CN112390324A - 新型声光催化净水装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种新型声光催化净水装置及其工作方法，其特征在于：装置内设置有超声波源、光源、声光催化剂加入口和声光催化剂截留回收通道；所述反应池连接有进水通道、出水通道和排污管。其主体部分由声光催化反应器和二级错流过滤反应膜组成，（1）其中，声光催化反应器起到声光催化降解污染物的目的；（2）采用的超声场的超声换能器分为两组，为双频超声场，采用双频的目的在于使声波产生叠加现象，声波扩散过程中产生更大振幅的振动波，促进了空化气泡数量和种类的增加；（3）采用的膜过滤材质通过错流过滤减少浓差极化，增加膜运行时间，同时通过膜过滤截留催化剂，使催化剂保留在反应器中，避免催化剂的流失。
Description
技术领域
本发明属于水处理技术领域，尤其涉及一种新型声光催化净水装置及其工作方法，尤其适用于印染废水、医药废水、造纸废水等难降解有机废水的降解领域。
背景技术
当前，由于具有氧化活性高、无毒、经济效益高等优点，光催化技术在废水处理领域受到了越来越多的关注。然而，传统的光催化氧化技术，往往受到光照类型及强度的限制，在其应用于非透明的水体时，光源穿透深度仅为几毫米，这使得光源利用率大幅度降低，这些缺陷一定程度上限制了光催化氧化技术在实际水体中的应用。同样，基于空化作用产生的氧化活性物质（reactive oxygen species，ROS）机理实现有机污染物矿化分解的超声技术的使用也因自由基存在时间短暂、超声功率和强度以及降解污染物效率低下等不足难以被广泛推广。故单一的声降解工艺或是光催化工艺难以对实际废水进行有效处理。
发明内容
考虑到单一的声降解工艺或是光催化工艺难以对实际废水进行有效处理。为了解决这一问题本发明将二者进行有效耦合，采用了超声-光催联用形成声光催化技术。
考虑到该工艺的运行形式可以有负载式和悬浮式体系。在负载体系中，催化剂被负载在一定的载体上，如薄膜式、填充式等，优点是能有效解决催化剂流失问题及团聚问题，不影响光辐射深度，但部分活性位点被覆盖，导致催化剂数量、表面积及层间空隙下降，降低了催化反应效率，悬浮式体系可以克服这些不足，该体系是利用纳米或微米级催化剂颗粒物分散在液体中和污染物有充分的接触，其固液接触面积较高，反应传质阻力较小，故而反应效率高，但在液体中溶液发生团聚现象，且不易和液体分离。
为了既能维持催化剂较高的活性，又能充分回收利用催化剂，本发明将之与膜分离技术进行耦合，其反应体系不仅具有较高的固液接触面积，而且反应器中的纳微米级催化剂及未降解大分子可进一步被氧化，并实现装置的连续运行。
本发明提出的新型声光催化净水装置及其使用方法，具有高效节能，操作维修简便，经济效益高等特点，可适用于多种难降解废水的有效处理。
该装置通过声光催化技术对水中污染物进行处理。超声换能器装在反应池外壁可有效的降低水体发热，避免对催化剂催化活性的影响，也可避免水中具有氧化性物质的腐蚀。设有的第一、第二错流过滤器可以有效的拦截水中的催化剂，避免催化剂的外流。本装置在处理污水中有效的耦合了声光催化及膜分离过程。本装置能够有效处理有机废水，矿化大部分有机污染物质，净化水质，具有结构简单、能耗低、效率高、操作简单、维护方便等优点。
本发明具体采用以下技术方案：
一种新型声光催化净水装置，其特征在于：反应池上设置有超声波源、光源、声光催化剂加入口和声光催化剂截留回收通道；所述反应池连接有进水通道、出水通道和排污管。
优选地，所述声光催化剂加入口与进水通道复用。
优选地，所述超声波源由相连接超声波发生器和超声波换能器产生；所述超声波换能器有多个，在反应池外壁呈等间距分布。
优选地，所述超声波源为双频超声场，由两组超声波发生器和超声波换能器产生；产生第一频率超声场的超声波换能器与第二频率超声场的超声波换能器在反应池外壁呈正交分布。
优选地，所述光源由水密的石英护管内的一根或多根无极紫外灯产生；所述石英护管设置在反应池内。
优选地，所述声光催化剂截留回收通道由第一错流过滤器、第二错流过滤器和循环泵构成；所述第一错流过滤器和第二错流过滤器的滤膜为中空纤维膜或平板膜，材质为PVDF。
优选地，所述第一错流过滤器和第二错流过滤器的出流管上分别设有第一反冲洗装置和第二反冲洗装置。
优选地，所述反应池连接有沉淀池，用于反应残渣经过泥水分离后回收固体催化剂进行复用。
以及根据以上优选新型声光催化净水装置的工作方法之一，其特征在于：处理废水的过程为包括以下步骤：
步骤A1：向反应池内注入声光催化剂颗粒材料；所述声光催化剂为纳米固体声光催化剂；
步骤A2：开启超声波源和光源；
步骤A3：打开进水通道，使废水流入反应池内；废水中的难降解有机物在反应池内通过催化剂的声光催化作用下得到降解；
