CN105174361A - 一体式光催化氧化－膜分离三相流化床反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应装置，包括壳体、紫外光源、膜组件和曝气装置，所述壳体底部设有进水口，所述曝气装置、紫外光源和膜组件分别设置于所述壳体内部，所述膜组件与壳体相连接；所述紫外光源和膜组件之间的距离大于等于紫外光的穿透距离。该一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应装置具有传质性能良好、催化剂可重复回收利用、结构简单、节省能耗的优点。

Description

一体式光催化氧化－膜分离三相流化床反应装置

技术领域

本发明涉及一种集成式光催化反应装置，特别是一种一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应装置。

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、二次污染小、操作简单等优点成为处理难降解废水的有效方法，其中尤以TiO₂光催化技术的研究和应用较多；TiO₂光催化技术所面临的主要问题之一是在机理和实际废水催化氧化动力学研究的基础上开发新型集成式光催化反应器以及对所开发的反应器进行优化设计。因此，高效多功能集成式实用光催化反应器的开发，将会促进TiO₂光催化技术在废水处理领域的应用，特别是在难降解有机废水处理及饮用水中三致物质的去除方面具有重要的应用前景。

目前集成式光催化反应装置的种类按催化剂存在状态分为3种，且这几种反应装置均有各自的优、缺点。

1)悬浮式光催化反应装置：这类反应装置通常是将光催化剂粉末加到所要处理的溶液中，它的优点是在反应中污染物容易和光催化剂接触，不存在质量传输的限制，但也存在不足，即处理效率不高；当提高催化剂的浓度时会造成悬浮液浑浊，影响光的穿透，降低光效率；并且难以实现催化剂的分离、回收和重复利用，废水处理成本昂贵。

2)镀膜催化剂反应装置：这类反应装置的催化剂主要是以膜的形式存在，如将二氧化钛光催化剂涂抹在反应装置的内外壁、灯管壁、光导纤维材料等上面，催化剂膜在紫外光的照射下，将吸附在膜表面的污染物降解、矿化。它的最大特点就是不需要对催化剂进行分离，但是传质受到限制，反应器处理能力小。

3)填充床式光催化反应装置：这类反应装置通常是反应装置内填充二氧化钛颗粒或者表面涂有二氧化钛膜的硅胶、氧化铝、石英砂和玻璃珠等，可以有效地让光通过，并且有较高比表面积，反应可不受传质的限制，但不足之处是颗粒之间的碰撞可能会造成膜的脱落，光的利用率较低，且催化剂的更换非常困难。

由于悬浮式光催化反应装置在应用过程中所面临的催化剂分离、回收难、不适用于规模化、商业化推广应用的问题，因此悬浮式光催化—膜分离耦合技术逐渐发展起来，利用光催化氧化与膜技术耦合克服悬浮式光催化反应装置的缺点，但是悬浮式光催化膜分离反应装置根据膜材质的不同分为一体式和分置式两种。由于有机膜表面长时间被紫外灯照射并在光催化剂作用下会造成膜材料的分解，使得有机膜分离与光催化耦合工艺为分置式的，而一体式耦合工艺中则普遍采用无机膜。

专利CN101875001A公开了一种光催化氧化—膜分离循环流化床反应装置，该反应装置的光催化反应区和膜分离区采取分置式。其具有良好的传质性能、可实现催化剂分离及回收利用；然而反应装置存在结构较复杂、能耗消耗大等缺点，使得该反应装置的应用受到一定的限制。

发明内容

为了简化CN101875001A中反应装置的结构、节省能耗，本发明提供一种一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应装置，其具有传质性能良好、催化剂可重复回收利用、结构简单、节省能耗等优点。

为此，本发明的技术方案如下：

一种一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应装置，包括壳体、紫外光源、膜组件和曝气装置，所述壳体底部设有进水口，所述曝气装置、紫外光源和膜组件分别设置于所述壳体内部，所述膜组件的出水口与壳体的出水口相连接；所述紫外光源和膜组件之间的距离大于等于紫外光的穿透距离。

紫外光的穿透距离一般为一厘米左右。当紫外光源与膜组件的距离设置为的1厘米以上，就可以避免紫外光对膜的分解。

所述膜组件为浸没式膜组件，优选U型膜组件或帘式膜组件。

所述曝气装置设置于所述壳体底部。

优选，所述紫外光源和膜组件在壳体内部呈上下、下上、左右、右左分布或者紫外光源环绕膜组件分布。

优选，所述紫外光源包括紫外灯或为紫外灯及其外面罩有的石英套或石英冷阱套。

优选，所述壳体的形状为长方体、正方体或圆柱。

优选，所述曝气装置包括第一曝气装置和第二曝气装置，且两者分别设置于紫外光源和膜组件的下部。

优选，所述壳体底部还设有排空口，用于排除反应装置内的废水和催化剂。

采用本发明提供的一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应装置处理废水时具有以下效果：

1)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，污染物被有效地分解，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。

