CN107098432A

CN107098432A - 一种超大功率旋流管式光催化反应器及光催化系统

Info

Publication number: CN107098432A
Application number: CN201710328580.0A
Authority: CN
Inventors: 金新闯; 吕伏建
Original assignee: Zhejiang Qicai Eco Technology Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Qicai Eco Technology Co Ltd
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2017-08-29

Abstract

本发明公开了一种超大功率旋流管式光催化反应器及光催化系统，属于光催化反应技术领域，包括一个卧式的反应器壳体、设置在所述反应器壳体内部的紫外催化光源和端部的漩流发生部，所述催化光源设置在石英玻璃制成的透光套管内。该反应器用于处理难降解的工业废水和生活污水，可将高浓度有毒有害废水中有机污染物分解成CO₂和水等无害小分子，同时可以除臭、脱色及杀菌消毒，从而达到净化废水的目的，并可通过并联、串联或其组合的矩阵化操作方式提高污水的处理规模。

Description

一种超大功率旋流管式光催化反应器及光催化系统

技术领域

本发明涉及光催化反应技术领域，具体地指一种超大功率旋流管式光催化反应器及光催化系统。

背景技术

随着工业的快速发展和居民生活水平的大幅提高，产生了的大量工业废水和生活污水，这些废水的超标排放对人类及动植物的生活环境造成了极大危害，尤其是高浓度难降解污染物废水的处理问题日渐成为世界各国研究的难点和焦点。

以传统的废水处理技术对难降解的废水进行处理往往难以达到排放标准，如现有的生物处理方法，对可生化性差、相对分子质量从几千到几万的物质处理较困难；对高级催化氧化技术进行研究将是今后处理高浓度难降解废水的发展方向之一，其可将高浓度难降解废水直接矿化或通过氧化提高污染物的可生化性，同时还在环境类激素等微量有害化学物质的处理方面具有很大的优势，能够使绝大部分有机物完全矿化或分解，具有很好的应用前景。

而在高级催化氧化技术当中，光催化氧化分解技术又是当今世界公认的最前沿最有效的处理技术。

所谓光催化反应，就是在光的作用下进行的化学反应，光化学反应需要分子吸收特定波长的电磁辐射，受激分子跃迁至激发态，然后会发生化学反应生成新的物质，或者变成引发热反应的中间化学产物。光催化氧化技术利用紫外光激发氧化将O₃、H₂O₂等氧化剂与光辐射相结合，以产生具有强氧化能力的羟基自由基(·OH)为特点，在高温高压、电、声、光辐照、催化剂等反应条件下，使难降解的大分子有机物氧化成氧化成CO2、H2O、矿物盐、低毒或无毒的小分子物质，无二次污染

光催化氧化技术具有如下优势：

(1)反应条件温和、氧化能力强；

(2)在染料废水、表而活性剂、农药废水、含油废水、氰化物废水、制药废水、有机磷化合物、多环芳烃等废水处理中，都能有效地进行光催化反应，使其转化为无机小分子，达到完全无害化的目的；

(3)光催化氧化反应对许多无机物，如CN^-、Au(CN)^2-、I^-、SCN^-、Cr₂O₇ ^2-、Hg(CH₃)₂、 Hg²⁺等的去除也有广阔的应用前景；

(4)可以破坏氰化物，以及电镀常用的各种有机螯合剂和添加剂，而达无害化;

(5)可以除去各种水中或气体中的微生物、细菌和霉菌;

(6)不仅可以破坏稀溶液(废水)中的有机物，而且可以破坏浓溶液(槽液)中的有机物;

(7)是一种非常清洁的干处理法，不会引入任何其他物质到体系中;

(8)能彻底破坏有机物而使其转化为CO₂排出，处理的深度比其他方法高;

尽管光催化氧化技术尽管有很多优势，但其在国内还处于研究阶段，传统的光催化氧化反应装置适合工业化大批量处理污染物的非常少，技术上还有很多缺陷，主要有以下几个方面：

（1）紫外光的吸收范围较窄，光能利用率较低，其效率还会受催化剂性质、紫外线波长和反应器的限制;

