CN109621716B - 一种适用泡沫状或网状光催化剂降解有机污染物的反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用泡沫状或网状光催化剂降解有机污染物的反应器，该反应器包括不透光的腔体，在腔体内设置有催化剂组合和紫外灯组合，所述的催化剂组合采用泡沫状催化剂或网状催化剂，腔体下端开有进口，上端开有出口，进口及出口均设有阀门，待处理样品从进口进入反应器，在反应器内经降解净化从出口流出，可实现光催化净化连续进行或间歇式进行，该反应器以网状或泡沫状催化剂，尤其是以金属钛网(或泡沫钛)为原料制备的TiO2光催化剂置于腔体内，克服了传统板式光催化剂与污染水(气体)的充分接触和高采光效率难以兼顾的问题，也克服了传统负载型催化剂掉粉损耗并引起二次污染的问题。
Description
技术领域
本发明属于污染废水处理技术领域，涉及一种降解有机污染物的反应器，特别是涉及一种适用泡沫状或网状光催化剂降解有机污染物的反应器，可降解污水中有机污染物。
背景技术
在全球工业化进程的不断提高和人口规模不断增长的大环境下，环境污染已经成为21世纪亟待解决的全球性问题。其中，水资源污染和空气污染是人类可持续发展所必须面临与解决的大难题。而由有机污染物引起的水体污染是水污染的一大分支，这些有机污染物通过其毒性等途径来影响生态系统，危害人体健康。有机污染物是指以碳水化合物、蛋白质、氨基酸以及脂肪等形式存在的天然有机物质，以及某些人工合成并排放到水体中的有机物。研究显示，水体中的有机污染物会导致人体癌症、心血管疾病、神经性疾病等各种疾病。有机污染物种类繁多，含量越高，产生的毒性就越大，对人体的危害性也就越大。
通常对于污染水中有机污染物的无害化处理方式包括化学分解、物理吸附分离以及生物降解。不过化学分解在处理工艺中大多会引入另外的化学物质，极易导致二次污染。物理吸附分解一方面只是把污染物从一种状态转化为另一种状态，治标不治本，同时因为大量使用吸附剂，使用物理吸附法的成本居高不下。而对于生物降解，由于其本质是利用各种微生物反应降解，故必须在适宜条件下进行反应，并不能广泛使用以及大规模普及。所以，急需寻找一种低成本高效率的污染治理方法。半导体光催化技术因为其适用范围广，可将各种有机物污染物彻底无选择矿化和催化剂可以重复利用等优点而被广泛应用于污染的处理。其中纳米TiO2因为其具有活性高，稳定性好、无毒性、价格低廉、可循环利用等特点而备受关注。
对于半导体来说，其实现光催化反应包括以下过程：当入射光能量大于或等于半导体禁带宽度时，其价带上的电子就会被激发并跃迁到导带中，如此便在价带上产生光生空穴，相对应地在导带中产生光生电子。光生空穴迁移到半导体表面可以将表面吸附的电子供体氧化、可以和吸附于半导体表面的H2O以及OH－反应形成羟基自由基(·OH)；光生电子与表面吸附的电子受体(通常是溶解在液体中的氧气)进行反应生成超氧自由基(·O2 －)。而这些在表面产生的·OH、·O2 －、和空穴具有强氧化性，可以把有机污染物氧化为CO2、H2O等无机物，从而达到彻底分解有机污染物的目的。
推广光催化技术的工业化应用，除了获得高性能光催化剂，目前还需要克服一些关键的问题。即兼顾光催化剂的采光效率、催化剂与污染液体的充分接触、和催化剂回收的难题。因此，多相光催化反应器的设计对光催化的实用化至关重要。根据所采用的光催化剂的形貌结构，所需要的光催化反应器也相应不同。目前，光催化剂主要采用粉末(包括颗粒等)或者块体(包括片状、板式、蜂窝状等等)两种形式。对于粉末状光催化剂，所采用的光催化反应器需要克服粉末催化剂团聚、流失、以及回收困难的问题。为了解决粉末催化剂所面临的难题，对催化剂的负载得到重视(使催化剂变成块体，或者类似块体的形状)。尽管将催化剂担载在平板多孔材料上等方法，可以兼顾采光、和污染物充分接触的难题。仍然面临制备过程复杂、催化剂的性能有劣化，容易掉粉损失引起二次污染等诸多问题。为此，研究者费劲心思，希望克服这些困难。大量的专利公开了一系列可能的方案。例如，发明专利CN1124986C公开一种适用于悬浆体系、固定床和流化床体系的光催化反应器，既能连续运行，也适合间隙运行。发明专利CN1199870C公开了一种流化光催化反应器，利用多孔烧结挡板确保催化剂颗粒不流失，并保持流化状态。发明专利CN1277756C公开了一种转筒式光催化反应器，利用转动改变废水与催化剂的分布与接触，增加催化剂与反应物和光源的接触面。