CN1421396A - 一种光催化流化床净化有机污染物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采用光催化流化床反应器净化有机污染物特别是净化废水和废气的方法。半导体多相光催化分解的有机污染物是近年来污染治理新技术的热点，本发明采用光催化流化床反应器形式，克服光催化剂净化有机废水和废气时催化剂效率和光催化反应速率不高以及光催化剂分离回收困难，催化剂成本较高的缺点，该方法适用于化工厂农药厂、染料厂、排出的废水处理，尤其适用于水量较小的难降解有毒有机废水的处理，还可以处理工厂排出的废气，净化工厂车间空气。

Description

一种光催化流化床净化有机污染物的方法

本发明涉及采用光催化流化床反应器净化有机污染物特别是净化废水废气的方法。

有机污染已成为最普遍的环境污染问题之一。水体中有机污染物如：多环芳烃、有机农药等难于生物降解、难于化学氧化分解，具有生物累积性和“三致”作用，严重威胁生态系统的安全性，甚至威胁饮用水的安全性，污染食物链。在环境有害气体方面，室内有害气体如装饰材料等放出的甲醛以及生活环境中产生的甲硫醇等挥发性有机物与硫化氢、氨气等挥发性无机物，很少量即能使人产生不适感；大气污染气体有来自汽车尾气与工业废气的氮氧化物和硫氧化物以及一些工业生产中排放的有毒有害挥发性有机气体。目前所采用的诸如物理、化学、生物、电、磁等方法均无法经济有效地处理这些有机污染物。

半导体多相光催化分解有机污染物是近年来污染治理新技术的热点。在适宜的条件下，光催化能无选择性地将难以化学氧化分解的有机物彻底矿化为CO₂、水和无机酸，在难降解有毒有机污染治理中已显示其良好的应用前景。1983年，Ollis明确提出采用半导体光催化降解有机物作为水处理方法。从此，光催化废水处理的研究得到了迅猛发展。如中国发明专利1050532公开了光催化处理酚醛废水的方法，既为悬浮体系，将光催化剂分散于废水体系中，能够充分发挥催化剂的光催化活性，但催化剂粉末粒径太小，不易回收光催化剂；但是从经济与环保角度来考虑，光催化废水处理应用时光催化剂的有效回收十分重要。中国发明专利1102402公开了光催化剂的固定方法，它们将二氧化钛固定在无机矿物上。但在解决催化剂回收问题的同时，产生了另外一个问题：光催化效率大为降低。中国发明专利1245147公开了一个光催化废水处理系统，采用一个粘土回收器，操作不便，也没有同时解决上述两个问题。

在光催化空气净化方面，可以将光催化剂固定在建材、路面、瓷片、外墙、内墙等基体上，利用太阳光和室内照明光，通过光催化作用产生的强氧化分解作用，使吸附在其表面的污染物物分解，从而达到空气净化的目的。光催化在清洁空气方面的应用避免了光催化剂的回收难题。我国在光催化空气净化方面申报的发明专利与实用新型专利已有多项。美国宇宙航空技术股份有限公司申请的发明专利(96197457.5)光催化空气消毒提供了一个整幢大楼的空气净化方案，但结构复杂，难以在小空间应用。中国专利98216682.2提供了一种臭氧光催化空气净化器的设计方法，臭氧起强化光催化氧化的作用，但是臭氧也是一种空气污染物，当空气中臭氧浓度超过一定限度时，对人体产生强烈刺激，产生二次污染。并且，光催化在汽车尾气处理与工厂有机废气处理上的应用极少涉及。

本发明的目的是采用光催化流化床反应器形式，以克服以往光催化净化有机废水与有机废气时催化效率与光催化反应速率不高，以及光催化剂分离回收困难、催化剂成本较高的缺点；既保持了悬浮体系的较高催化速率，又解决了催化剂回收难的问题。

本发明所提供的光催化流行床净化方法包括废水处理方法与废气处理方法。光催化流化床废水处理方法提供一种能够对难降解有毒有机废水进行连续处理，能够高效地分解有机物，无需进行催化剂分离回收的方法。这种方法使得光催化处理有机废水，特别是生物难降解有毒有机废水，与化工废水、农药废水等(本发明统称为有机废水)的工业化应用变得可行、低运行费用、催化剂可多次重复使用。