（2）光催化氧化需要解决透光度的问题，因为某些废水(如印染废水)中的一些悬浮物和较深的色度都不利于光线的透过，会影响光催化效果;

（3）单根灯管功率较小，一般为300～500W中低压汞灯，很少使用到3KW,反应器结构多为立式圆筒形或箱形，有的设备在反应器内装有搅拌装置，且单台设备内部装有多根UV灯管，搅拌强烈的情况下灯管很容易松动和破裂，氧化效果不均匀；

（4）如果废水处理量大，那么设备数量及灯管数量将大幅度增加，装置占地面积和投资也相应大幅度增大；

（5）灯管使用寿命较短，多为2000小时以下，更换频繁，无法大规模进行废水处理；

（6）多用于科研试验或中试用，工业化废水处理领域很少有报道使用大功率光催化反应器，也很少有进行大规模废水处理的装置；

（8）光催化反应时间普通较长，同一批废水，有的处理时间达6小时以上；

（9）UV灯管外部的灯套易结垢，影响紫外光的照射，清洗频繁；

申请号为CN02156875.8、CN201610874502.6、CN201220573548.1、CN201310150989.X等的专利文件公开了几种光催化反应装置，其或光利用率低处理量小、或处理能力很有限、或适应性较窄，均不适应于大规模且长期稳定的处理废水。

授权公告号为CN 201016094 Y的中国实用新型专利公开了一种水平漩流固定化催化剂悬浮载体光催化反应器，其包括一个水平设置的柱状反应器，将紫外灯管设置在反应器的轴线位置，并采用漩流进料，使得带有催化剂的悬浮载体以紫外灯管为轴心作旋转运动，水流的流向与载体运动方向相垂直，该催化反应器处理速度快，占地面积小，但其紫外光源处没有设置保护装置，易结垢损坏，维修频繁，严重影响了水处理效率。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种超大功率旋流管式光催化反应器及光催化系统，用于处理难降解的工业废水和生活污水，可将高浓度有毒有害废水中有机污染物分解成CO₂和水等无害小分子，同时可以除臭、脱色及杀菌消毒，从而达到净化废水的目的，并可通过并联、串联或其组合的矩阵化操作方式提高污水的处理规模。

且本申请所述光催化反应器的催化光源得到足够的保护，又没有降低光照催化的效率。

为实现上述目的，本发明所设计的一种超大功率旋流管式光催化反应器，包括一个具有催化反应部的卧式反应器壳体、设置在所述催化反应部内的催化光源，反应器壳体还包括有设置在催化反应部侧部的漩流发生部，在卧式的反应器壳体内设置有位于所述催化光源外的透光套管。

催化光源和透光套管作为一个整体参与反应器的拆装，通常情况下不再进行拆分。

作为上述技术方案的优选，所述催化反应部为圆柱状，所述透光套管被固定在反应器壳体上并进行可靠的保护和密封。

本发明所述反应器为卧式圆筒形，鞍座支撑，各分段之间用法兰连接，凹凸面密封，整体结构非常紧凑；流经反应器内的废水全部在紫外光有效的照射范围之内；且采用漩流的进料方式，能够增强废水催化氧化效果，解决UVC灯管外部的灯套易结垢清洗频繁的问题，流体进入旋流发生室后在压力作用下，改变流动状态，产生旋转流场，同时，在摩擦力作用下，有粘性的物质或细微杂质颗粒几乎不粘结反应器内部；

所述催化光源采用UVC灯管的高压汞灯，所述透光套管为高透光性的石英玻璃制成，管内通惰性气体或者抽真空；

本反应器的催化光源为单根额定功率12KW高压UVC汞灯，发光效率高，能产生较强的紫外线，波长范围200～280nm，正常情况下灯管使用寿命达5000小时以上；而高透光石英玻璃灯套，紫外光透过率达90%以上，且耐腐蚀，耐高温，耐压，高绝缘，热膨胀系数小，提高了透光率；

