CN107129004B - 悬浮型二氧化钛光催化超滤膜反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种悬浮型二氧化钛光催化超滤膜反应器,包括:弥散光纤发光系统、超滤膜分离系统和辅助系统,其中,弥散光纤发光系统具有传光光纤、光纤耦合器和弥散光纤,弥散光纤侧面发光透出紫外光;超滤膜分离系统具有膜壳和中空超滤膜丝,中空超滤膜丝为内压式超滤膜,套在弥散光纤上;辅助系统包括二氧化钛投加系统和二氧化钛再生系统。本发明的有益之处在于:(1)中空超滤膜丝提供了微反应通道,使得有机物与悬浮态二氧化钛催化剂充分接触,解决了催化剂有效表面积局限的问题;(2)使用可侧面发光的弥散光纤,使得紫外光被充分利用,解决了光利用率低的问题;(3)使用中空超滤膜丝,是内压式超滤膜,解决了催化剂回收困难的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种光催化反应器,具体涉及一种悬浮型二氧化钛光催化超滤膜反应器,属于化工设备技术领域。
背景技术
随着国家对水资源循环利用的日益重视,尤其在缺水地区,污水“零排放”已经越来越被认识并推广。在实现“零排放”的过程中,多级反渗透浓盐水中COD的降解是关键难点之一。多级反渗透浓盐水是指在污水处理的过程中,已经经过生化处理、微滤、纳滤、超滤以及反渗透处理后残余的高浓度废液,其特点是盐含量高、有机物含量高,且其中的有机物大多为生化反应无法氧化分解的稳定有机物。如若不将浓盐水中的有机物与无机盐类分离,首先,在浓盐水蒸发过程中有机物会凝结成胶质阻碍蒸发过程造成额外的能源的损耗,其次,残存有机物对浓盐水蒸发终产物即无机盐的纯度造成严重影响。没有将有机物和无机物分离的终产物会被归类为危险化学废料,如今大多采用填埋等方式处理,成本巨大且对环境有二次污染的潜在风险。如果能将残存有机物进行处理,使无机盐得以分离提纯,不仅能够节约危险化学废料处理所要消耗的人力物力财力,而且可以使无机盐得到重复利用创造更多价值得以“化废为宝”。
光催化技术的特点为该问题的彻底解决提供了思路。目前,对二氧化钛光催化反应的研究已证明了该技术本身的可行性,市场上也已出现利用紫外灯催化二氧化钛处理有机物的设备并用于实际。二氧化钛光催化目前有悬浮型和负载型两种,悬浮态一般可实现较高的反应效率,但催化剂不易从处理后液体中分离或回收利用,常造成排除液易产生二次污染和催化剂使用成本较高的问题。涂覆法有负载的催化剂颗粒量有限制的局限,而且会造成催化剂的有效表面积减少,近而导致催化剂的活性下降,且两种形式的设备大多采用紫外灯直接激发催化剂的模式,造成光利用率较低,紫外光与催化剂及污染物的有效接触面积小,导致反应器效率低下,限制了该技术的推广。
发明内容
为解决现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种能最大限度的发挥二氧化钛光催化剂对多级反渗透浓水中COD的降解效能的悬浮型二氧化钛光催化超滤膜反应器。
为了实现上述目标,本发明采用如下的技术方案:
悬浮型二氧化钛光催化超滤膜反应器,其特征在于,包括:弥散光纤发光系统、超滤膜分离系统和辅助系统,其中,
前述弥散光纤发光系统包括:紫外激光器、传光光纤、光纤耦合器、弥散光纤、光纤上固定板和光纤下固定板,紫外激光器产生的紫外光通过传光光纤及光纤耦合器后送至弥散光纤,弥散光纤侧面发光透出紫外光,弥散光纤的上下两端分别固定在光纤上固定板和光纤下固定板上,光纤上固定板和光纤下固定板的相应位置上均留有透水孔;
前述超滤膜分离系统包括:膜壳和中空超滤膜丝,膜壳的底部设置有进水口和下排口,上部的侧壁上设置有产水口和反洗水进口,光纤耦合器装于膜壳的顶端,光纤上固定板和光纤下固定板分别装于膜壳的内部的上下两端,中空超滤膜丝为内压式超滤膜,套在弥散光纤上;
前述辅助系统包括:二氧化钛投加系统和二氧化钛再生系统,从超滤膜分离系统的下排口排出的含二氧化钛粉末的浓缩液和反洗水经由管道进入二氧化钛投加系统重复利用,二氧化钛累积使用一段时间失效后,从超滤膜分离系统的下排口排出的含二氧化钛粉末的浓缩液和反洗水则经由管道排入二氧化钛再生系统,再生以后再排入二氧化钛投加系统重复利用。