本发明的光催化流化床废水处理方法包括净化过程和催化剂使用：

有机废水经过预处理，去掉固体悬浮物之后，进入光催化流化床反应器，光催化反应器中光催化剂的加入剂量为光催化流化床反应器中废水重量的0.1％-5.0％，较好为0.5％-2.0％；由一个充气装置向废水中鼓气，负载在载体上的光催化剂在气体的作用下处于流动状态，与光催化悬浆体系相似。光催化载体粒径较大，不会从反应器上端的出水口流失。光催化流化床反应器既可以由单个组成，也可以由多个串连起来。从光催化反应器流出的废水进入一个调节池，废水可以回流重新进行光催化处理，也可以进一步进行生物化学处理。

本发明净化废水所用的光催化剂是负载型半导体光催化剂，其特征是负载型半导体光催化剂能在压缩空气鼓泡下均匀分散并悬浮在水介质中，又能够通过重力沉降与水相良好分离。半导体光催化剂为二氧化钛、氧化锌、二氧化锡等，但由于二氧化钛廉价易得、无毒、具有化学与生物惰性，二氧化钛为优选半导体光催化剂。也可以是改性二氧化钛。光催化剂的载体可以是硅胶、氧化铝、分子筛、活性碳颗粒、聚苯乙烯球等，其颗粒直径可为0.1微米-200微米，但较好为5微米-50微米，载体的密度可为0.8克/立方厘米-2.0克/立方厘米，较好为1.0克/立方厘米-1.5克/立方厘米。用于废水处理的载体优选硅胶与聚苯乙烯球。负载型半导体光催化剂中光催化剂的重量百分比可为0.1％-50％，但较好为5％-15％。

光催化流化床反应器可以采用多个串连起来，提高光催化效率。光源可以是太阳光，也可以是人造光源。反应器中的负载型半导体光催化剂以颗粒状态悬浮在水介质中，通过空气鼓泡来实现有机物吸附在光催化剂的表面。空气既可以对光催化剂与废水进行搅拌，强化传质、散热，也可以提供氧气。

本发明的光催化流化床废水处理方法可用于化工厂、农药厂、染料厂等排出的废水的处理，也可以用于给水处理。优选用于水量较小的难降解有毒有机废水。

本发明的光催化流化床废气处理方法：提供一种能够进行连续处理挥发性有机废气(如挥发性有机酸、酚、醛等)、挥发性无机废气(如氨气、氮氧化物、硫氧化物)、臭味物质(如硫醇)，能够高效地分解有机气体，无需进行催化剂分离回收的方法。这种方法使得光催化处理工厂废气的工业化应用变得可行、低运行费用、催化剂可多次重复使用。

本发明的光催化流化床废气处理方法可以包括如下净化过程和催化剂使用：

有机废气经过过滤、电除尘预处理，去掉颗粒物质之后，有机废气进入光催化流化床反应器，微颗粒型光催化剂或负载在载体上的光催化剂在气体的作用下处于流动状态或振动状态。光催化流化床反应器既可以由单个组成，也可以由多个串连起来。

本发明净化废气所用的微颗粒型光催化剂是指粒径为0.5微米-10微米的二氧化钛、氧化锌、二氧化锡等半导体或复合半导体。优选粒径为2微米-5微米。负载型半导体光催化剂是指半导体光催化剂负载在载体上制成的催化剂材料。半导体光催化剂为二氧化钛、氧化锌、二氧化锡等，但由于二氧化钛廉价易得、无毒、具有化学与生物惰性，二氧化钛为优选半导体光催化剂。也可以是改性二氧化钛。光催化剂的载体可以是硅胶、氧化铝、分子筛、活性碳颗粒、聚苯乙烯球等，其颗粒直径可为0.1微米-2毫米，但较好为100微米-1.0毫米，载体的密度可为0.5克/立方厘米-2.0克/立方厘米，较好为0.8克/立方厘米-1.2克/立方厘米。用于废气处理的载体优选分子筛与活性碳颗粒。负载型半导体光催化剂中光催化剂的重量百分比可为0.1％-50％，但较好为10％-20％。光催化反应器中光催化剂的加入剂量为光催化流化床反应器中体积的50％-90％，较好为75％-80％；

本发明所指的光催化流化床反应器可以采用多个串连起来，提高光催化效率。光源为人造光源，处于反应器的中心。反应器中的光催化剂以颗粒状态振动或流动，当废气流经反应器时，污染物吸附在光催化剂的表面。

