CN105461005A - 一种用于废水处理的光反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于废水处理的光反应器，以镜面构成沟渠形状的光反应器主体，将负载有光催化剂的玻璃珠以悬挂、支撑、堆积或底部平铺的方式置于光反应器主体内。本发明避免了光催化剂的分离，强化了废水的流动和传质，结构简单可调，成本低廉，无需占地，可直接利用太阳光实现光催化降解废水。

Description

一种用于废水处理的光反应器

技术领域

本发明公开一种用于废水处理的光反应器，特别是涉及一种用于废水处理的光反应器的制备。

背景技术

随着经济快速发展和人民生活水平提高，各种有毒难降解污染物如药品、农药、染料、表面活性剂、重金属以及亚硝酸盐等大量进入环境，导致水质下降和化学性水污染事件的发生。目前对于难生化降解的有毒有机废水，由于技术、经济等方面的原因，仍缺乏有效的治理手段。要实现对难生化降解废水的处理，治理手段应当依据不同废水来源，性质和应用可行性来进行选择，其中以太阳光进行降解的光催化技术最为廉价和可行。

光催化技术作为一种真正环境友好的绿色技术,近年来受到广泛关注,在空气，废水和食品处理中的应用日益受到重视，被用作杀菌消毒，光解水制氢，固氮，矿化污染物，处理油污等领域，是现在人类所需要的一种绿色技术。要实现光催化技术在上述领域的实际规模应用，研究重点则需集中在光催化过程机理研究和光反应器设计两个方面。但现阶段，光催化领域的研究工作更多的集中在基础和应用基础研究方面，在光催化技术的工程应用，尤其是光催化反应器工程方面的基础研究和中试工作开展的相对较少。这一环节成为制约光催化技术从实验室走向工程应用的短板。

用于废水处理的光反应器设计和放大是一个复杂的过程，需要同时考虑多种技术和经济的影响因素。从1980年第一台光反应器，槽式太阳能集热器被应用以来，各种光反应器被设计出来。一个有效的光反应器的应该具备以下特点：光的有效辐射量应该尽可能的增大；使催化剂尽可能多的与污染物接触；使光通过反应器时分布均匀。

目前，按照光催化剂的存在方式，光催化反应器主要分为悬浮式和固定式两大类，目前有代表性的光反应器主要包括槽式太阳能集热器（PTR）,薄膜式固定床反应器（TFFBR），组合槽式集热反应器（CPCR）,倾斜板式反应器（IPC），双夹层板式反应器（DSSR），转盘式光反应器（RDR），水钟式反应器（WBR）,光纤式光反应器（OFP）,固定床光反应器和流化床光反应器等，其中在工业方面有应用前景的主要是CPCR,IPC和DSSR，工业应用较为广泛的是CPCR反应器。有关光催化反应器结构的优化设计一直是光催化领域关注的热点问题之一。

在如CPCR,IPC的悬浮式光反应器中，虽然光催化的悬浮体系比固定相体系的效率高，但悬浮体系光催化剂的难回收和成本高的问题使负载型催化剂成为光催化反应器设计的必然趋势；而如DSSR的固定床式反应器中，光催化剂负载于反应器壁面上，光催化材料的有效反应面积减小，导致催化剂活性和光源的利用效率都降低，且由于壁面层流层的存在，流体湍动程度低，受扩散影响较强。此外，上述光反应在工业化应用时均需要投入一定场地作为反应器而另行搭建，并需对原有的排污系统进行改造，应用起来比较麻烦且需要投入的资金较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于废水处理的光反应器，特别是涉及一种用于废水处理的光反应器的制备技术。利用玻璃珠负载光催化剂，解决光催化剂难于分离的问题；利用玻璃珠强化流体流动传质，提高光催化剂光催化性能。

本发明的关键在于：通过氟化物腐蚀的办法在玻璃珠上刻蚀得到粗糙表面用于光催化剂负载；将玻璃珠置于由镜面构成的光反应器内通过改变流体流动状态强化传质，实现光催化反应的强化。

本发明所采用的技术方案如下：

0.5-5%（体积浓度，下同）的NaF，KF，NH₄F或HF溶液中的一种或多种与0-15%硝酸，草酸，乙酸，硫酸或盐酸中的一种或多种的混合溶液;

以二氧化钛溶胶，二氧化锆溶胶，氧化锌溶胶，氧化亚铜溶胶，氧化铁溶胶，氧化银溶胶中的一种或多种作为光催化剂溶胶前驱体；

将玻璃镜面以含氟溶液处理为具有粗糙度小于5μm的平面或弧形镜面，将光催化剂溶胶前驱体以涂膜法负载，经30-120℃干燥0.5-12小时，150-600℃煅烧0.5-12小时；

将玻璃珠以含氟溶液处理为具有粗糙度小于5μm的表面，将光催化剂溶胶前驱体以悬涂法负载，经30-120℃干燥0.5-12小时，150-600℃煅烧0.5-12小时；

将上述经过处理的玻璃镜面在废水沟渠内以粘贴或放置于沟渠壁面和底面的形式构成光反应器主体，或预先将镜面组装为沟渠形状的光反应器主体；

将负载有光催化剂的玻璃珠以悬挂、支撑、堆积或底部平铺的方式置于光反应器内，构成本发明所述的用于废水处理的光反应器。

本技术发明的优点主要在于：将光催化剂负载在玻璃珠和玻璃镜面上，固定于光反应器中，能避免催化剂分离的工序，同时能提供足够的催化剂量和催化表面；固定的玻璃珠在反应器内能起到固定床填料的作用，废水经过玻璃珠能强化流动，有利于光催化过程的传质；光反应器由镜面和玻璃珠简单组成，成本低廉，不加外能，结构可调，不需占地而是方便的组装或；安装于有阳光照射的沟渠内，可利用太阳光实现无外加能源的光催化废水降解过程。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明;

