CN110104756A - 一种光催化污水降解反应装置 - Google Patents
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Abstract
一种光催化污水降解反应装置，包括光催化反应器；光催化反应器包括光热催化装置与光伏光热组件；光热催化装置设置在光伏光热组件上，光热催化装置的一端设置有第一入口，另一端设置有第一出口，光伏光热组件的一端设置有第二入口，另一端设置有第二出口；第一出口与换热装置的第一入口相连，换热装置的第一出口经光催化水箱与光催化反应器的第一入口相连；光催化反应器的第二出口与换热装置的第二入口相连，换热装置的第二出口经光伏光热系统水箱与光催化反应器的第二入口相连。本发明利用太阳光的不同波段以及利用太阳光中的紫外和部分可见光部分激发光催化剂，通过光热协同效应和电催化效应，大幅提高光催化反应的效率。
Description
技术领域
本发明属于光催化技术领域，涉及一种光催化污水降解反应装置。
背景技术
随着经济的发展，对于水体中存在的染料，农药，石油等有毒有害的难降解物质的处理的研究逐渐引起人们的重视。但现存的技术还没有高效可行的处理难以生化降解的污染物的方法。使用太阳光和光催化剂对含有难降解有机物的污水进行降解处理，是一种新型、可行价格低廉的方法。
光催化剂能够在光下收到激发，在水中产生强氧化基团，如·OH,·O- 2等，从而通过氧化反应分解难以自然降解的有机物。现阶段，对于光催化领域的研究主要集中在对于反应过程机理和新型催化剂开发的研究上，对于光催化反应器相关的研究较少。但是，要实现光催化技术的在实际生产中的大规模应用，合适的光催化反应器不可或缺。
太阳能是理想的清洁能源，但是能量分散，密度低，不够稳定。使用太阳能聚光器能够提高光密度，能够实现太阳能的高效利用。对于光催化剂的光催化降解性能与入射的光强相关，使用聚光器能够提高降解反应速率。同时，可以利用太阳光中现行催化剂不能响应的长波波段，用以提高被处理污水的温度。研究表明，在光和热同时存在的情况下，能够显著提高光催化反应的速率。因此，使用聚光器能够提高降解效率。
高效合理的光催化反应器是太阳光光催化污水处理在实际中推广的重要保证。光反应器中催化剂常见的分布方式主要有悬浮式和固定式两种。在悬浮式光催化反应器中，将催化剂与污水直接混合，构成悬浊液分布在光反应器中，催化剂接触面积大，操作简单。但是存在催化剂容易团聚沉积，反应后催化剂回收处理困难，成本高等问题，在实际应用中很难推广。在固定式光催化反应器中，将催化剂固定在载体表面，解决了催化剂回收的问题，但是催化剂与污水的有效接触面积变小，降低催化效率。对于将催化剂固定在玻璃珠、石英砂等颗粒状载体上的反应器，外层载体会影响内层催化剂对于太阳辐射的接收，涂在载体表面的催化剂膜也可能在碰撞中脱落。
光催化降解中，吸收波段主要是紫外和少量的可见光波段，其余波段的太阳光无法被利用。所以有必要提供一种新的聚光光催化反应器。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单易行的光催化污水降解反应装置。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种光催化污水降解反应装置，包括光催化反应器、换热装置、光催化水箱以及光伏光热系统水箱；光催化反应器包括光热催化装置与光伏光热组件；光热催化装置设置在光伏光热组件上，光热催化装置的一端设置有第一入口，另一端设置有第一出口，光伏光热组件的一端设置有第二入口，另一端设置有第二出口；第一出口与换热装置的第一入口相连，换热装置的第一出口与光催化水箱入口相连通，光催化水箱出口与光催化反应器的第一入口相连；光催化反应器的第二出口与换热装置的第二入口相连，换热装置的第二出口与光伏光热系统水箱入口相连，光伏光热系统水箱出口与光催化反应器的第二入口相连。
本发明进一步的改进在于，光热催化装置包括中板，中板上表面开设有反应通道，反应通道底部铺洒一层催化剂，反应通道一端开设有第一出口，另一端开设有第一入口；反应通道上设置有上盖板。
本发明进一步的改进在于，反应通道底面第一出口处设置有若干沟槽，若干沟槽沿反应通道宽度方向设置并且等间距分布。
本发明进一步的改进在于，反应通道内部第一入口处设置有流体分布器。
本发明进一步的改进在于，流体分布器为孔隙密度为75ppi的泡沫镍。
