CN113233572A - 一种用于燃料乙醇生产废水的光催化环流反应方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于燃料乙醇生产废水的光催化环流反应方法，将分散良好的氧化性气体与燃料乙醇生产废水在紫外灯的照射和催化填料的催化下，于内导流筒和外环流管之间循环流动，进而可将废水中的有机物氧化，从而有效降低废水中COD含量。本发明方法简单、效果好，有效解决了燃料乙醇废水高COD的难题，可有效解决我国日益严重的环境污染问题，尤其是难降解有毒污水的治理难题，能耗和剂耗低，具有良好的应用前景。

Description

一种用于燃料乙醇生产废水的光催化环流反应方法与装置
技术领域
本发明属于有机废水处理的技术领域，具体是一种用于燃料乙醇生产废水的光催化环流反应方法与装置。
背景技术
乙醇俗称酒精，按照用途的不同，可分为食用乙醇、工业乙醇和燃料乙醇。其中，燃料乙醇作为一种清洁能源，是国际公认的可降低环境污染和取代石油燃料的新型能源。目前，全球已有数十个国家推行燃料乙醇，美国、巴西、中国分列全球前三。燃料乙醇是车用清洁燃料重要的发展方向。
但是，生物燃料乙醇生产过程采用糖化浓醪发酵，该过程会产生大量高浓度有机废水，COD含量非常高，目前该废水常采用“IC厌氧反应器+好氧+深度处理”工艺进行处理，处理工序复杂，过程控制较为严格。
近些年来，紫外光辅助氧化技术由于其自身的优点，用于处理环境污染物的研究已经越来越受到人们的重视，它作为一种新的环保处理技术，对处理高浓度，水量少难降解的特种有害有毒废水有着广泛的应用前景。
紫外光辅助高级氧化技术主要包括：紫外光辅助H2O2技术、紫外光辅助O3技术、UV/O3/ H2O2技术、紫外光辅助Fenton技术和紫外光下纳米Ti O2光催化技术。虽然光催化氧化近年来取得了很大的发展，由于光催化氧化技术设备结构简单，反应条件温和，操作条件容易控制，氧化能力强，无二次污染加之二氧化钛化学稳定性高，无毒价廉，故二氧化钛光催化氧化技术是一项具有广泛应用前景的新型水处理技术。但是目前光催化活性不够高，处理对象一般是实验室模拟的单一废水，离实际的大规模的废水处理，特别是以利用太阳能激发为主的光催化处理还有一段距离。因此，研制新型高效光催化剂及光催化反应器的设计是今后光催化研究的一个主要方向。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种用于燃料乙醇生产废水的光催化环流反应方法与装置，以弥补现有燃料乙醇生产废水工序复杂，及光催化活性不够高、光催化反应器的反应效率不够高等缺陷。
本发明提供的一种用于燃料乙醇生产废水的光催化环流反应方法, 包括下述步骤：
S1、将待处理的燃料乙醇生产废水泵入外环流管的底部；
S2、将氧化性气体经空气压缩机泵入外环流管的底部，调节氧化性气体的导入流率，进入外环流管的氧化性气体经精密气体分布器分散到燃料乙醇生产废水中；
S3、分散良好的氧化性气体与燃料乙醇生产废水自外环流管的底部进入内导流筒，与内导流筒内部的催化填料充分接触，同时被紫外灯照射，逐渐上升，在上升到一定高度时，氧化性气体与燃料乙醇生产废水自内导流筒的顶部进入外环流管的两侧部直至下降到外环流管的底部，如此混合后的氧化性气体与燃料乙醇生产废水在内导流筒与外环流管间循环流动；
S4、循环流动过程中，在紫外灯的照射和催化填料的催化下，氧化性气体将燃料乙醇生产废水中的有机物氧化成CO2和H2O；当水中的COD满足排放的标准，即可采出合格废水，未反应完全及反应后的气体采出至气体收集装置，经臭氧发生器继续氧化，供循环使用。
优选地，所述燃料乙醇生产废水的处理温度为30-90℃。
优选地，所述燃料乙醇生产废水的pH为3-10。
优选地，S2中，所述氧化性气体的导入流率经调节阀和转子流量计调节控制。