发明专利CN100404123C公开了一种毛细管阵列光催化反应器，旨在克服催化剂流失和采光差、以及催化剂与反应液接触差的问题。发明专利CN100563814C公开了一种连续流动式纳米晶光催化反应器。旨在把催化剂固定在多孔石英玻璃上，利用多孔石英玻璃透光性和比表面积大的特点，增加光催化效率。发明专利CN101288839B公开了一种透光性管状蜂巢式光催化反应器。将催化剂固定在透光性管状蜂巢的表面，提高采光性能并防止催化剂流失。发明专利CN102258971B公开了一种列管式纳米二氧化钛管阵列光催化反应器及制备方法，把阳极氧化法自钛片上制备TiO2纳米管阵列膜与钛衬底一起卷成圆筒状，内壁上是TiO2纳米管阵列。圆筒的中心是紫外灯管。发明专利CN103159288A公开了一种用于降解有机物的光催化反应器，利用在碳纤维上沉积氧化锌的方法，实现催化剂根据净化处理器形状的需要自行弯曲的目的。发明专利CN104310523A公开了一种光催化反应处理废水的方法及光催化反应器，把TiO2或掺杂过渡金属的TiO2固定在颗粒活性炭上，或者固定在流化床表面，以提高采光并固定催化剂。发明专利CN105903417B公开了一种LED光催化反应器，提出一种光催化效率高、催化效果好、成本低且实用的LED光催化反应器。通过在导光板两面镀上具有一定薄膜厚度的光催化剂保证光催化剂的氧化还原反应效率处在最佳状态。发明专利CN106268311A公开了一种蜂巢状层流-推流式光催化反应器，在反应通道的内壁涂覆有光催化剂，把光源固定在通道的中心，提高光源和催化剂利用率。发明专利CN105478008A公开了一种光催化反应器，首先把催化剂基板上，然后把相邻两个催化剂基板在径向或轴向方向上，具有重叠部分使得灯管发出的光可以照射到全部催化剂基板而不透出，以提高采光效率。发明专利CN106582267A公开了利用光催化环提高采光效率的方案。发明专利CN107055680A公开了一种多塔板上布流内扩散竖式推流光催化反应器。多个催化剂托盘悬挂在上下塔板之间空间内，使催化剂托盘中的催化剂与污水充分反应，提高光催化反应效率。发明专利CN107376799A公开了一种高效的光催化反应器，通过把纳米棒阵列薄膜光催化剂负载在导电玻璃上，提高光催化反应效率。发明专利CN107824046A公开了一种折板型滤网光催化反应器，采用在泡沫镍上海负载TiO2催化剂的办法提高采光效率和催化剂与污染物的接触效果。发明专利CN107758832A公开了一种利用光催化降解污水系统，采用六个内置紫外灯管并且外包光催化薄膜层的导流筒形成“Z”型结构，将污水通过喷雾嘴不断喷洒在光催化薄膜层上缓慢流下，污水中的有机污染物分子不断与光催化薄膜层中的光催化剂接触，在紫外光的照射下提供能量，达到分解有机污染物分子的作用，从而达到对污水处理的目的。
上述专利为解决光催化反应器提供了很好的参考，但同时仍然面临工艺复杂、催化剂采光和催化剂与污染物的充分接触难以兼顾、催化剂流失引起二次污染，等等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效廉价的适用泡沫状或网状光催化降解有机污染物的反应器，可用于污水的净化处理。
本发明采用的技术方案是：
一种适用泡沫状或网状光催化剂降解有机污染物的反应器，该反应器包括不透光的腔体，在腔体内设置有催化剂组合和紫外灯组合，腔体下端开有进口，上端开有出口，进口及出口均设有阀门，待处理样品从进口进入反应器，在反应器内经降解净化从出口流出，可实现光催化净化连续进行或间歇式进行，所述的催化剂组合采用泡沫状催化剂或网状催化剂。
上述技术方案中，进一步的，所述的腔体的上盖板和前部挡板均可拆卸，分别通过O型圈与腔体密闭连接，在上盖板上及催化剂组合上均开有孔阵列，孔阵列用于插入玻璃管，紫外灯组合安装于玻璃管内。所述的玻璃管可以通过O型圈与上盖板上的孔密封。
进一步的，所述的催化剂组合由催化剂片堆叠而成，所述的催化剂片为泡沫状催化剂或网状催化剂。所述的催化剂为表面生长有TiO2薄膜的金属钛网或泡沫钛网。所述的催化剂通常采用阳极氧化法制备并退火晶化获得。所述的TiO2薄膜为颗粒膜、纳米棒阵列膜或纳米管阵列膜；所述的纳米棒(管)阵列中的纳米棒(管)为多晶体或单晶体。
进一步的，在腔体上位于出口对侧挡板上开有小孔，小孔位置高于出口，在腔体内设置导气管，导气管与小孔连通用于向腔体内提供氧源。
本发明的有益之处在于：