本发明的光催化流化床废气处理方法可用于工厂排出的废气的处理，也可以用于工厂车间空气的净化。

附图1光催化流化床废水净化方法示意图；附图2光催化流化床废气净化方法示意图；

1-预处理；                              1-过滤；

2-调节池；                              2-电除尘；

3-光催化流化床反应器I；                 3-光催化流化床反应器I；

4-光催化流化床反应器II；                4-光催化流化床反应器II；

5-光催化流化床反应器III；               5-光催化流化床反应器III；

                                        6-排空

实施例1(附图1说明)

有机废水经过预处理1，去掉固体悬浮物之后，依次进入3光催化流化床反应器I、进入4光催化流化床反应器II、进入5光催化流化床反应器III，光催化剂负载于粒径为50微米的聚苯乙烯球上，光催化剂的加入剂量为光催化流化床反应器中废水重量的1.5％；向废水中鼓气，负载型光催化剂在气体的作用下处于流动状态。废水经过光催化处理流入一个调节池2，部分废水回流重新进行光催化处理，其余部分进入达标排放。少量光催化剂沉淀在调节池底部，回收利用。

实施例2(附图2说明)

有机废气经过过滤1、电除尘预处理2，去掉颗粒物质之后，依次进入3光催化流化床反应器I、和4光催化流化床反应器II、5光催化流化床反应器III。光催化剂的载体活性碳颗粒，其颗粒直径为1.0毫米。光催化剂的重量百分比活性碳重量的20％。光催化反应器中光催化剂的加入剂量为光催化流化床反应器中体积的75％；光催化剂在气体的作用下处于流动状态或振动状态。流出光催化流化床反应器III的气体达标排空。

Claims (6)

1、一种光催化流化床净化有机污染物的方法，其特征在于采用光催化流化床反应器净化有机污染的废水或废气是连续进行处理，不需要进行催化剂分离回收，催化剂可重复使用，该方法包括净化废水和废气的方法：

(1)废水净化方法：包括净化过程和催化剂的使用：

A.有机废水经过预处理，进入光催化流化床反应器，设有一个向废水中鼓气的充气装置，从光催化反应器流出的废水进入调节池后，废水可重新进入光催化处理系统净化，或排放出水；

B.光催化反应器中光催化剂的加入剂量为光催化剂流化床反应器中废水重量的0.1％-5.0％，净化废水所用的催化剂是负载型半导体光催化剂，该催化剂为二氧化钛、氧化锌、二氧化锡、光催化剂的载体为硅胶、氧化铝、分子筛，活性碳颗粒或聚苯乙烯球，载体颗粒直径为0.1微米-200微米，密度为0.8克/立方厘米-2.0克/立方厘米，负载型半导休光催化剂中光催化剂的重量百分比为0.1％-50％，光催化剂的光源可为太阳光可人造光源；

(2)废气净化方法：包括净化过程和催化剂的使用：

A.有机废气经过滤、电除尘预处理后进入光催化流化床反应器，排出流化床的气体达标排空；

B.净化气体所用催化剂为微颗粒型光催化剂其粒径为0.5微米-10微米，由二氧化钛，氧化锌、二氧化锡半导体或复合半导体构成，催化剂载体为硅胶、氧化铝、分子筛，活性碳颗粒或聚苯乙烯球，其颗粒直径0.1微米-2微米，载体密度为0.5克/立方厘米-2.0克/立方厘米，光催化剂中光催化剂的重量百分比为0.1％-50％，光催化剂加入光催化反应器中的剂量为流化床反应器中体积的50％-90％。

2、根据权利要求1中所述的方法，其特征在于所述的光催化流化床反应器由单个或多个串联组成。

3、根据权利要求1中所述的方法，其特征在于所述的废水净化方法光催化反应器中光催化剂的加入剂量为催化流化床反应器中废水重量的0.5％-2.0％，负载型半导体催化剂为二氧化钛，或改性二氧化钛，该催化剂中光催化剂的重量百分比为5％-15％。

4、根据权利要求1中所述的方法，其特征在于所述的废水净化方法，光催化剂载体为硅胶或聚苯乙烯球，其颗粒直径5微米-50微米，载体密度为1.0克/立方厘米-1.5克/立方厘米。

5、根据权利要求1中所述的方法，其特征在于所述的废气净化方法，微颗粒型光催化剂为二氧化钛，或改性二氧化钛，其颗粒直径2微米-5微米，光催化剂中光催化剂的重量百分比为75％-80％，光催化剂光源为人造光源。

6、根据权利要求1中所述的方法，其特征在于所述的废气净化方法，光催化剂载体为分子筛或活性碳颗粒，其颗粒直径为100微米-1.0毫米，载体密度为0.8克/立方厘米-1.2克/立方厘米。