优选地，S3中，所述催化填料为CdS/TiO2复合催化剂。
本发明还公开了一种所述的用于燃料乙醇生产废水的光催化环流反应方法的反应装置,包括内导流筒和设于内导流筒外侧的外环流管，所述内导流筒与外环流管相连通；所述内导流筒的内部设有紫外灯和开窗导流式规整催化填料，所述内导流筒的顶部设有气体溢流口和合格废水溢流堰，所述气体溢流口连接气体收集装置；所述外环流管的底部设有废水导入口和气体导入口，所述气体导入口的外端通过转子流量计与调节阀连接空气压缩机，所述气体导入口的内端设有精密气体分布器。
优选地，所述紫外灯散发的特征波长为210-300nm，所述紫外灯的外部设有套管。
优选地，所述开窗导流式规整催化填料包括第一组件和第二组件；所述第一组件为开窗导流填料片，外侧包裹丝网，内侧填充CdS/TiO2复合催化剂；所述第二组件为规整填料片；所述第一组件与第二组件叠放并卷曲放置或交替排列垂直放置，采用箍紧片固定，形成光催化填料。
优选地，所述气体收集装置为气体储存袋。
优选地，所述精密气体分布器为多孔介质曝气头结构的气体分布器。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
1、本发明结构简单、操作条件容易控制、氧化能力强、无二次污染，优选的CdS/TiO2复合催化剂化学稳定性高、无毒、成本低、催化效果好，同时，外环流反应装置强化催化氧化反应，进一步保证了废水处理中COD的降低，处理效果显著，是一种具有广阔应用前景的水处理技术。
2、本发明将未反应完全的氧化剂和反应后的氧化剂加以收集处理，循环利用，具有节能环保，处理成本低等优点，非常适合于工业化推广应用。
3、本发明将开窗导流式规整催化填料应用于燃料乙醇生产废水的光催化环流反应装置，一方面保证了光催化剂的稳定性，另一方面也有效提高了有机废水的效率。
4、本发明提供了一项有机废水新装置与技术，应用外环流反应装置，强化光催化反应的进行，有效保证了有机废水的处理效率，可为后期有机废水装置与技术提供一种新思路。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种用于燃料乙醇生产废水的光催化环流反应装置的结构示意图。
图2为本发明实施例中第一组件与第二组件叠放并卷曲放置的俯视图。
图3为本发明实施例中第一组件与第二组件交替排列垂直放置的俯视图。
图4为图3的中心剖面示意图。
图中，1、紫外灯，2、内导流筒，3、外环流管，4、合格废水溢流堰，5、精密气体分布器，6、气体导入口，7、废水导入口，8、气体溢流口，9、开窗导流式规整催化填料，10、气体储存袋，11、转子流量计，12、调节阀，13、空气压缩机，14、第一组件，15、第二组件。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
参照图1-2，一种用于燃料乙醇生产废水的光催化环流反应装置，包括内导流筒2和设于内导流筒2外侧的外环流管3，外环流管3的顶部与底部分别与内导流筒2相连通。
内导流筒2的内部设有紫外灯1和开窗导流式规整催化填料9，紫外灯1散发的特征波长为300nm，紫外灯1的外部设有套管；开窗导流式规整催化填料9包括第一组件14和第二组件15，第一组件14为开窗导流填料片，外侧包裹丝网，内侧填充CdS/TiO2复合催化剂，第二组件15为规整填料片，第一组件14与第二组件15叠放并卷曲放置，采用箍紧片固定，形成光催化填料；内导流筒2的顶部设有气体溢流口8，气体溢流口8连接气体储存袋10，内导流筒2的侧部设有合格废水溢流堰4；外环流管3的底部设有废水导入口7和气体导入口6，气体导入口6的内端设有多孔介质曝气头结构的精密气体分布器5，气体导入口6的外端通过转子流量计11与调节阀12连接空气压缩机13。