1)以网状或泡沫状催化剂(如以钛网(泡沫钛)为原料制备的TiO2光催化剂)置于腔体内，克服了传统板式光催化剂与污染水的充分接触和高采光效率难以兼顾的问题；2)在钛网(泡沫钛)上制备的TiO2光催化剂与钛网(泡沫钛)结合牢固易于清洗回收和安装，并克服了传统负载型催化剂掉粉损耗并引起二次污染的问题；3)光解净化可以根据具体情况连续进行或者间隙进行。本发明的光催化反应器可以兼顾催化剂清洗回收、采光效率以及催化剂与污染水可充分接触。
附图说明
图1是降解污水中有机污染物的装置示意图。
图中：(1)不透光的反应腔体；(2)阀门；(3)出口；(4)进口；(5)泵；(6)上盖板；(7)前部挡板；(8)O型圈；(9)玻璃管；(10)孔阵列；(11)紫外灯组合；(12)TiO2薄膜；(13)片状金属钛网(或者泡沫钛网)；(14)(泡沫)网状催化剂组合；(15)片状催化剂上孔阵列的孔；(16)侧面挡板；(17)小孔；(18)导气管；(19)气泵。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
参照图1，为本发明的光催化反应器的一种具体实例，该反应器包括不透光的腔体1，腔体1下端开有进口4，上端开有出口3，进口及出口均设有阀门2，进口4处连接泵5将待处理样品从进口进入反应器，在反应器内经降解净化从出口流出，所述的腔体1的上盖板6和前部挡板7均可拆卸，分别通过O型圈与腔体密闭连接，在腔体1内密集安装有催化剂组合14，在上盖板6上及催化剂组合14上均开有孔阵列10，孔阵列10用于插入玻璃管9，紫外灯组合11安装于玻璃管9内，所述的玻璃管9可以通过O型圈与上盖板6上的孔密封；所述的催化剂组合14是由催化剂片13堆叠而成，催化剂片是泡沫状催化剂或网状催化剂，尤其是表面生长有TiO2薄膜的金属钛网或泡沫钛网。通常可采用阳极氧化法制备并退火晶化获得，也可以是用双氧水氧化法等其它方法制备得到的。所述的TiO2薄膜12为颗粒膜、纳米棒阵列膜或纳米管阵列膜；纳米棒(管)阵列中的纳米棒(管)为多晶体或单晶体。
此外，在腔体1上位于出口3对侧挡板上还开有小孔17，小孔17位置高于出口3，在腔体内设置导气管18，导气管18与小孔17连通用于向腔体内提供氧源。
该反应器可适用(泡沫)网状光催化剂降解污染水中有机污染物，在水泵的工作下，污染水从腔体下端的入水口进入，与腔体内部的(泡沫)网状光催化剂充分接触，利用玻璃管内的紫外灯激活光催化剂使有机污染物彻底分解。然后净化水从腔体上端的出水口流出。水流的速度可以根据污染物浓度和不同的污染物降解速度调节，实现连续净化，也可以通过水阀的开与关，实现间隙式净化。催化剂可以通过前部挡板清洗和更换，带有紫外灯组合的玻璃管通过上部盖板的孔清洗、修理、或者更换。
Claims (4)
1.一种适用泡沫状或网状光催化剂降解有机污染物的反应器，其特征在于，用于降解污染水中的有机污染物，该反应器包括不透光的腔体（1），在腔体内设置有催化剂组合（14）和紫外灯组合（11），腔体（1）下端开有进口（4），上端开有出口（3），进口及出口均设有阀门（2），所述的腔体（1）的上盖板（6）和前部挡板（7）均可拆卸，分别通过O型圈与腔体密闭连接，在上盖板（6）上及催化剂组合（14）上均开有孔阵列（10），孔阵列（10）用于插入玻璃管（9），紫外灯组合（11）安装于玻璃管（9）内；待处理样品从进口进入反应器，在反应器内经降解净化从出口流出，可实现光催化净化连续进行或间歇式进行，所述的催化剂组合（14）由催化剂片（13）堆叠而成，所述的催化剂片为泡沫状催化剂或网状催化剂，所述的催化剂为采用阳极氧化法制备并退火晶化获得的表面生长有TiO2薄膜（12）的金属钛网或泡沫钛网。
2.根据权利要求1所述的适用泡沫状或网状光催化剂降解有机污染物的反应器，其特征在于，所述的玻璃管（9）通过O型圈与上盖板（6）上的孔密封。
3.根据权利要求1所述的适用泡沫状或网状光催化剂降解有机污染物的反应器，其特征在于，所述的TiO2薄膜（12）为颗粒膜、纳米棒阵列膜或纳米管阵列膜；所述的纳米棒/管阵列中的纳米棒/管为多晶体或单晶体。
4.根据权利要求1所述的适用泡沫状或网状光催化剂降解有机污染物的反应器，其特征在于，在腔体（1）上位于出口（3）对侧挡板上开有小孔（17），小孔（17）位置高于出口（3），在腔体内设置导气管（19），导气管（19）与小孔（17）连通用于向腔体内提供氧源。
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