反应池的出水通过第一错流过滤器进行过滤，浓缩液通过循环泵进入第二错流过滤器进行进一步过滤，第二过滤器的浓缩液回流到反应池中，以进一步拦截废水中的有机物，同时使催化剂回流到反应池中。
以及根据以上优选新型声光催化净水装置的工作方法之二，其特征在于：反冲洗过程包括以下步骤：
步骤B1：关闭进水通道和出水通道，打开排污管，排空反应池池底的反应残渣；
步骤B2：打开第一反冲洗装置和第二反冲洗装置，进行反冲洗；反冲洗时间为10到15分钟；反冲洗的频率设置为1/9~1/12；所述反冲洗频率是指反冲洗时间与反应器处理废水的运行时间之比。
本发明及其优选方案的特点在于：
①在超声波的振动、空化和微射流作用之下，催化剂发生电子跃迁的途径增加，产生的氧化活性物质明显增加；
相较于现有技术，本发明及其优选方案具有以下优势：本发明的主体部分由声光催化反应器和二级错流过滤反应膜组成，（1）其中，声光催化反应器起到声光催化降解污染物的目的，超声的作用起到的不止是声化学作用，通过投加的声光催剂，还起到声催化作用；（2）采用的超声场的超声换能器分为两组，为双频超声场，采用双频的目的在于使声波产生叠加现象，声波扩散过程中产生更大振幅的振动波，促进了空化气泡数量和种类的增加，双频超声波照射可以产生更宽波长范围和更强的高能量光；（3）采用的膜过滤材质PDVF膜，通过错流过滤减少浓差极化，增加膜运行时间，同时通过膜过滤截留催化剂，使催化剂保留在反应器中，避免催化剂的流失。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例整体构造示意图；
图2为本发明实施例反应池俯视示意图；
图中：1-进水箱；2-进水泵；3-超声发生器；4-超声换能器；5-灯源；6-石英护管；7-第一错流过滤器；8-循环泵；9-第二错流过滤器；10-出水箱；11-沉淀池；12-反应池；13a-第一反冲洗装置；13b-第二反冲洗装置。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
如图1、图2所示，本实施例提供的新型声光催化净水装置为了实现声光催化功能，装置设有超声波发生器、超声换能器4以及光源，利用声场和光源实现有机物的催化降解。同时具有膜分离功能，设置有第一错流过滤器7和第二错流过滤器9，实现固体声光催化剂的截留，并重新返回到反应池12中，实现装置的连续运行。进一步地，反应池12还连接有沉淀池11，有利于沉淀收集反冲洗废水中的固体催化剂，便于催化剂的回收再利用。
如图1、图2所示，总体装置具体包括进水箱1、进水泵2、超声发生器3、超声换能器4、灯源5、石英护管7、第一错流过滤器7、循环泵8、第二错流过滤器9、出水箱10、沉淀池11、反应池12、第一反冲洗装置13a、第二反冲洗装置13b等结构。
其中装置容器为上部为长方体形，下部为四棱锥形，用于反冲洗废液和污泥的排放，其外壁设有超声换能器4，超声换能器4与超声发生器3相连；装置内设有一圆柱形石英管，其内部装有一只及以上的灯源5。灯源5采用无极紫外灯，安装在石英护管7中，数量在1根以上，可以根据声催化要求调整灯管数量。
在本实施例中，超声换能器4环绕分布在长方形反应池12外壁四面，共设四组，相隔一定距离，与水体隔绝，且保证在外壁均匀分布。换能器频率左、右侧设20~40 kHz的低频超声波换能器，前、后侧设80 ~ 100 kHz的高频超声波换能器，以保证反应池12中的超声场处于活跃状态，增加空化气泡成核数量。单个功率50~100 W。
本实施例的第一错流过滤器7和第二错流过滤器9的滤膜为中空纤维膜或平板膜，该过滤膜的材质为PVDF，孔径为0.01 μm ~ 0.1 μm。第一错流过滤器7和第二错流过滤器9的出流管上分别设有第一反冲洗装置13a和第二反冲洗装置13b，当膜的渗透通量明显降低时要及时进行反冲洗，将反冲洗的频率设置为1/9~1/12；反冲洗频率是指反冲洗时间与反应器处理废水的运行时间之比。
本实施例采用的声光催化剂为纳米固体声光催化剂，常用的试剂有TiO2、ZnO、GO-Ag2CO3等。根据处理不同的水质可以选用不同的催化剂，一般来说，TiO2的催化剂浓度为1g/L~4 g/L; ZnO的催化剂浓度为2 g/L~3 g/L；GO-Ag2CO3的催化剂浓度为0.5 g/L~2 g/L。采用的灯源5则根据催化剂的性质进行选择，本实施例在灯源5外设置一透明的石英护管7，护管上下端用密封圈封好，避免进水，并将石英护管7设置在反应池12内。