前述的悬浮型二氧化钛光催化超滤膜反应器,其特征在于,前述中空超滤膜丝的外径为1.2mm~1.3mm,内径为0.5mm~0.7mm。
前述的悬浮型二氧化钛光催化超滤膜反应器,其特征在于,前述膜壳的底部还设置有进气口。
前述的悬浮型二氧化钛光催化超滤膜反应器,其特征在于,前述悬浮型二氧化钛光催化超滤膜反应器还包括:高效混合器,多级反渗透浓盐水与纳米二氧化钛溶液在前述高效混合器内充分混匀后经由管道从进水口进入到膜壳中。
本发明的有益之处在于:
1、中空超滤膜丝提供了微反应通道,使得有机物与悬浮态二氧化钛催化剂充分接触,解决了催化剂有效表面积局限的问题;
2、使用可侧面发光的弥散光纤,使得紫外光被充分利用,解决了光利用率低的问题;
3、使用中空超滤膜丝,是内压式超滤膜,解决了催化剂回收困难的问题;
4、将悬浮型二氧化钛光催化技术、弥散光纤及中空超滤膜丝组合,形成了一种新型的光催化反应器,该光催化反应器最大限度的发挥了二氧化钛光催化剂对多级反渗透浓水中COD的降解效能。
附图说明
图1是本发明的悬浮型二氧化钛光催化超滤膜反应器的一个具体实施例的结构示意图。
图中附图标记的含义:1-弥散光纤、2-膜壳、3-中空超滤膜丝、4-紫外激光器、5-传光光纤、6-光纤耦合器、7-光纤上固定板、8-光纤下固定板、9-进水口、10-产水口、11-进气口、12-反洗水进口、13-下排口、14-二氧化钛投加系统、15-二氧化钛再生系统、16-高效混合器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
本发明的悬浮型二氧化钛光催化超滤膜反应器,其包括:弥散光纤发光系统、超滤膜分离系统、辅助系统和高效混合器。
一、弥散光纤发光系统
参照图1,弥散光纤发光系统包括:紫外激光器4、传光光纤5、光纤耦合器6、弥散光纤1、光纤上固定板7和光纤下固定板8。
传光光纤5能够提高光的传输效率,弥散光纤1能够长距离侧面发光,光纤耦合器6将传光光纤5和光纤耦合器6组合,从而可提高量子效率和反应速率,有利于提高本发明的反应器降解有机物的能力。
紫外激光器4产生的紫外光通过传光光纤5及光纤耦合器6后最大限度的送至弥散光纤1,弥散光纤1侧面发光透出紫外光。
弥散光纤1的上下两端分别固定在光纤上固定板7和光纤下固定板8上,光纤上固定板7和光纤下固定板8的相应位置上均留有透水孔。
二、超滤膜分离系统
参照图1,超滤膜分离系统包括:膜壳2和中空超滤膜丝3。
膜壳2的底部设置有进水口9、进气口11和下排口13,上部的侧壁上设置有产水口10和反洗水进口12。
光纤耦合器6装于膜壳2的顶端,光纤上固定板7装于膜壳2的内部的上端,光纤下固定板8装于膜壳2的内部的下端。
中空超滤膜丝3为内压式超滤膜,其外径为1.2mm~1.3mm,内径为0.5mm~0.7mm,套在弥散光纤1上,即每根中空超滤膜丝3的内部都有一根弥散光纤1从中穿过。
我们之所以采用内压式超滤膜,一方面是因为装上弥散光纤1后,每一个膜丝都可以成为一个独立的微反应通道,在该通道内污染物、催化剂及紫外光可充分接触,而外压式超滤膜则会将悬浮态催化剂分离在膜丝外;另一方面是因为内压式超滤膜容易清洗,因为内压式超滤膜工作时,被过滤的物质都残留在超滤膜丝内,这样容易清洗,而外压式超滤膜工作时,被过滤的物质都残留在超滤膜丝之间,这样很容易粘连,清洗不干净,从而造成产水量逐渐减少。
三、辅助系统
参照图1,辅助系统包括:二氧化钛投加系统14和二氧化钛再生系统15。
二氧化钛投加系统14的进口和二氧化钛再生系统15的进口都与超滤膜分离系统的下排口13连通,同时二氧化钛再生系统15的出口与二氧化钛投加系统14的进口连通。
从超滤膜分离系统的下排口13排出的含二氧化钛粉末的浓缩液和反洗水经由管道进入二氧化钛投加系统14重复利用。
二氧化钛累积使用一段时间失效后,从超滤膜分离系统的下排口13排出的含二氧化钛粉末的浓缩液和反洗水经由管道排入二氧化钛再生系统15,再生以后再排入二氧化钛投加系统14重复利用。
