CN107175056A - 高效的液芯光纤光催化反应器 - Google Patents

高效的液芯光纤光催化反应器 Download PDF

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胡心科
孙雪
马红鹏
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Abstract

本发明公开了一种高效的液芯光纤光催化反应器，包括：紫外光源、传光光纤、紫外发光面、液芯光纤束和反应器外壳，其中，液芯光纤束由多根液芯光纤组成，每一根液芯光纤的内壁上都涂覆有二氧化钛催化剂，液芯光纤束通过液芯光纤上定位架和液芯光纤下定位架固定在反应器外壳的内部。本发明的有益之处在于：液芯光纤集催化剂载体、紫外光传输介质和催化氧化微反应通道三项功能于一身，所以本发明的反应器达到了利用光催化氧化原理高效降解多级反渗透浓盐水中COD的效能。

Description

高效的液芯光纤光催化反应器
技术领域
本发明涉及一种光催化反应器，具体涉及一种高效的液芯光纤光催化反应器，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，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。在研究如何提高光催化效率方面，部分研究人员一直致力于光催化反应器的设计改进及研制，传统的固定式光催化反应器主要存在两个缺点：
1、反应介质对光的吸收和散射造成光利用率较低；
2、TiO2的活化比表面积小造成传质限制，因而降低了反应器的处理能力。
光纤型反应器以光纤作为催化剂负载基底及紫外光的传输媒介，直接将光传导至反应物中，极大地增加了光照比表面积，令光分布更为均匀，减少了传质限制，使光的利用率得到显著提高。
目前，多数光纤型光催化反应器都是在光纤外部直接涂覆二氧化钛，这样做存在两个问题：
1、如果采用裸露石英纤维，在涂膜和反应器制作过程中石英光纤极易发生断裂；
2、对于这种结构的光纤，在靠近光纤的输入端时，大部分的传输光没有顺利进入光纤端面而是被折射出了光纤，这就缩短了在光纤中光的轴向传导距离，因而减小了光纤型反应器的有效光催化表面积，同时反应器的光催化降解能力大打折扣。
液芯光纤是一类具有新式构造组成的光传输媒介。液芯光纤与普通固体光纤(由固态纤芯和固态包层组成)不同，它的包层一般使用较低折射率的管状材料，液芯材料一般使用较高折射率的液体材料,在柔性软管中充入高折射率的透明液体，使用透明材质的圆柱型固体作为光窗对包层管两端进行密封，光窗材质要与传输的波长相对应，这样就构成具有液体纤芯和包层结构的液体光波导。因为全反射的原理，光线穿过光窗射入到液芯光纤内部时会被束缚在包层里，在液体中沿着光纤轴线不断地向前传播，然后通过另一端的光窗输出。
与固体光纤比较，液芯光纤在特定波段内的消耗更小，这一点对于光线的传送来说是很关键的。液体光纤具有与普通光纤不一样的特别构造，使其具有许多独有的特性，例如：较大的芯径、较高的光谱传输质量、较宽泛的光谱传输的范围、较大的数值孔径、较长的使用寿命。
特别值得一提的是，玻璃或石英光纤传光束经常使用时，如果过度弯曲会致使光纤单丝断裂，传光效率下降，这个问题对液芯光纤来说是不存在的，因为液芯光纤的内部完全是由一种材质组成的，能够防止像普通光纤那样传光束中光纤丝之间的缝隙所引发的耦合损耗，传输功率较大的光能量也不会被损坏，而且液芯光纤生产成本低，生产效率高，更适合于大规模生产。
发明内容
本发明从液芯光纤的发光机理出发，目的在于提供一种高效的液芯光纤光催化反应器。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
高效的液芯光纤光催化反应器，其特征在于，包括：紫外光源、传光光纤、紫外发光面、液芯光纤束和反应器外壳，其中，
前述液芯光纤束由多根液芯光纤组成，每一根液芯光纤的内壁上都涂覆有二氧化钛催化剂，液芯光纤束通过液芯光纤上定位架和液芯光纤下定位架固定在反应器外壳的内部；
前述反应器外壳的下部设置有进水口，上部设置有出水口；
前述紫外发光面设置在反应器外壳的内部的顶端，与水直接接触，紫外光源产生的紫外光通过传光光纤送至紫外发光面，以面光源的方式传入反应器。
前述的高效的液芯光纤光催化反应器，其特征在于，前述液芯光纤的外径为5mm，内径为3mm。
前述的高效的液芯光纤光催化反应器，其特征在于，每一束液芯光纤束均由90根-100根液芯光纤组成。
前述的高效的液芯光纤光催化反应器，其特征在于，前述液芯光纤的包层采用FEP9制成。
前述的高效的液芯光纤光催化反应器，其特征在于，前述发光面与液芯光纤上定位架相距5mm-7mm。
前述的高效的液芯光纤光催化反应器，其特征在于，前述反应器外壳的直径为6cm-8cm。
前述的高效的液芯光纤光催化反应器，其特征在于，还包括：二氧化钛再生系统，前述反应器外壳的上部设置有再生液出口、下部设置有再生液进口，二氧化钛再生系统通过再生液出口和再生液进口与反应器外壳连通。
本发明的有益之处在于：
1、以液芯光纤作为催化剂负载基底和紫外光的传输媒介，直接将光传导至反应物中，极大地增加了光照比表面积，令光分布更为均匀，减少了传质限制，使光的利用率得到显著提高；
2、将二氧化钛催化剂涂覆在液芯光纤的内壁上，液芯光纤的内部可视为一个微反应通道，紫外光和催化剂对有机物的光催化降解反应集中在液芯光纤内部，高浓盐水进入液芯光纤后，可视为芯料，确保了紫外光源发出的紫外光在反应器内传输，而紫外光在传输的过程中激发二氧化钛，产生自由基，从而可高效降解高浓盐水中COD。
附图说明
图1是本发明的高效的液芯光纤光催化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-紫外光源、2-传光光纤、3-紫外发光面、4-液芯光纤束、5-液芯光纤上定位架、6-液芯光纤下定位架、7-二氧化钛再生系统、8-反应器外壳、9-进水口、10-再生液进口、11-出水口、12-再生液出口。
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。
参照图1，本发明的高效的液芯光纤光催化反应器包括：紫外光源1、传光光纤2、紫外发光面3、液芯光纤束4、反应器外壳8和二氧化钛再生系统7。
一、液芯光纤束
液芯光纤束4由多根液芯光纤组成，每一根液芯光纤的内壁上都涂覆有二氧化钛催化剂。液芯光纤的外径为5mm，内径为3mm。每一束液芯光纤束4均由90根-100根液芯光纤组成。
液芯光纤的包层采用FEP9制成，将高浓盐水注入液芯光纤内以后，可将高浓盐水视为液芯光纤内传输紫外光的芯液，我们选用折射率低于高浓盐水的FEP9(氟化乙烯丙烯光聚物)为光纤包层，因为全反射的原理，所以紫外光射入到液芯光纤内部时会被束缚在包层里，在液体中沿着光纤轴线不断地向前传播，然后通过另一端输出。
液芯光纤束4通过液芯光纤上定位架5和液芯光纤下定位架6固定在反应器外壳8的内部，液芯光纤上定位架5和液芯光纤下定位架6不仅能够使液芯光纤束4均匀、紧凑地分布于反应器外壳8中，也能使液芯光纤束4的装卸更为机动和方便。
二、反应器外壳
反应器外壳8的直径为6cm-8cm，下部设置有进水口9和再生液进口10，上部设置有出水口11和再生液出口12。
三、紫外光源、传光光纤和紫外发光面
紫外发光面3设置在反应器外壳8的内部的顶端，与水直接接触，与液芯光纤上定位架5相距5mm-7mm。
紫外光源1产生的紫外光通过传光光纤2最大限度的送至紫外发光面3，以面光源的方式传入反应器，进而进入液芯光纤的内部。
我们之所以采用面光源，是为了确保进入每一根液芯光纤的紫外光强度尽可能保持一致。
四、二氧化钛再生系统
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7，用以再生二氧化钛光催化剂。
二氧化钛再生系统7通过再生液出口12和再生液进口10与反应器外壳8连通。
工作原理：多级反渗透浓盐水经进水口9进入反应器，从液芯光纤下端进入液芯光纤内部，紫外光源1产生的紫外光通过传光光纤2最大限度的送至紫外发光面3，紫外发光面3传出的紫外光由液芯光纤上端进入液芯光纤内部，由于液芯光纤包层的折射率小于浓盐水的折射率，因此紫外光进入液芯光纤后通过全反射在液芯光纤内部传输，紫外光在传输的过程中与涂覆在液芯光纤内表面的二氧化钛相遇，激发使之发生电子跃迁，产生电子—空穴对和·OH自由基，它们与高浓盐水中的有机污染物接触后，将污染物彻底氧化降解成CO2和H2O，经过处理后的浓盐水从液芯光纤上端流出，经由出水口11排出。运行一段时间，当COD的降解率不合格时，关闭进水口9和出水口11，停止进水，打开再生液进口10和再生液出口12，同时开启二氧化钛再生系统7，由二氧化钛再生系统7对二氧化钛膜层进行再生。
由此可见，液芯光纤集催化剂载体、紫外光传输介质和催化氧化微反应通道三项功能于一身，所以本发明的反应器达到了利用光催化氧化原理高效降解多级反渗透浓盐水中COD的效能。
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 (7)