本发明进一步的改进在于，光伏光热组件包括第一铂电极、第二铂电极和底板，底板上开设有换热通道，换热通道一端开设有第二入口，另一端开设有第二出口；换热通道上方设置有晶体硅电池板；第一铂电极设置在反应通道内一端，第二铂电极设置在反应通道内另一端；晶体硅电池板一端与通过电流引出导线与第一铂电极相连，另一端通过电流引出导线与第二铂电极相连。
本发明进一步的改进在于，光催化反应器正上方设置有聚光器。
本发明进一步的改进在于，聚光器采用复合抛物面聚光器；换热装置采用夹套换热器。
本发明进一步的改进在于，光催化水箱出口经第二水泵与光催化反应器的第一入口相连，光催化反应器的第二出口经阀门与换热装置的第二入口相连，光伏光热系统水箱出口经第一水泵与光催化反应器的第二入口相连。
本发明进一步的改进在于，光催化水箱中设置有温度测量仪，控制器与阀门相连，温度测量仪与控制器相连，控制器与阀门相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要在于：
本发明通过设置光热催化装置与光伏光热组件，同时利用太阳光的不同波段以及利用太阳光中的紫外和部分可见光部分激发光催化剂，利用可见光波段激发晶体硅电池板，利用红外波段提高系统温度。通过光热协同效应和电催化效应，大幅提高光催化反应的效率。本发明的光光催化污水降解反应装置结构简单，成本低廉，适用于太阳光源，还可以根据实际需要调整尺寸。实际应用中，可以将本反应器作为基本单元，经过串并联组合构成阵列，可以适用于不同的污水处理需求。
进一步的，在进口处布置了流体分布器改善平面流动分布，出口处设置沟槽，让催化剂能够分布在反应器底部，不随流体流动，能够避免对催化剂进行分离。
进一步的，本发明中通过设置光催化水箱出口经第二水泵与光催化反应器的第一入口相连，光催化反应器的第二出口经阀门与换热装置的第二入口相连，光伏光热系统水箱出口经第一水泵与光催化反应器的第二入口相连，通过调整阀门的开度，保证反应通道内一直保持在70-90℃范围内，处于光热协同效果明显的区域。
附图说明
图1为本发明所述的光催化污水降解反应装置的结构示意图；
图2为本发明所述的光催化污水降解反应装置立体分解结构示意图。
其中，1为聚光器，2为光催化反应器，3为换热装置，4为光伏光热系统水箱，5为第一水泵，6为光催化水箱，7为温度测量仪，8为第二水泵，201为上盖板，202为反应通道，203为流体分布器，204为第一铂电极，205为催化剂，206为电流引出导线，207为换热通道，208为晶体硅电池板，209为第二铂电极，210为沟槽，211为中板。
具体实施方式
下面参照附图和并结合实施例对本发明作进一步详细描述，但是本发明不限于给出的例子。
如图1所示，本发明的太阳光光催化污水降解反应装置包括聚光器1、光催化反应器2、换热装置3以及温度测量仪7。聚光器1设置在光催化反应器2正上方，光催化反应器2包括光热催化装置与光伏光热组件。光热催化装置设置在光伏光热组件上，光热催化装置的一端设置有第一入口，另一端设置有第一出口，光伏光热组件的一端设置有第二入口，另一端设置有第二出口，第一出口与换热装置3的第一入口相连，换热装置3的第一出口与光催化水箱6入口相连通，光催化水箱6出口经第二水泵8与光催化反应器2的第一入口相连。光催化反应器2的第二出口经阀门9与换热装置3的第二入口相连，换热装置3的第二出口与光伏光热系统水箱4入口相连，光伏光热系统水箱4出口经第一水泵5与光催化反应器2的第二入口相连。
聚光器1采用消除多次反射的复合抛物面聚光器。换热装置3采用夹套换热器。
光催化水箱6中设置有温度测量仪7，温度测量仪7用于检测光催化水箱6中水的温度，温度测量仪7与控制器相连，控制器与阀门9相连，当温度测量仪7检测到光催化水箱6中温度低于60℃时，通过控制器减小阀门9的开度，提高光热催化装置的第一出口流出的污水(或污染液)的温度，通过夹套换热器提高光催化水箱6内水的温度。
可见，本发明中通过换热器分别接在光催化管道与光热管道中，利用光热组件保持光催化系统所需的温度。温控元件与阀门控制器相连，当检测到污染液的温度偏离设定反应温度时，调整光伏光热单元管路的阀门开闭，以提升光热管道的温度，从而保持污染液温度的稳定。
待降解的污水从光催化水箱6流出，经过第二水泵8，进入光催化反应器2的第一入口，流出光催化反应器2后进入换热装置3，与光热催化装置中的水换热后回到光催化水箱6，循环流动。而光伏光热管路中，水从光伏光热系统水箱4中流出，经过第一水泵5，进入光催化反应器2的第二入口，流出光催化反应器2后，经过阀门9，进入换热装置3，最终回到光伏光热系统水箱4，循环流动。优选的，换热装置3为间壁式换热器。