因为二氧化钛光催化剂有一定的吸附性能,运行一段时间后,二氧化钛光催化剂表面吸附的反应产物或中间产物会占据催化剂活性位、会俘获H+和·OH、会在催化剂表面形成氧化物沉积、会破坏催化剂结构等,从而导致催化剂失活,所以我们设置了二氧化钛再生系统15,用以再生二氧化钛光催化剂。
四、高效混合器
参照图1,高效混合器16的出口与超滤膜分离系统的进水口9连通。
多级反渗透浓盐水与纳米二氧化钛溶液在高效混合器16内充分混匀后,经由管道从进水口9进入到膜壳2中,然后穿过光纤下固定板8的透水孔,进入中空超滤膜丝3内,中空超滤膜丝3内的弥散光纤1侧面发出紫外光,激发浓盐水中的二氧化钛,使之发生电子跃迁,产生电子—空穴对和·OH自由基,它们与有机污染物接触后,将污染物彻底氧化降解成CO2和H2O。同时,开启进气口11,向膜壳2内鼓入空气/氧气,促进光催化反应的进行,使气体和液体混合得均匀,提高氧化效率。经过中空超滤膜丝3过滤分离脱除COD后的高浓盐水经产水口10排出,而二氧化钛粉末则被截流在中空超滤膜丝3内。当进出水压差达到2公斤时,停止进水,开始反洗程序,开启下排口13,排出浓缩液,开启反洗水进口12和进气口11,对中空超滤膜丝3进行充分冲洗及擦洗,排出的含二氧化钛粉末的浓缩液及反洗水进入二氧化钛投加系统14重复利用,累积使用一段时间失效后,排出的含二氧化钛粉末的浓缩液及反洗水则先进入二氧化钛再生系统15,再生以后再进入二氧化钛投加系统14重复利用。
由于中空超滤膜丝3的直径非常小,所以水进入到中空超滤膜丝3后,会被最大化的分割,每支中空超滤膜丝3内水中的有机物和二氧化钛粉末与弥散光纤1侧面发出的紫外光可以最大化的充分接触,从而使光催化氧化效率极高。
需要说明的是,上述实施例不以任何形式限制本发明,凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案,均落在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.悬浮型二氧化钛光催化超滤膜反应器,其特征在于,包括:弥散光纤发光系统、超滤膜分离系统和辅助系统,其中:
所述弥散光纤发光系统包括:紫外激光器(4)、传光光纤(5)、光纤耦合器(6)、弥散光纤(1)、光纤上固定板(7)和光纤下固定板(8),紫外激光器(4)产生的紫外光通过传光光纤(5)及光纤耦合器(6)后送至弥散光纤(1),弥散光纤(1)侧面发光透出紫外光,弥散光纤(1)的上下两端分别固定在光纤上固定板(7)和光纤下固定板(8)上,光纤上固定板(7)和光纤下固定板(8)的相应位置上均留有透水孔;
所述超滤膜分离系统包括:膜壳(2)和中空超滤膜丝(3),膜壳(2)的底部设置有进水口(9)和下排口(13),上部的侧壁上设置有产水口(10)和反洗水进口(12),光纤耦合器(6)装于膜壳(2)的顶端,光纤上固定板(7)和光纤下固定板(8)分别装于膜壳(2)的内部的上下两端,中空超滤膜丝(3)为内压式超滤膜,套在弥散光纤(1)上;
所述辅助系统包括:二氧化钛投加系统(14)和二氧化钛再生系统(15),从超滤膜分离系统的下排口(13)排出的含二氧化钛粉末的浓缩液和反洗水经由管道进入二氧化钛投加系统(14)重复利用,二氧化钛累积使用一段时间失效后,从超滤膜分离系统的下排口(13)排出的含二氧化钛粉末的浓缩液和反洗水则经由管道排入二氧化钛再生系统(15),再生以后再排入二氧化钛投加系统(14)重复利用,其中:
所述中空超滤膜丝(3)的外径为1.2mm~1.3mm,内径为0.5mm~0.7mm;
所述膜壳(2)的底部还设置有进气口(11)。
2.根据权利要求1所述的悬浮型二氧化钛光催化超滤膜反应器,其特征在于,所述悬浮型二氧化钛光催化超滤膜反应器还包括:高效混合器(16),多级反渗透浓盐水与纳米二氧化钛溶液在所述高效混合器(16)内充分混匀后经由管道从进水口(9)进入到膜壳(2)中。
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