由于流化反应载体5的密度在0.9-1.1kg/m3之间，所以其可随水流一起流动，在到达固液分离系统3时，由于水的冲力减小，会再落回流化反应体2的底部。
具体的，进水在推流桨41的作用下形成涡流状的水流，流化反应载体5是通过水流的冲力处于流化状态，在充分吸收微波能后在其表面形成“热点”(高温区)，苯类及其衍生物的化学反应在“热点”进行；然后，在水体从环腔21进入到固液分离系统3时，由于水流通过截面变大，在同样的水量下流速变小，使水流对流化反应载体5的冲力变小，从而流化反应载体5会自然下落。
在排水方面，由于该流化反应装置的总容积固定，而且运行过程为连续运行：从进水口6会有一定流量的水进入到反应装置中，进水通道22自上而下、再自下而上流到反应装置上部时，多余的水通过固液分离系统3中的溢流堰被排出，再通过出水口7排到外部。
进一步的，环腔21通过支撑架23固定在微波谐振腔1内，使整体结构更加稳固和可靠。
此外，本发明还提供一种处理苯类及其衍生物的方法，其包括如下步骤：
S1、将待净化的水体(污水)与催化剂同时通过进水口输送至流化反应体中，并与流化反应载体充分接触；利用推流桨使流化反应载体随水体一起处于流化状态；
S2、通过微波谐振腔提供微波环境，流化反应载体吸收微波能后在其表面形成高温区，利用高温区使水体中的苯类及苯类衍生物在催化剂的作用下发生分解、氧化反应，从而对水体进行净化；
S3、净化后的水体流入至固液分离系统，通过固液分离系统分离混合在净化水体中的流化反应载体，并将流化反应载体回流至流化反应体内继续参与反应，而部分分离后的净化水体则通过出水口排出。
其中，步骤S1还包括：催化剂包括次氯酸钠、过氧化氢、高锰酸钾、过硫酸铵、三氯化铁、硫酸亚铁、高氯酸盐中的一种或者多种。
其中，步骤S2还包括：调节流化反应体中溶液的pH为1-3，控制反应时间为20-120min，控制反应过程中液体温度在20-80℃。
其中，步骤S2还包括：微波的频率包括915兆赫或2450兆赫中的一种或两种。
其中，步骤S3还包括：在出水口处将净化水体的pH调至6-9。
该处理方法可有效去除污水中的苯类及其衍生物，具体可以如下几个实施例进行说明：
实施例一
本实施例一为利用该微波流化反应装置处理精细化工废水，废水中主要污染物质为苯酚、二甲苯、间二苯酚、邻甲苯等含有苯环类物质，其处理方法经过下列工艺步骤：
将污水调节pH至2，通过进水口进入微波反应流化装置，投加500mg/l的次氯酸钠和25mg/l的三氯化铁，在微波反应流化装置中的停留时间为40min，出水通过石灰乳调节至pH8。处理后原水的COD值(英文名称为Chemical Oxygen Demand，中文名称为化学需氧量)由520mg/l降至60.3mg/l，苯酚去除率为98％、二甲苯去除率达到95％、间二苯酚去除率达到94％、邻甲苯去除率达到91％。
实施例二
本实施例二为利用该微波流化反应装置处理焦化废水生化出水，废水中主要污染物质为2,5-二叔丁基酚、邻苯二甲酸二丁酯等苯环类物质，其处理方法经过下列工艺步骤：
将污水调节pH至1.8，通过进水口进入微波反应流化装置，投加300mg/l的过氧化氢，在微波反应流化装置中的停留时间为60min，出水通过石灰乳调节pH至7.5。处理后原水的COD值由240mg/l降至58mg/l，2,5-二叔丁基酚去除率为98％、邻苯二甲酸二丁酯去除率为83％。
实施例三
本实施例三为利用该微波流化反应装置处理垃圾渗滤液生化出水，废水中主要污染物质为2,4-双(1,1-二甲基乙基)苯酚、苯酚、苯基甲酮、2,5-二氢甲基苯胺、4-甲氧基-3-甲基苯酚、N-丁基苯磺酰胺等物质，其处理方法经过下列工艺步骤：
将污水调节pH至1，通过进水口进入微波反应流化装置，投加240mg/l的过氧化氢、100mg/l的高锰酸钾，在微波反应流化装置中的停留时间为15min，出水通过石灰乳调节至pH9。处理后原水的COD值由890mg/l降至91mg/l，其中苯基甲酮去除率为93％、2,5-二氢甲基苯胺去除率为98％、4-甲氧基-3-甲基苯酚去除率为91％、N-丁基苯磺酰胺去除率为96％。
综上所述，本发明微波流化反应装置及处理苯类及其衍生物的方法，具有如下优点：