如图2所示，本发明的光催化反应器2包括上盖板201、光热催化装置和光伏光热组件，上盖板201设置在光热催化装置上，光热催化装置设置在光伏光热组件上。
具体的，光热催化装置包括中板211，中板211上表面开设有反应通道202，反应通道202为一个高透有机玻璃制作的矩形流道，上盖板201设置在反应通道202上，反应通道202底部均匀铺洒一层催化剂205，反应通道202一端开设有第一出口，另一端开设有第一入口，第一入口与第一出口交错设置略高于底面。具体的，第一入口与第一出口最低点高于底面1.5mm。水通过第一入口进入反应通道202中，经第一出口流出。在反应通道202内部第一入口处设置有流体分布器203，流体分布器203为一段孔隙密度为75ppi的商用泡沫镍，用于对进入反应通道202的水进行均匀分布，在反应通道202底面靠近第一出口处设置有若干沟槽210，若干沟槽210等间距分布，并且若干沟槽210垂直于反应通道202内水的流动方向。催化剂205均匀的铺洒在流体分布器和沟槽之间的底面上。当反应通道202中的水流动时，水流带起的催化剂，催化剂在第一出口处沉淀在沟槽210内，沟槽210可防止催化剂被水流带出反应通道202。
阳光通过聚光器1，然后经过高透光的上盖板201进入到反应通道202中。
光伏光热组件包括第一铂电极204、第二铂电极209和底板，底板上开设有换热通道207，换热通道207一端开设有第二入口，另一端开设有第二出口；换热通道207上方设置有晶体硅电池板208；第一铂电极204设置在反应通道202内一端，第二铂电极209设置在反应通道202内另一端。
晶体硅电池板208一端与通过电流引出导线206与第一铂电极204相连，另一端通过电流引出导线206与第二铂电极209相连。
第一铂电极204和第二铂电极209均为商用电极。第一铂电极204和第二铂电极209之间形成电场，从而促进光催化反应的进行。
本发明中催化剂没有通过其他介质固定在壁面上，便于实际使用中催化剂的更换维护，还能够保证足够的催化剂量和足够的与污染物接触的表面。
参见图2，反应通道202上第一入口处的流体分布器203采用硅胶固定在第一入口处，在距离第一出口处100mm的范围内设置若干沟槽210，相邻沟槽210的间距为10mm，沟槽的高度为1mm，在反应通道202中间布置700*155mm的催化剂，即催化剂的长度为700mm，宽度为155mm。上盖板201与中板211采用螺钉固定连接。中板211的正下方是光伏光热组件。光伏光热组件中，将晶体硅电池板208安装层压在铝制方管上，晶体硅电池板208的两端采用电流引出导线206引出光生电流，电流引出导线206穿过反应通道202的底面分别导入到放置在催化剂205两端的第一铂电极204与第二铂电极209上，电流引出导线206与反应通道202底面间采用防水胶密封。
上盖板201采用8mm厚的透明亚克力平板。反应通道202的尺寸为1000*155*6mm。第一入口和第一出口均包括6个均匀分布的直径为4mm的孔，即第一入口包括开设在反应通道202一端的6个孔，若是开设一个孔，水流较小，通过开设6个孔，6个孔均与一个管道相连通，管道与换热装置3的第一入口相连，这样可以使管道水流中更大。流体分布器203紧贴第一入口，材质是尺寸为6*155*6mm的泡沫镍。在反应通道202底面中段均匀铺洒催化剂205，本发明中采用的催化剂为N-TiO2(Yang G.,Jiang Z.,Shi H.,Xiao T.,Yan Z..Preparationof highly visible-light active N-doped TiO2photocatalst[J].Journal ofMaterials Chemistry,2010,201:5301–5309.)。
实施例1
将本发明的光催化污水降解反应装置置于太阳光下，用12g N-TiO2铺洒在0.93L容积的反应器中，处理6L的10mg/L的甲基橙溶液，使用1L/min的速度循环流动。60℃下反应，1小时后，降解量为59.0％，相较于同条件的常温反应提升了23％的降解量。
可见光是光伏电池主要利用的波段，可以在降解反应器下加设光伏电池。将光伏电池产生的电，通过电极接入降解反应器中，利用电场加速光催化降解反应中电子空穴分离，提高降解效率。同时，在光伏电池板下组合一个换热流道，既可以带走光伏电池发电时产生的热，这部分的热又可以通过换热器提高待降解的污水温度。本发明具有以下优点：