装置运行过程中，先通过进水泵2将催化剂投加至反应器中，然后待处理废水通过进水泵2从反应器底部进入，以保证催化剂和废水混合均匀；根据废水特性选用相对应的超声波和光源，在超声和光源的激发下，催化剂产生具有强氧化性的活性物质，以实现混合废水的高效处理。同时，超声空化产生的微射流和湍流避免催化剂团聚现象，增加催化剂可使用的活性位点，提高声催化活性。错流过滤器能够过滤截留催化剂，使得催化剂通过循环泵8流回到反应池12中。在超声场的作用下，微纳米级的催化剂颗粒物在溶液中能够保持较好的分散性，催化剂颗粒物对反应器壁的粘附作用也大为降低，同时超声空化作用产生的声致发光也有效的提升了催化剂的催化活性，增加了光生电子和光生空穴的产出率，可以有效的提高废水的降解效率；另外错流过滤的方式能有效减缓膜的浓差极化现象，并阻止颗粒物在膜表面的沉积及减缓颗粒物对膜孔的堵塞，使得膜的渗透性能可在长时间内保持稳定，达到延长膜元件运行周期的目的。
处理废水过程：首先通过进水泵2向反应池12内注入催化剂颗粒材料，然后开启灯源5和超声发生器3，接着打开进水管上的阀门，通过进水泵2的提升，使废水流入反应池12内。废水中的难降解有机物在反应池12内通过催化剂的声光催化作用下得到降解，反应池12的出水通过第一错流过滤器7进行过滤，浓缩液通过循环泵8进入第二错流过滤器9进行进一步过滤，第二过滤器的浓缩液回流到反应池12中，通过错流过滤器的作用可以进一步拦截废水中的有机物，同时可以使催化剂回流到反应池12中，避免流失。可以根据所选催化剂反应时间对应废水的水力停留时间来设置反应时的运行工况，以实现废水的连续运行。
反冲洗过程：当渗透量降低非常明显是，必须对过滤膜进行清洗与再生，以恢复膜元件的通透性能。先关闭进水阀门、出水阀门，打开排污管，先排空反应池12池底的反应残渣，之后打开第一、第二膜上的反冲洗装置，进行反冲洗；反冲洗时间为10到15分钟；反冲洗的频率设置为1/9~1/12；反冲洗频率是指反冲洗时间与反应器处理废水的运行时间之比。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的新型声光催化净水装置及其工作方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种新型声光催化净水装置，其特征在于：装置内反应池上设置有超声波源、光源、声光催化剂加入口和声光催化剂截留回收通道；所述反应池连接有进水通道、出水通道和排污管。
2.根据权利要求1所述的新型声光催化净水装置，其特征在于：所述声光催化剂加入口与进水通道复用。
3.根据权利要求1所述的新型声光催化净水装置，其特征在于：所述超声波源由相连接超声波发生器和超声波换能器产生；所述超声波换能器有多个，在反应池外壁呈等间距分布。
4.根据权利要求3所述的新型声光催化净水装置，其特征在于：所述超声波源为双频超声场，由两组超声波发生器和超声波换能器产生；产生第一频率超声场的超声波换能器与第二频率超声场的超声波换能器在反应池外壁呈正交分布。
5.根据权利要求1所述的新型声光催化净水装置，其特征在于：所述光源由水密的石英护管内的一根或多根无极紫外灯产生；所述石英护管设置在反应池内。
6.根据权利要求1所述的新型声光催化净水装置，其特征在于：所述声光催化剂截留回收通道由第一错流过滤器、第二错流过滤器和循环泵构成；所述第一错流过滤器和第二错流过滤器的滤膜为中空纤维膜或平板膜，材质为PVDF。
7.根据权利要求6所述的新型声光催化净水装置，其特征在于：所述第一错流过滤器和第二错流过滤器的出流管上分别设有第一反冲洗装置和第二反冲洗装置。
8.根据权利要求1所述的新型声光催化净水装置，其特征在于：所述反应池连接有沉淀池，用于反应残渣经过泥水分离后回收固体催化剂进行复用。
9.根据权利要求6或7所述的新型声光催化净水装置的工作方法，其特征在于：处理废水的过程为包括以下步骤：
步骤A1：向反应池内注入声光催化剂颗粒材料；所述声光催化剂为纳米固体声光催化剂；
步骤A2：开启超声波源和光源；
步骤A3：打开进水通道，使废水流入反应池内；废水中的难降解有机物在反应池内通过催化剂的声光催化作用下得到降解；
反应池的出水通过第一错流过滤器进行过滤，浓缩液通过循环泵进入第二错流过滤器进行进一步过滤，第二过滤器的浓缩液回流到反应池中，以进一步拦截废水中的有机物，同时使催化剂回流到反应池中。
10.根据权利要求7所述的新型声光催化净水装置的工作方法，其特征在于：反冲洗过程包括以下步骤：
步骤B1：关闭进水通道和出水通道，打开排污管，排空反应池池底的反应残渣；
步骤B2：打开第一反冲洗装置和第二反冲洗装置，进行反冲洗；反冲洗时间为10到15分钟；反冲洗的频率设置为1/9~1/12；所述反冲洗频率是指反冲洗时间与反应器处理废水的运行时间之比。
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