1.高效的液芯光纤光催化反应器，其特征在于，包括：紫外光源(1)、传光光纤(2)、紫外发光面(3)、液芯光纤束(4)和反应器外壳(8)，其中，
所述液芯光纤束(4)由多根液芯光纤组成，每一根液芯光纤的内壁上都涂覆有二氧化钛催化剂，液芯光纤束(4)通过液芯光纤上定位架(5)和液芯光纤下定位架(6)固定在反应器外壳(8)的内部；
所述反应器外壳(8)的下部设置有进水口(9)，上部设置有出水口(11)；
所述紫外发光面(3)设置在反应器外壳(8)的内部的顶端，与水直接接触，紫外光源(1)产生的紫外光通过传光光纤(2)送至紫外发光面(3)，以面光源的方式传入反应器。
2.根据权利要求1所述的高效的液芯光纤光催化反应器，其特征在于，所述液芯光纤的外径为5mm，内径为3mm。
3.根据权利要求2所述的高效的液芯光纤光催化反应器，其特征在于，每一束液芯光纤束(4)均由90根-100根液芯光纤组成。
4.根据权利要求1所述的高效的液芯光纤光催化反应器，其特征在于，所述液芯光纤的包层采用FEP9制成。
5.根据权利要求1所述的高效的液芯光纤光催化反应器，其特征在于，所述发光面(3)与液芯光纤上定位架(5)相距5mm-7mm。
6.根据权利要求1所述的高效的液芯光纤光催化反应器，其特征在于，所述反应器外壳(8)的直径为6cm-8cm。
7.根据权利要求1所述的高效的液芯光纤光催化反应器，其特征在于，还包括：二氧化钛再生系统(7)，所述反应器外壳(8)的上部设置有再生液出口(12)、下部设置有再生液进口(10)，二氧化钛再生系统(7)通过再生液出口(12)和再生液进口(10)与反应器外壳(8)连通。
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