实施方法为：将待处理的13.5L、COD=10000mg/L、pH值为4的干燥二次汽凝液废水由废水导入口7泵入外环流管3，O3经气体压缩机13泵入气体导入口6，后进入外环流管3，其中O3导入流率由调节阀12控制，调节O3导入流率为1.5m3/h，进入外环流管3的氧化性气体O3经精密气体分布器5分散到废水中；O3与二次汽凝液废水进入内导流筒2，与填充CdS/TiO2复合催化剂的开窗导流式规整催化填料9充分接触，逐渐上升，同时保证波长为265nm的紫外光直射内导流筒2内液体，在紫外灯的照射和TiO2催化剂的催化下，光催化反应20min，废水中COD去除率达99.1%，此时水中的COD达到88 mg/L，满足排放的标准，经处理的废水从合格废水溢流堰4采出；未反应完全及反应后的气体从气体溢流口8采出至气体储存袋10，经臭氧发生器继续氧化，供循环使用。
实施例2
参照图1-2，一种用于燃料乙醇生产废水的光催化环流反应装置，包括内导流筒2和设于内导流筒2外侧的外环流管3，外环流管3的顶部与底部分别与内导流筒2相连通。
内导流筒2的内部设有紫外灯1和开窗导流式规整催化填料9，紫外灯1散发的特征波长为210nm，紫外灯1的外部设有套管；开窗导流式规整催化填料9包括第一组件14和第二组件15，第一组件14为开窗导流填料片，外侧包裹丝网，内侧填充CdS/TiO2复合催化剂，第二组件15为规整填料片，第一组件14与第二组件15叠放并卷曲放置，采用箍紧片固定，形成光催化填料；内导流筒2的顶部设有气体溢流口8，气体溢流口8连接气体储存袋10，内导流筒2的侧部设有合格废水溢流堰4；外环流管3的底部设有废水导入口7和气体导入口6，气体导入口6的内端设有多孔介质曝气头结构的精密气体分布器5，气体导入口6的外端通过转子流量计11与调节阀12连接空气压缩机13。
实施方法为：将待处理的15L、0.2 mmol/L、 pH值为5的含磷废水由废水导入口7泵入外环流管3，O3经气体压缩机13泵入气体导入口6，后进入外环流管3，其中O3导入流率由调节阀12控制，调节O3导入流率为1.2m3/h，进入外环流管3的氧化性气体O3经精密气体分布器5分散到废水中；O3与含磷废水进入内导流筒2，与填充CdS/TiO2复合催化剂的开窗导流式规整催化填料9充分接触，逐渐上升，同时保证波长为272nm的紫外光直射内导流筒2内液体，在紫外灯的照射和TiO2催化剂的催化下，光催化反应65min，废水中磷去除率达98%，此时水中的COD达到1 mg/L，满足排放的标准，经处理的废水从合格废水溢流堰4采出；未反应完全及反应后的气体从气体溢流口8采出至气体储存袋10，经臭氧发生器继续氧化，供循环使用。
实施例3
参照图1、3、4，一种用于燃料乙醇生产废水的光催化环流反应装置，包括内导流筒2和设于内导流筒2外侧的外环流管3，外环流管3的顶部与底部分别与内导流筒2相连通。
内导流筒2的内部设有紫外灯1和开窗导流式规整催化填料9，紫外灯1散发的特征波长为250nm，紫外灯1的外部设有套管；开窗导流式规整催化填料9包括第一组件14和第二组件15，第一组件14为开窗导流填料片，外侧包裹丝网，内侧填充CdS/TiO2复合催化剂，第二组件15为规整填料片，第一组件14与第二组件15交替排列垂直放置，采用箍紧片固定，形成光催化填料；内导流筒2的顶部设有气体溢流口8，气体溢流口8连接气体储存袋10，内导流筒2的侧部设有合格废水溢流堰4；外环流管3的底部设有废水导入口7和气体导入口6，气体导入口6的内端设有多孔介质曝气头结构的精密气体分布器5，气体导入口6的外端通过转子流量计11与调节阀12连接空气压缩机13。