2)紫外光源和膜组件之间没有设置隔离板，具有结构简单、易操作和维修等优点；同时两者之间的距离大于光的穿透距离，避免了膜被紫外光源分解。

3)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。

4)光催化反应区和膜分离区在反应装置内呈现上下结构形式的布置时，若在反应装置底部只设置第一曝气装置，可有效地降低反应能耗。若在膜组件底部根据需要设置有第二曝气装置时，可加强膜丝的抖动作用，进一步避免或减轻膜污染。

5)光催化反应区和膜分离区在反应装置内呈现左右结构形式的布置时，若在反应装置底部只设置共用的第一曝气装置，可使反应装置结构简单，同时使反应装置运行时的操作亦较为简单；若在光催化反应区和膜组件底部分别设置第一和第二曝气装置，可通过控制两曝气装置曝气量的不同，实现废水的内循环流动，有利于降低能耗；曝气量相同时，系统内就不存在内循环流动了。

6)膜分离区的左右和前后都布置有光催化反应区时，在反应装置底部只设置第一曝气装置，可有效地降低反应能耗；膜组件周围的废水在左右和前后布置的紫外光源的联合作用下，得到充分的降解，提高了出水水质；当光催化反应区和膜组件底部分别设置第一和第二曝气装置，且当两曝气装置曝气量不同时，废水在光催化反应区和膜分离区之间实现内循环流动，有利于降低能耗。

7)反应装置中的膜组件可以将催化剂截留在该反应器中，同时通过采用适当类型的膜组件(如采用可截留废水中某一污染组分的膜组件)亦可将未被降解的污染物截留。

附图说明

图1为实施例1中一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应装置的结构图；

图2为实施例2中一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应装置的结构图；

图3为实施例3中一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应装置的结构图；

图4为实施例4中一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应装置的结构图；

图5为图3中A-A面剖示图。

具体实施方式

以下结合附图1和具体实施对本发明的结构进行详细描述。

实施例1

如图1所示，一种一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应装置，壳体1底部设置有进水口6、排空口9，顶部设置有出水口7，壳体1底部还安装有曝气装置5，壳体1顶部设有支架，用于安装紫外光源，紫外光源为单光源紫外灯3或为单光源紫外灯3与其外面罩有的石英套或石英冷阱套2；膜组件4为浸没式膜组件，优选，U型膜组件或帘式膜组件，设置于壳体1内且介于紫外光源和曝气装置5之间，膜组件4的出水口7与壳体的出水口相连；紫外光源和膜组件4之间的距离大于等于紫外光的穿透距离，一般大于1厘米即可。由于紫外光源与膜组件4之间的距离足够大，有效防止了紫外光对膜组件的损伤。

进一步，可分别在紫外光源和膜组件4下部设置第一、二曝气装置。

使用时，废水从进水口进入装置，曝气装置5进气，在壳体1内部产生大量气泡，废水与催化剂迅速充分接触混合，在反应装置中形成气、液、固三相流化床反应体系。在紫外光的照射作用下，废水发生光催化降解反应，有效地去除了废水中的污染物，同时，膜组件4将催化剂TiO₂截留，实现TiO₂在反应装置中的循环及重复利用，处理后的水经膜组件流出出水口。

当紫外光源和膜组件分别置于壳体1的上部和下部时，若仅在壳体的底部设置一个曝气装置，简化了反应装置的结构和操作过程；若在紫外光源和膜组件底部分别设置第一、第二曝气装置时，可有效降低能耗；同时曝气装置产生的气泡的联合作用可加强膜丝的抖动，大大减轻或防止了膜污染。

实施例2

如图2所示，一种一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应装置，壳体1底部设置有进水口6、排空口9，顶部设置有出水口7，壳体1底部还安装有曝气装置5，膜组件4安装于壳体1上部，膜组件4为浸没式膜组件，优选，U型膜组件或帘式膜组件；紫外光源设置于壳体1底部，紫外光源为紫外灯3或为紫外灯3及其外面罩有的石英套或石英冷阱套2；膜组件4为浸没式膜组件，设置于壳体1内且介于紫外光源和曝气装置5之间，膜组件4的出水口7与壳体的出水口相连；紫外光源和膜组件4之间的距离大于等于紫外光的穿透距离。由于紫外光源与膜组件4之间的距离足够大，有效防止了紫外光对膜组件的损伤。