一、微波辐射均匀，反应充分：微波的穿透深度根据微波强度和频率的不同及受体的不同会受到一定的限制，本装置中的载体和反应物均处于流化状态，可使反应载体和反应物充分接触微波，从而保证反应的充分性。
二、在常温常压下进行，操作简单：对于苯类及其衍生物此类难降解物质，通过一般的氧化方法，如芬顿氧化、臭氧催化氧化等无法去除。湿式氧化、超临界氧化法对苯类及其衍生物具有一定的去除效果，但均需要在高温高压下进行，其中湿式氧化在高温150-350℃、高压0.5-20MPa条件；超临界氧化在高温400-600℃、高压30-40MPa条件，其反应条件苛刻，能耗高，操作繁琐。通过本装置处理苯及含有苯类衍生物，在常温常压下进行，并且可连续操作。
三、可连续运行：将微波作为水处理反应过程中的反应介质，由于需要保障微波辐射的均匀性、并且需要在反应过程中加入其他反应药剂及载体材料，所以使其连续运行，提高反应效率是在工程上需要解决的最大的问题。本装置通过设计达到了连续操作的目的。
四、微波无泄露：微波在大能量或长时间的辐射下，会给人体健康带来不利的影响。本装置通过设置微波谐振腔，有效防护微波的泄漏。
五、固液充分分离：本装置中通过设置固液分离系统，使装置中的反应流化载体与液体达到有效分离的效果，避免反应流化载体的损失，并保证处理后水中无固体杂质。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (9)
1.一种微波流化反应装置，其特征在于，包括：
微波谐振腔(1)；
流化反应体(2)，所述流化反应体(2)设置于所述微波谐振腔(1)内，在流化反应体(2)内设有流化反应载体(5)；
固液分离系统(3)，所述固液分离系统(3)连接于流化反应体(2)，在固液分离系统(3)上分别设有进水口(6)和出水口(7)；
搅拌器(4)，所述搅拌器(4)上设置有推流桨(41)，所述推流桨(41)的一端穿过固液分离系统(3)后伸入至流化反应体(2)内；
所述流化反应体(2)包括分别与固液分离系统(3)连通的环腔(21)和进水通道(22)，所述进水通道(22)位于环腔(21)的中部，且与所述环腔(21)的底部连通，所述推流桨(41)的一端穿过固液分离系统(3)后伸入至进水通道(22)中。
2.根据权利要求1所述的微波流化反应装置，其特征在于，所述固液分离系统(3)通过斜面体(31)与流化反应体(2)连接。
3.根据权利要求1所述的微波流化反应装置，其特征在于，所述环腔(21)通过支撑架(23)固定在微波谐振腔(1)内。
4.根据权利要求1所述的微波流化反应装置，其特征在于，所述流化反应载体(5)包括沸石、复合铁氧体、活性炭、碳化硅中的一种或几种；所述流化反应载体(5)的密度为0.9-1.1kg/m3。
5.一种根据权利要求1-4中任一项所述的微波流化反应装置处理苯类及其衍生物的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将待净化的水体与催化剂同时通过进水口输送至流化反应体中，并与流化反应载体充分接触；利用推流桨使流化反应载体随水体一起处于流化状态；
S2、通过微波谐振腔提供微波环境，流化反应载体吸收微波能后在其表面形成高温区，利用高温区使水体中的苯类及苯类衍生物在催化剂的作用下发生分解、氧化反应，从而对水体进行净化；
S3、净化后的水体流入至固液分离系统，通过固液分离系统分离混合于净化水体中的流化反应载体，并使流化反应载体回流至流化反应体内继续参与反应，部分分离后的净化水体则通过出水口排出。
6.根据权利要求5所述的处理苯类及其衍生物的方法，其特征在于，步骤S1包括：所述催化剂包括次氯酸钠、过氧化氢、高锰酸钾、过硫酸铵、三氯化铁、硫酸亚铁、高氯酸盐中的一种或者多种。
7.根据权利要求5所述的处理苯类及其衍生物的方法，其特征在于，步骤S2包括：调节流化反应体中溶液的pH为1-3，控制反应时间为10-120min，控制反应过程中液体温度为20-80℃。
8.根据权利要求5所述的处理苯类及其衍生物的方法，其特征在于，步骤S2包括：所述微波的频率包括915兆赫或2450兆赫中的一种或两种。
9.根据权利要求5所述的处理苯类及其衍生物的方法，其特征在于，步骤S3包括：在出水口处将净化水体的pH调至6-9。
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