所述反应器壳体的内外部都静电接地；

所述高压汞灯的功率可在0~12KW范围内调节，灯管功率并可根据被处理物的量及工艺指标可扩展；

透光套管的两端通过密封函进行隔水密封，惰性气体保护组件或真空管道的气管自光源穿过管箱顶部引出到气体缓冲罐上；此措施是为了最大限度地利用紫外光能，灯管工作过程，紫外光几乎不损失。作为上述技术方案的优选，所述漩流发生部的数量为两个，分别设置在所述催化反应部的两侧端，所述漩流发生部的外端还设置有与其密封连接的管箱，至少所述催化光源和透光套管的一端通过密封组件密封穿出漩流发生部并处于管箱内。

管箱、光催化反应器和漩流发生部连接成一个完整的整体。

当光催化反应器与旋流发生部和管箱组装好后，催化光源沿反应器水平中心轴线穿过，两端等间距，然后安装填料密封函，各部件安装精度公差控制在要求范围内；

作为上述技术方案的优选，所述催化光源与透光套管之间形成有光源保护区，至少所述透光套管的一端从反应器壳体内密封导出所述催化光源的外接导线，以及连通所述光源保护区的气体导管。

管箱内部安装有通风散热部件并开有通风格栅窗，上部开有惰性气体进出管或真空管道，下部开有通风管；所述光源保护区通过内充惰性气体或抽真空来实现对光源的保护。

密封组件内装有耐腐蚀耐高温软填料；光催化反应器的外壳根据实际情况选择钛材、不锈钢、碳素钢中的一种，或者采用非金属材料。

作为上述技术方案的优选，所述密封组件与所述催化光源的连接处还设置有绝缘隔热组件；密封组件是耐腐蚀耐高温耐老化抗氧化材质的O形圈，而绝缘隔热组件是填充四氟石棉盘根，在压盖的压紧力作用下，可达到完全无泄漏。

为了解决灯管绝缘隔热问题，在灯管两端设计了绝缘隔热套。因UVC高压汞灯管在工作过程表面温度达500～900℃，若不进行有效的绝缘隔热和降温，必然造成灯管两端过热烧坏。

作为上述技术方案的优选，所述的漩流发生部由包括与管箱相连的连接密封法兰以及与催化反应部相连接的旋流发生板、外侧壳体构成，所述外侧壳体上开设有物料进口和或物料出口；所述管箱内设置有能沿所述反应器壳体轴向运动并锁定的定位调节盘。

在反应器使用之前，实现通过定位调节盘调整催化光源的位置；

作为上述技术方案的优选，所述催化光源位于反应器壳体内的催化反应部，所述催化反应部上设置有压力感应器、光感应器和温度感应器。

作为上述技术方案的优选，所述催化反应部的侧壁上还设置有观察窗、下部设置有放净口，以便于停车或检修时排净反应器内部残液。

观察窗采用可过滤紫外光的有色镜片制作而成，能够观察反应器内水流状态、灯管工作状态以及光化学反应状态，且几乎能全部过滤掉紫外线，只允许少部分可见光通过，减少紫外光对人体伤害。

为了便于维修或零部件更换，反应器主要构件对称分布于反应器两侧，管箱内操作空间充裕，所有连接件安装简便，维修方便。

本反应器不仅能用于工业企业有毒有害废水处理，也可用于有毒有害废气处理、杀菌消毒、城市河道污水处理、生活废水处理等多个领域。

一种光催化反应系统，包括一个热交换器和与之连通的料液供给部，所述料液供给部包括用以混合物料的搅拌装置和将物料输送至漩流发生部内以产生漩流的输料装置，所述热交换器同时连通反应器壳体的物料出口。

热交换器可降低废水经光化学反应后产生的热能和光的辐射热能，使得维持光催化氧化反应在一定的温度范围内进行；

作为上述技术方案的优选，所述料液供给部包括一个循环水箱，所述循环水箱上设置有料液入口和料液出口，内部设置上述搅拌装置；所述料液出口与循环泵通过管路相连接，所述循环泵出口处设置有调节阀调节进水流量