1.同时利用太阳光的不同波段，利用太阳光中的紫外和部分可见光部分激发光催化剂，利用可见光波段激发晶体硅光伏电池，利用红外波段提高系统温度。通过光热协同效应和电催化效应，大幅提高光催化反应的效率。
2.第一入口与第一出口是一系列均匀分布的孔洞，并在第一入口处布置了流体分布器，改善平面流动分布，第一出口处设置沟槽，让催化剂能够分布在反应器底部，不随流体流动，能够避免对催化剂进行分离。
3.催化剂没有通过其他介质固定在壁面上，便于实际使用中催化剂的更换维护，还能够保证足够的催化剂量和足够的与污染物接触的表面。
4.温度控制系统包括间壁式换热器、温控元件(温度测量仪)以及阀门控制器。换热器分别接在光催化管道与光热管道中，利用光热组件保持光催化系统所需的温度。温控元件与阀门控制器相连，当检测到污染液的温度偏离设定反应温度时，调整光伏光热单元管路的阀门开闭以提升光热管道的温度，从而保持污染液温度的稳定。温度控制系统保证反应通道内一直保持在60-80℃范围内，处于光热协同效果明显的区域。
5.本光反应器结构简单，成本低廉，适用于太阳光源，还可以根据实际需要调整尺寸。实际应用中，可以将本反应器作为基本单元，经过串并联组合构成阵列，可以适用于不同的污水处理需求。
本发明的装置能够通过光催化剂、光电和光热分别利用太阳光的不同波段，提高光催化降解过程的效率。
Claims (10)
1.一种光催化污水降解反应装置，其特征在于，包括光催化反应器(2)、换热装置(3)、光催化水箱(6)以及光伏光热系统水箱(4)；光催化反应器(2)包括光热催化装置与光伏光热组件；光热催化装置设置在光伏光热组件上，光热催化装置的一端设置有第一入口，另一端设置有第一出口，光伏光热组件的一端设置有第二入口，另一端设置有第二出口；第一出口与换热装置(3)的第一入口相连，换热装置(3)的第一出口与光催化水箱(6)入口相连通，光催化水箱(6)出口与光催化反应器(2)的第一入口相连；光催化反应器(2)的第二出口与换热装置(3)的第二入口相连，换热装置(3)的第二出口与光伏光热系统水箱(4)入口相连，光伏光热系统水箱(4)出口与光催化反应器(2)的第二入口相连。
2.根据权利要求1所述的一种光催化污水降解反应装置，其特征在于，光热催化装置包括中板(211)，中板(211)上表面开设有反应通道(202)，反应通道(202)底部铺洒一层催化剂(205)，反应通道(202)一端开设有第一出口，另一端开设有第一入口；反应通道(202)上设置有上盖板(201)。
3.根据权利要求2所述的一种光催化污水降解反应装置，其特征在于，反应通道(202)底面第一出口处设置有若干沟槽(210)，若干沟槽(210)沿反应通道(202)宽度方向设置并且等间距分布。
4.根据权利要求2所述的一种光催化污水降解反应装置，其特征在于，反应通道(202)内部第一入口处设置有流体分布器(203)。
5.根据权利要求4所述的一种光催化污水降解反应装置，其特征在于，流体分布器(203)为孔隙密度为75ppi的泡沫镍。
6.根据权利要求2所述的一种光催化污水降解反应装置，其特征在于，光伏光热组件包括第一铂电极(204)、第二铂电极(209)和底板，底板上开设有换热通道(207)，换热通道(207)一端开设有第二入口，另一端开设有第二出口；换热通道(207)上方设置有晶体硅电池板(208)；第一铂电极(204)设置在反应通道(202)内一端，第二铂电极(209)设置在反应通道(202)内另一端；晶体硅电池板(208)一端与通过电流引出导线(206)与第一铂电极(204)相连，另一端通过电流引出导线(206)与第二铂电极(209)相连。
7.根据权利要求1所述的一种光催化污水降解反应装置，其特征在于，光催化反应器(2)正上方设置有聚光器(1)。
8.根据权利要求7所述的一种光催化污水降解反应装置，其特征在于，聚光器(1)采用复合抛物面聚光器；换热装置(3)采用夹套换热器。
9.根据权利要求1所述的一种光催化污水降解反应装置，其特征在于，光催化水箱(6)出口经第二水泵(8)与光催化反应器(2)的第一入口相连，光催化反应器(2)的第二出口经阀门(9)与换热装置(3)的第二入口相连，光伏光热系统水箱(4)出口经第一水泵(5)与光催化反应器(2)的第二入口相连。
10.根据权利要求9所述的一种光催化污水降解反应装置，其特征在于，光催化水箱(6)中设置有温度测量仪(7)，控制器与阀门(9)相连，温度测量仪(7)与控制器相连，控制器与阀门(9)相连。
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