实施方法为：将待处理的20 L、COD=1450mg/L、pH值为3.0的调浆水罐采出废水由废水导入口7泵入外环流管3，O3经气体压缩机13泵入气体导入口6，后进入外环流管3，其中O3导入流率由调节阀12控制，调节O3导入流率为48.2m3/h，进入外环流管3的氧化性气体O3经精密气体分布器5分散到废水中；O3与调浆水罐采出废水进入内导流筒2，与填充CdS/TiO2复合催化剂的开窗导流式规整催化填料9充分接触，逐渐上升，同时保证波长为250nm的紫外光直射内导流筒2内液体，在紫外灯的照射和TiO2催化剂的催化下，光催化反应1h，废水中COD去除率达98.5%，此时水中的COD达到22 mg/L，满足排放的标准，经处理的废水从合格废水溢流堰4采出；未反应完全及反应后的气体从气体溢流口8采出至气体储存袋10，经臭氧发生器继续氧化，供循环使用。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于燃料乙醇生产废水的光催化环流反应方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1、将待处理的燃料乙醇生产废水泵入外环流管的底部；
S2、将氧化性气体经空气压缩机泵入外环流管的底部，调节氧化性气体的导入流率，进入外环流管的氧化性气体经精密气体分布器分散到燃料乙醇生产废水中；
S3、分散良好的氧化性气体与燃料乙醇生产废水自外环流管的底部进入内导流筒，与内导流筒内部的催化填料充分接触，同时被紫外灯照射，逐渐上升，在上升到一定高度时，氧化性气体与燃料乙醇生产废水自内导流筒的顶部进入外环流管的两侧部直至下降到外环流管的底部，如此混合后的氧化性气体与燃料乙醇生产废水在内导流筒与外环流管间循环流动；
S4、循环流动过程中，在紫外灯的照射和催化填料的催化下，氧化性气体将燃料乙醇生产废水中的有机物氧化成CO2和H2O；当水中的COD满足排放的标准，即可采出合格废水，未反应完全及反应后的气体采出至气体收集装置，经臭氧发生器继续氧化，供循环使用。
2.如权利要求1所述的光催化环流反应方法，其特征在于，所述燃料乙醇生产废水的处理温度为30-90℃。
3.如权利要求1所述的光催化环流反应方法，其特征在于，所述燃料乙醇生产废水的pH为3-10。
4.如权利要求1所述的光催化环流反应方法，其特征在于，S2中，所述氧化性气体的导入流率经调节阀和转子流量计调节控制。
5.如权利要求1所述的光催化环流反应方法，其特征在于，S3中，所述催化填料为CdS/TiO2复合催化剂。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述的用于燃料乙醇生产废水的光催化环流反应方法的反应装置,其特征在于，包括内导流筒和设于内导流筒外侧的外环流管，所述内导流筒与外环流管相连通；所述内导流筒的内部设有紫外灯和开窗导流式规整催化填料，所述内导流筒的顶部设有气体溢流口和合格废水溢流堰，所述气体溢流口连接气体收集装置；所述外环流管的底部设有废水导入口和气体导入口，所述气体导入口的外端通过转子流量计与调节阀连接空气压缩机，所述气体导入口的内端设有精密气体分布器。
7.如权利要求6所述的反应装置，其特征在于，所述紫外灯散发的特征波长为210-300nm，所述紫外灯的外部设有套管。
8.如权利要求6所述的反应装置，其特征在于，所述开窗导流式规整催化填料包括第一组件和第二组件；所述第一组件为开窗导流填料片，外侧包裹丝网，内侧填充CdS/TiO2复合催化剂；所述第二组件为规整填料片；所述第一组件与第二组件叠放并卷曲放置或交替排列垂直放置，采用箍紧片固定，形成光催化填料。
9.如权利要求6所述的反应装置，其特征在于，所述气体收集装置为气体储存袋。
10.如权利要求6所述的反应装置，其特征在于，所述精密气体分布器为多孔介质曝气头结构的气体分布器。
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