所述循环水箱上设置有催化剂和氧化剂的进料口；

作为上述技术方案的优选，所述热交换器与所述光催化反应器之间的管路上设置有水流感应器。

装有水流感应器，是为了方便对废水催化氧化过程进行全程监控，当反应器内严重缺水时，系统自动切断电源；

作为上述技术方案的优选，还包括一个用于控制调节光催化反应系统各参数的自动控制系统。

所述自动控制系统采用DCS系统或PLC系统。

反应器上所有温度、压力、水流、光感等检测组件与PLC或DCS控制系统连锁。

实际操作时，废水和氧化剂、催化剂等根据水质情况，按一定比例先后加入到循环水箱内，搅拌均匀。开启循环泵，根据废水中污染物COD、TOC等指标情况，调节循环泵调节阀的开启量大小或选择对应的循环泵流量和扬程。废水沿漩流发生部的底部切线进入，改变流道后进入主反应室进行光催化氧化反应。反应后的废水沿反应器另一个漩流发生部顶部切线口流出，同时带走催化光源工作过程产生的辐射热能和化学反应热，避免了由于温度过高导致灯管破损，还可防止紫外灯破裂后汞流入废水处理系统中造成汞中毒。

经催化氧化反应后的废水温度升高，当废水流经热交换器时与自来水进行间壁式换热，将反应后的废水温度降下来，再次流到循环水箱内。如此周而复始，直至催化氧化后的指标达到规定要求。废水在循环水箱内连续加料、连续出料，出料口有挡板，防止废水未经催化氧化而排出。反应器外部或内部，还设计有温度、压力、光感应器、pH计等检测元件与PLC或DCS控制系统连锁，实现连续化自动废水处理。

本反应器工艺上与双氧水氧化、臭氧氧化、Fenton氧化等其他高级氧化技术联合使用；

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）单台设备灯管数量最少，功率大、紫外光强烈、且灯管功率可扩展；

（2）催化氧化能力强、污染物去除率高；

（3）光能利用效率高；

（4）灯管透光度高、使用寿命长；

（5）传热传质效率高；

（6）温度恒定、压力恒定；

（7）高温部件和高电压高电流部件绝缘隔热效果好；

（8）结构紧凑、占地面积小；

（9）操作简便，远程控制，可间歇又可连续化自动化操作，管理费和人工成本低；

（10）设备主体及各部件耐腐蚀、耐高温；

（11）检测与控制点完整齐全，主要零部件都有保护措施；

（12）制造成本低，安装维修方便，主要易损件更换方便，安全可靠；

（13）不易堵塞，不易粘结，清洗容易；

（14）操作弹性空间大，适应性广；

（15）具有很高的实用价值，应用前景广阔。

附图说明

图1为光催化反应系统结构示意图。

图中：催化光源1、漩流发生部2、透光套管3、管箱4、密封组件5、绝缘隔热组件6、定位调节盘7、催化反应部8、压力感应器81、光感应器82、温度感应器83、观察窗84、放净口85、热交换器a、料液供给部b、循环水箱b-1、循环泵b-2、料液调节阀b-3、水流感应器c、自动控制系统d。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

实施例1：参考图1，一种超大功率旋流管式光催化反应器，包括一个圆柱状的卧式反应器壳体、设置在所述反应器壳体内部并固定在管箱4处法兰的催化光源1，所述反应器壳体的中部具有一个催化反应部8，所述催化反应部8的两端通过法兰连接有漩流发生部2；

所述反应器壳体的下端设置有用于支撑的支脚；

所述催化光源1为单根额定功率12KW高压UVC汞灯，位于高透光性的石英玻璃制成的透光套管3内；

所述的漩流发生部2由包括与管箱4相邻的连接密封法兰以及与催化反应部8相连接的旋流发生板、外侧壳体构成，所述外侧壳体上开设有物料进口和或物料出口；

管箱4设置在两个所述漩流发生部2的外端，所述催化反应部8与所述管箱4通过法兰密封连接；

所述灯套与旋流发生部用填料函密封，密封处设置有O形圈制成的密封组件5和填充石棉四氟盘根制成的综合密封圈。

所述管箱4内设置有沿所述反应器壳体轴向运动并定位的定位调节盘7，用于调节催化光源1的位置。

催化反应部8上设置有与自动控制系统相连的压力感应器81、光感应器82和温度感应器83，还设置有位于侧面的观察窗84和位于底面的放净口85。

实施例2：参考图1，一种超大功率旋流管式光催化反应器，与实施例1的不同之处在于：管箱4中还包括惰性气体进出管道，惰性气体通过进气管道通入所述透光套管3内的光源保护区中。