为了有效降低膜污染，作为优化技术方案，可在膜组件4下侧、紫外光源上侧加装第二曝气装置8。

使用时，废水从进水口进入装置，曝气装置5、第二曝气装置8进气，在壳体1内部产生大量气泡，废水与催化剂迅速充分接触混合，在反应装置中形成气、液、固三相流化床反应体系。在紫外光的照射作用下，废水发生光催化降解反应，有效地去除了废水中的污染物，同时，膜组件4将催化剂TiO₂截留，实现TiO₂在反应装置中的循环及重复利用，处理后的水经膜组件流出出水口。

当紫外光源和膜组件4分别置于壳体的下部和上部时，若仅在壳体1底部设置一个曝气装置，要想有效地降低膜污染，必须加大曝气装置的曝气量，耗能也随着增大。因此可根据需要分别在紫外光源和膜组件底部设置第一、第二曝气装置。通过分别控制，既可以实现两个曝气装置的最佳曝气量，以降低反应总能耗，又有效地减轻了膜污染。

实施例3

如图3、5所示，一种一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应装置，壳体1底部设置有进水口6、排空口9，顶部设置有出水口7，壳体1底部还安装有曝气装置5，紫外光源和膜组件4分别设置于壳体1内两侧，即紫外光源和膜组件4在壳体1内部呈左右或右左分布；膜组件4为浸没式膜组件，优选，U型膜组件或帘式膜组件；紫外光源为紫外灯3或为紫外灯3及其外面罩有的石英套或石英冷阱套2；膜组件4的出水口7与壳体1的出水口相连；紫外光源和膜组件4之间的距离大于等于紫外光的穿透距离。由于紫外光源与膜组件4之间的距离足够大，有效防止了紫外光对聚合物膜的损伤。进一步，曝气装置可为分别设置于紫外光源和膜组件4下侧的第一、第二曝气装置。

当紫外光源和膜组件分别置于壳体1的左(右)半部分和右(左)半部分时，若仅在壳体1下部设置一个曝气装置，使反应装置结构简化、操作简单；若在紫外光源和膜组件4底部分别设置第一和第二曝气装置，当控制第一和第二曝气装置曝气量大小的不同，可实现反应装置中存在内循环流动，加快废水的处理效率；曝气量相同时，便不存在内循环流动了。

实施例4

如图4所示，一种一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应装置，壳体1底部设置有进水口6、排空口9，顶部设置有出水口7，曝气装置5安装在壳体1底部，膜组件4设置于壳体1中部，紫外光源安装于壳体1底部，环绕膜组件4分布；膜组件4为浸没式膜组件，优选，U型膜组件或帘式膜组件；紫外光源为紫外灯3和在紫外灯3外面罩有的石英套或石英冷阱套2；膜组件4的出水口7与壳体1的出水口相连；紫外光源和膜组件4之间的距离大于等于紫外光的穿透距离。由于紫外光源与膜组件4之间的距离足够大，有效防止了紫外光对聚合物膜的损伤。

膜组件置于壳体1的中心位置，且紫外光源布置在膜组件的左右和前后位置时，当在壳体1的底部设置一个曝气装置时，装置结构简单；当在壳体1底部设置两个曝气装置时，分别控制其曝气量的大小，能在保证出水品质的前提下节省能耗。

Claims (9)

1.一种一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应装置，包括壳体(1)、紫外光源、膜组件(4)和曝气装置(5)，其特征在于：所述壳体(1)底部设有进水口(6)，所述曝气装置(5)、紫外光源和膜组件(4)分别设置于所述壳体(1)内部，所述膜组件(4)的出水口(7)与壳体(1)的出水口相连接；所述紫外光源和膜组件(4)之间的距离大于紫外光的穿透距离。

2.如权利要求1所述一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应装置，其特征在于：所述膜组件(4)为浸没式膜组件。

3.如权利要求1所述一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应装置，其特征在于：所述膜组件(4)为U型膜组件或帘式膜组件。

4.如权利要求1所述一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应装置，其特征在于：所述曝气装置(5)设置于所述壳体(1)底部。

5.如权利要求1所述一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应装置，其特征在于：所述紫外光源和膜组件(4)在壳体(1)内部呈上下、下上、左右、右左分布或者紫外光源环绕膜组件(4)分布。

6.如权利要求1所述一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应装置，其特征在于：所述紫外光源为紫外灯(3)或为紫外灯(3)和在其外面罩有的石英套或石英冷阱套(2)。

7.如权利要求1所述一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应装置，其特征在于：所述壳体(1)的形状为长方体、正方体或圆柱。

8.如权利要求1所述一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应装置，其特征在于：所述曝气装置(5)包括第一曝气装置和第二曝气装置，且两者分别设置于紫外光源和膜组件(4)的下部。

9.如权利要求1所述一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应装置，其特征在于：所述壳体(1)底部还设有排空口(9)。