CN1081166C - 光催化与膜分离集成的水处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光催化与膜分离集成的水处理方法，废水通入设有石英冷井及催化诱发光源的反应槽中，将富氧气体以分散气流导入，起到气拌作用，使催化剂以悬浮态存在于反应液内，反应后的悬浮液通过膜管以错流过滤的方式进行固液分离，降解液透过渗透膜从膜管外侧排出，固体催化剂随截留于管内的反应液返回反应槽再反应。本发明实现了光催化反应和催化剂回收过程在系统内连续进行，对光催化废水处理的工业化应用具有现实意义。
Description
本发明涉及一种光催化与膜分离集成的水处理方法及专用的膜分离器，用于有机污水等光催化降解处理过程。
近年来，以TiO2等半导体氧化物作为光催化剂的光催化降解法处理水微量有机物已成为研究热点，此法利用紫外光或近紫外光的光源从半导体颗粒表面激发出电子并同时形成一个带正电的空穴，从而引发一系列的氧化还原反应，产生氧化能力很强的羟基自由基，其氧化电势为2.80ev，是氧化降解的主要诱发剂，用以处理有机物污水可获得理想的净化效果。目前，光催化剂颗粒是以固定的方式与液相反应的，它的缺点是反应必须间歇进行，催化剂颗粒与液相有效接触面积小，加之在高温烧结过程中多孔结构发生变化，大大降低了颗粒表面积有效利用率，相应地降低了反应速率。人们曾试图实现悬浮态催化剂的光反应过程，使催化剂颗粒分散在液相中，与液相充分接触，提高反应速率，但存在催化剂难以从液相分离的问题，催化剂的分离回收困难，会造成流失。
本发明的目的是提供一种光催化与膜分离集成的水处理方法以及该方法专用的膜渗透器，以提高光催化污水降解反应的效率并实现光催化反应过程及催化剂回收过程的连续进行。
本发明的方法是：在设有石英冷井及催化诱发光源的反应槽中加光反应催化剂，将待降解的废水原料液通入反应槽，同时通入空气或富氧气体，使反应液里的活性氧达到饱和，该气体以分散气流的形式导入反应槽，将催化剂颗粒气拌成悬浮态，在槽内起先光催化反应，从槽底连续泵取悬浮有催化剂的反应液并通入膜分离器的膜管通道，以错流过滤方式进行液固分离，其中降解液(净化水)透过膜管后排出，固相催化剂留在膜管内，随截留于管内的循环液返回反应槽再反应；上述加入反应槽的原料液的量与降解液排出量相平衡，整个过程连续进行。所说的光催化剂颗粒直径≤40μm。上述膜管工作一定时间后，膜管内壁可能附着有部分催化剂，为保持膜管的较大的渗透通量，本发明通过加压于膜管外的渗透液对膜管定时加压反冲，使附着在膜上的催化剂脱落，恢复渗透通量。本发明中所说的光催化诱发光源可以是紫外光或主波长≤400nm的近紫外光源。
本发明上述方法中专用的膜分离器包括膜管和外套管，外套管的两端通过法兰和密封圈固定膜管并与膜管的进出口相隔离，膜管由多孔陶瓷支撑管和复合于管内通道的内壁的无机渗透膜组成，膜的孔径为1nm-10μm，膜厚度≤100μm，外套管设有渗透液出口管和反冲液接口管。所说的膜管可以是设有多个内壁复合有无机渗透膜的多通道膜管，形成多通道膜分离器；也可在外套管内设置多个并列的膜管，形成多通道膜分离器。
综上所述，本发明采用了泵循环辅以气拌的方法，使反应槽内催化剂呈悬浮状态。这不仅可使催化剂与水充分接触混合，催化剂的有效表面积大大增加，光催化降解有机物的速度迅速提高，更重要的是，本发明将光催化剂的悬浮化与膜渗透技术相结合，解决了催化剂颗粒的分离回收问题，并使光催化降解过程从进料、反应、出料、催化剂的分离直至返回反应槽再反应的全过程能不断地连续进行，从而使光催化降解反应，特别是光催化污水处理能实现工业化应用。从经济角度分析，带有陶瓷材料渗透膜的微过滤分离器能以较低的操作压差(0.1-0.5MPa)获得较高的通量，加之无机膜有良好的机械强度，可适当增加横跨膜操作压差，确保以较小的膜面积透过较大的流量，从而提高反应器的处理能力，减小设备投资额。
下面结合附图说明本发明的实施例。
图1是本发明采用膜分离回收催化剂的光催化反应流程图。
图2是富氧气体多孔环形导管的结构示意图。
图3是冷井结构示意图。
图4是膜分离器的结构图。
图5是膜分离器的膜管横截面示意图。
图6是多通道膜管横截面示意图。