实施例3：参考图1，一种超大功率旋流管式光催化反应器，与实施例1的不同之处在于：管箱4中还包括真空管道，该真空管道通与催化光源1灯管和透光套管2内的光源保护区连通，使透光套管2内保持真空状态。

实施例4：参考图1，一种光催化反应系统，包括一个热交换器a、料液供给部b、设置在所述热交换器a与所述光催化反应器之间的水流感应器c，以及用于控制调节光催化反应系统各参数的PLC自动控制系统d，废水或待处理料液在所述料液供给部b内经混合后输送至光催化反应器的漩流发生部2内产生漩流，经催化反应后流出所述光催化反应器，再经所述热交换器a换热后流入料液供给部b循环处理或排出。

所述料液供给部b包括一个循环水箱b-1，所述循环水箱b-1上设置有料液入口和料液出口，内部设置有搅拌装置；所述料液出口与循环泵b-2通过管路相连接，所述循环泵b-2出口处设置有调节阀b-3。

实施例5：参考图1，一种光催化反应系统，与实施例1的不同之处在于：所述自动控制系统d为DCS控制系统。

Claims

1.一种超大功率旋流管式光催化反应器，包括一个具有催化反应部（8）的卧式的反应器壳体、设置在所述催化反应部（8）内的催化光源（1），反应器壳体还包括有设置在催化反应部（8）侧部的漩流发生部（2），其特征在于：在卧式的反应器壳体内设置有位于所述催化光源（1）外的透光套管（3）。

2.根据权利要求1所述的一种超大功率旋流管式光催化反应器，其特征在于：所述催化反应部（8）为圆柱状，所述透光套管（3）被固定在反应器壳体上。

3.根据权利要求1所述的一种超大功率旋流管式光催化反应器，其特征在于：所述催化光源（1）与透光套管（3）之间形成有光源保护区，至少所述透光套管（3）的一端从反应器壳体内密封导出所述催化光源（1）的外接导线，以及连通所述光源保护区的气体导管。

4.根据权利要求1所述的一种超大功率旋流管式光催化反应器，其特征在于：所述漩流发生部（2）的数量为两个，分别设置在所述催化反应部（8）的两侧端，所述漩流发生部（2）的外端还设置有与其密封连接的管箱（4），至少所述催化光源（1）和透光套管（3）的一端通过密封组件（5）密封穿出漩流发生部（2）并处于管箱（4）内。

5.根据权利要求4所述的一种超大功率旋流管式光催化反应器，其特征在于：所述密封组件（5）与所述催化光源（1）的连接处还设置有绝缘隔热组件（6）。

6.根据权利要求4所述的一种超大功率旋流管式光催化反应器，其特征在于：所述的漩流发生部（2）由包括与管箱（4）相邻的连接密封法兰以及与催化反应部（8）相连接的旋流发生板、外侧壳体构成，所述外侧壳体上开设有物料进口和或物料出口；所述管箱（4）内设置有能沿所述反应器壳体轴向运动并锁定的定位调节盘（7）。

7.一种采用要求1~6中任一条所述光催化反应器的光催化反应系统，其特征在于：包括一个热交换器（a）和与之连通的料液供给部（b），所述料液供给部（b）包括用以混合物料的搅拌装置和将物料输送至漩流发生部（2）内以产生漩流的输料装置，所述热交换器（a）同时连通反应器壳体的物料出口。

8.根据权利要求7所述的一种光催化反应系统，其特征在于：所述料液供给部（b）包括一个循环水箱（b-1），所述循环水箱（b-1）上设置有料液入口和料液出口，内部设置上述搅拌装置；所述料液出口与循环泵（b-2）通过管路相连接，所述循环泵（b-2）出口处设置有调节阀（b-3）。

9.根据权利要求7所述的一种光催化反应系统，其特征在于：所述热交换器（a）与所述光催化反应器之间得管路上设置有水流感应器（c）。

10.根据权利要求7所述的一种光催化反应系统，其特征在于：还包括一个用于控制调节光催化反应系统各参数的自动控制系统（d）。