图1是本发明装置的示意图;

图2是本发明玻璃珠串排布方式示意图;

图3是本发明以二氧化钛作为负载催化剂，太阳光照下甲基橙溶液在反应器内降解性能数据图;

图4是实施例2玻璃珠排布方式示意图;

图5是实施例3玻璃珠排布方式示意图;

图6是实施例4以氧化银溶胶为前驱体负载光催化剂，阳光照下罗丹明B溶液在反应器内降解性能数据图;

图7是实施例5以二氧化锆溶胶为前驱体负载光催化剂，阳光照下苯酚溶液在反应器内降解性能数据图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明涉及的用于废水处理的光反应器及其降解废水的效果作进一步说明，但是本发明不仅限于下述实施例。

实施例1

选择尺寸为100×30cm的玻璃镜和直径为2.5cm，内有直径2mm通孔的中空玻璃珠，依次以丙酮，乙醇，去离子水清洗并干燥；干燥后的玻璃镜面上刷涂一定浓度的氢氟酸缓冲液，玻璃珠则浸泡在氢氟酸缓冲液中，进行刻蚀处理，刻蚀时间为3小时；将刻蚀完成后的玻璃镜面和玻璃珠用去离子水反复清洗至PH=7，自然晾晒干后备用。

在处理后的玻璃镜面上涂覆一层二氧化钛透明溶胶前驱体，将其竖直放置至自然干燥后重复上述涂覆操作5次，在80℃下烘干后放入煅烧窑中缓慢升温至500℃煅烧2h,自然冷却后保存备用。

将处理后的玻璃球浸泡在制备好的二氧化钛透明溶胶前驱体中，浸泡2min后拿出自然晾干，重复上述操作10次，在80℃下烘干，将烘干后的产物在马弗炉中500℃煅烧2h,自然冷却后保存备用。

以上述制备的负载二氧化钛的玻璃镜面镶嵌在尺寸为100×60×30cm的塑料槽内；将上述制备的负载二氧化钛的中空玻璃珠以直径1.5cm的聚乙烯塑料线穿成串，每串玻璃珠数目为8颗，间隔1cm；将玻璃珠串以悬挂方式置于玻璃镜面构成的空间内，玻璃珠串低端离底部镜面距离1cm并固定以防止水流冲刷相互碰撞，玻璃珠串为正方形排列，珠串间隔为2cm。其结构示意图如图1所示，玻璃珠串排布方式如图2所示。

将该反应器用于处理含有25mg/l的甲基橙染料污水，污水以0.4m/s的流速循环流过该反应器，光源为太阳光，光强为12Klux，实验结果如图3所示，污水在4小时内降解完毕。

实施例2

将实施例1中玻璃珠在光反应器中的布置方式改为在反应器底部平铺，填充密度为每10cm4颗，填充高度为2层。具体的排列如图4所示。

实施例3

将实施例1中玻璃珠在光反应器中的布置方式改为使用直径为1mm的木棍将玻璃珠串成串，玻璃珠间隔1cm；在玻璃镜面上通过粘贴将玻璃珠串固定，珠串为三角形排列，彼此间隔1cm。具体的排列如图5所示。

实施例4

将实施例1中玻璃镜面和玻璃珠表面负载的二氧化钛透明溶胶前驱体改为氧化银溶胶前驱体;

将该反应器用于处理含有25mg/l的罗丹明B染料污水，污水以0.4m/s的流速循环流过该反应器，光源为太阳光，光强为12Klux，实验结果如图6所示，污水在1小时内降解完毕。

实施例5

将实施例1中玻璃镜面和玻璃珠表面负载的二氧化钛透明溶胶前驱体改为二氧化锆溶胶前驱体;

将该反应器用于处理含有25mg/l的苯酚污水，污水以0.4m/s的流速循环流过该反应器，光源为太阳光，光强为12Klux，实验结果如图7所示，污水在2小时内降解完毕。

Claims (5)

1.一种用于废水处理的光反应器，其特征在于：

在废水沟渠内以粘贴或放置于沟渠壁面和底面的镜面构成光反应器主体，或预先将镜面组装为沟渠形状的光反应器主体，负载有光催化剂的玻璃珠以悬挂、支撑、堆积或底部平铺的方式置于光反应器内。

2.根据权利要求1所述的废水处理的光反应器，其特征在于：

所述的镜面以含氟溶液处理为具有粗糙度小于5μm的平面或弧形镜面，并将光催化剂溶胶前驱体以涂膜或提拉方式负载，然后经30-120℃干燥0.5-12小时，于150-600℃煅烧0.5-12小时。

3.根据权利要求1所述的废水处理的光反应器，其特征在于：

所述玻璃珠以含氟溶液处理为具有粗糙度小于5μm的表面，将光催化剂溶胶前驱体以浸渍或提拉或悬涂负载，经30-120℃干燥0.5-12小时，150-600℃煅烧0.5-12小时。

4.根据权利要求2或3所述的废水处理的光反应器，其特征在于：

所述含氟溶液是0.5-5%（体积浓度，下同）的NaF，KF，NH₄F或HF溶液中的一种或多种与0-15%的体积浓度硝酸，草酸，乙酸，硫酸或盐酸中的一种或多种的混合溶液。

5.根据权利要求2或3所述的废水处理的光反应器，其特征在于：

所述光催化剂溶胶前驱体是二氧化钛溶胶，二氧化锆溶胶，氧化锌溶胶，氧化亚铜溶胶，氧化铁溶胶，氧化银溶胶中的一种或多种。