如图1所示，反应槽1为圆桶型容器，外套石英冷井2的光源3浸入在催化剂颗粒和原料液形成的悬浮液里，诱发光催化反应的进行。气体导管4导入反应所需要的富氧气体e(可以是空气、氧气或臭氧)，在提供活性氧的同时可起到气拌的作用。在反应进行的过程中，泵5提供动力，从反应槽底部泵取悬浮有催化剂的反应液，经流量计6送入膜分离器7的膜管内通道，并通过无机膜进行固液分离，经降解的液体d(下称渗透液)透过膜管排出系统，而催化剂颗粒则随循环液从膜管流出返回反应槽1，与连续加入的原料a混合继续反应，催化剂在系统内连续循环，加料量a和出料量d保持平衡，整个光反应过程连续进行。本图1中，V2、V3和V4可用于调节渗透量d，从而调整料液在反应槽里的停留时间，以达到所需的反应效果。空压机9和缓冲罐8是对渗透液的反向加压时启用，缓冲罐8内是与膜分离器7相通的渗透液。当膜管需要反冲清洗时，开启阀V5，启动空压机9，提供≯2MPa的压力，通过缓冲罐8加压于分离器内的渗透液，进而使膜管受到由外向内的径向压力，附着在膜管内壁的催化剂被反冲脱落，使通量增加。图1中，b、c冷井冷却水进水和出水，f为系统放空，由阀V9控制。g、h、i为系统排污，分别由阀V6、V7、V8控制。图1流程若用于污水处理，则原料液a为有机物污水，渗透液d为降解了的净水。
图2表示图1中导气管4下端为多孔环形管，圆环的下部和侧部开有多个气孔4-1。
图3是石英冷井剖面图，它由双层石英玻璃制成的含有夹层腔2-1的圆桶型容器，冷却水由一根导管2-2从夹层的顶部引入腔内的底部，随后由腔体的另一端开口排出，起到及时移走光源所产生的热量和调节反应温度的作用。
图4是膜分离器结构示意图。图中膜管73外套有外套管76，外套管两端以密封圈72密封，并以法兰71固定73，外套管设有渗透液输出接管74和反冲液接管75。本器中，膜管以轴向进料，以径向渗透，形成错流过滤方式。
图5是单通道膜管横剖面示意图，图5可见，膜管由孔径较大的陶瓷支撑管A和复合于通道C内壁的孔径很小的无机膜层B组成，膜厚≯400μm。图6是多通道膜管横剖面示意图，它表示陶瓷支撑管A内有多个内壁复合有一层无机膜B的通道C。
下面是本发明方法用于处理亚甲基蓝染料废水的实施例。
待降解处理的废水中亚甲基蓝浓度为0.5g/L，采用300W中压汞灯。反应槽内加入平均粒径为0.3μm，晶型为锐钛矿型的催化剂TiO24g，将以上废水连续加入反应槽，保持反应液的容积为8L，所用的膜管的支撑管和膜材料均为Al2O3，膜管的外径12mm，内径8mm，长20cm，平均膜孔径0.2μm；反应温度为30-40℃，操作压力(膜管内外压差)为1.5kg/cm2。在以上操作条件下，亚甲基蓝的降解率不小于95％，处理量不小于3L/hr。经计算可得放大结果为：每小时处理1吨废水，需要的膜面积为1m2，能耗约1-2kW.hr。
Claims (6)
1.光催化与膜分离集成的水处理方法，在设有石英冷井及催化诱发光源的反应槽中加光反应催化剂，将待降解的废水通入反应槽，同时通入空气或富氧气体，使反应液里的活性氧达到饱和，其特征是该气体以分散气流的形式导入反应槽，将催化剂颗粒气拌成悬浮态，在槽内进行光催化反应；从槽底连续泵取悬浮有催化剂的反应液并通入膜分离器的膜管通道内，以错流过滤方式进行液固分离，其中降解液透过膜管后排出，固相催化剂留在膜管内，随截留于管内的反应液返回反应槽再反应，整个过程连续进行；所说的诱发光源是紫外光或主波长≤400nm的近紫外光源。
2.根据权利要求1的光催化与膜分离集成的水处理方法，其特征是所说的光催化剂颗粒直径≤40μm。
3.根据权利要求1、2的光催化与膜分离集成的水处理方法，其特征是采用渗透液对膜管定时加压反冲，使附着在膜上的催化剂脱落。
4.一种权利要求1的方法的专用膜分离器，包括膜管和外套管，外套管的两端通过法兰和密封圈固定内管并与内管的进出口相隔离，外套管设有渗透液出口管和反冲液接口管，其特征是膜管由陶瓷支撑管和复合于管内通道内壁的无机渗透膜组成，膜的孔径为1nm-10μm，膜厚度≤100μm。
5.根据权利要求4的膜分离器，其特征是所说的膜管是设有多个内壁复合有无机渗透膜的多通道膜管。
6.根据权利要求4、5的膜分离器，其特征是所说的外套管内设有多个膜管，形成多管道膜分离器。
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1998
- 1998-12-07 CN CN 98111597 patent/CN1081166C/zh not_active Expired - Fee Related
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