CN1864843A - 迷宫式错流鼓泡光催化反应装置及其有机废水处理方法 - Google Patents

Abstract

迷宫式错流鼓泡光催化反应装置及其有机废水处理方法，其特点是在反应器中垂直设置有平行折流板形成液相迷宫式通道，含氧气体由反应器底部进入通过分布板向上鼓入反应区，有机废水由分布板上方反应器侧面进液管流入，沿折流板间隙在迷宫式反应区内流动并与上升气泡呈错流接触，颗粒光催化剂悬浮分散于气液混合相中。在反应器上方外部平行紫外光源照射下气液固三相进行光催化反应，有机物被催化降解，反应器出水经外部固液分离器分离，在泵作用下循环连续进行光催化反应。本发明结构简单、操作方便、液体停留时间长而液固相能够充分接触，传质效率和光催化反应效率高，反应器设计放大不受光源限制，易于实现工业应用。

Description

迷宫式错流鼓泡光催化反应装置及其有机废水处理方法

技术领域

本发明涉及一种高效光催化反应装置及其有机废水处理方法，尤其是利用迷宫式错流鼓泡光催化反应装置及其有机废水处理方法

技术背景

光催化氧化技术是利用紫外光或近紫外光激活半导体(通常使用TiO₂)价带上的光生空穴，在水中产生氧化能力极强的氢氧自由基，使水中难于降解的有机污染物完全矿化，降解过程可在常温常压下进行且作用物几乎无选择性，加之该法毋须添加化学试剂，无二次污染，故成为当前水净化技术在国内外的研究前沿和开发热点。

反应器、光源和光催化剂是实现光催化过程的三要素。粉末悬浮态半导体光催化剂存在分离与回收困难，因此固定化光催化反应体系越来越受到重视，制备高活性和高稳定性催化剂和开发传质效率高和分离能力好的新型光反应器是光催化技术实用化的关键。与一般反应器相比，光催化反应器的设计除了要考虑混合和传质过程、反应物和催化剂的接触、流体的流动状况、反应动力学、催化剂的安装及温度的控制等问题外，还必须考虑光源的配置，光辐射、光照的均匀性、高透性以及光利用率等。目前研究人员普遍采用内置光源的环形流化床反应器来实现这一目的，但这类反应器需设置内部冷却系统散热，在设计放大时必须考虑光源(紫外灯)和冷却系统的组合，结构复杂且减小了反应器的有效容积，光能需穿越多层冷却套才能到达催化剂表面，光效率仍未得到最大发挥，见专利公开号为CN1261056；此外也有将光催化剂固定在反应器底部利用外部光源的平板形反应器，但这种反应器存在废水处理量小、光能利用率低、反应器效率不高和催化剂难以回收再生等问题，见专利公开号为CN1431155和CN1508073。

发明内容

本发明的目的是提供一种迷宫式错流鼓泡光催化反应装置，其特点是结构简单、操作方便、可利用外部平行辐射光源、光催化反应效率高且催化剂易回收再用，废水处理能力和降解深度可调控，既可间歇操作又可连续运行。本发明的另一目的是提供利用这种迷宫式错流鼓泡光催化反应装置连续降解含有机污染物废水的水处理方法。

本发明迷宫式错流鼓泡光催化反应装置包括光催化反应器主体、外部固液分离器和循环系统，其结构特征在反应器内：下部设置有气体分布板，在其上垂直设置有平行折流板构成液相迷宫式通道；底部设置有反应器进气口；气体分布板上方的反应器侧壁设置有反应器进液口和反应器溢流口；在反应器的上方设置有平行光源。

上述所述的反应器的横截面是圆形横截面或者矩形横截面；所述的平行折流板是三块或三块以上的平行折流板；所述的气体分布板是双层多孔布气板或烧结板，其孔径＜0.5mm，开孔率为0.5％～5.0％；所述的平行光源是紫外光或者近紫外光；所述的固液分离器是圆锥形结构，其上部设有分离器进料口和分离器出水口，底部设有分离器排料口，其分离器进料口与反应器溢流口连通。

本发明用于迷宫式错流鼓泡光催化反应装置处理有机废水的方法，该方法是将粒径为0.3mm～0.8mm的颗粒光催化剂加入反应器中，待处理有机废水从反应器进液口通入迷宫式反应区内，同时从反应器进气口通入含氧气体并通过气体分布板向上鼓入反应区；沿折流板间隙流动的液体与上升气泡呈错流接触，颗粒光催化剂悬浮分散于气液混合相中，在平行紫外光光源照射下进行光催化反应，有机物被催化降解，出水经固液分离器、循环水槽达标可直接排放或经循环计量水泵循环返回反应器中。

其中：经固液分离器分离的颗粒光催化剂从其底部的分离器排料口利用密度差自动进入反应器的进水管线中，与通过循环计量水泵的有机废水一起循环到反应器中再循环；其中经固液分离器分离的颗粒光催化剂从其底部的分离器排料口排出进行催化剂的再生；其中调节反应器的进水流速实现颗粒光催化剂在反应器中的停留时间和出水中催化剂的带出量。

本发明通过实施上述技术方案的优点与积极效果在于：反应器底部通入含氧气体的作用一方面是向体系提供光催化反应所需的氧气；另一方面是提供能量使颗粒光催化剂悬浮分散于反应器物料中，气相、液相和固相三相呈流化状态充分接触；同时气泡的存在可提供较高空隙率便于反应器上方入射光深入反应器内与颗粒光催化剂充分、均匀接触，因而整个反应体系有较高的光催化反应效率。

本发明的创新之处在于光催化反应器中有机废水在迷宫式通道中以平推流方式流动，增加了液相在反应器中的停留时间；有机废水与上升气泡呈错流流动，气相、液相和固相三相充分混合兼有流态化反应的优点；反应器中颗粒光催化剂的停留时间和带出量可通过调节进水流量来得到控制，从而可控制催化剂的再生速度；通过增加迷宫式通道的数量和长度可提高有机废水的处理能力和降解深度。

本发明的光催化反应装置可利用太阳能等平行光源，无须冷却系统，光能可直接进入三相混合液中与光催化剂接触，提高了光的有效利用率。

本发明采用的颗粒光催化剂粒径在0.3mm～0.8mm，分布板孔径小于0.5mm。如颗粒粒径小于0.5mm，气体分布板可采用中间夹有100目尼龙网或金属丝网的双层布气板或多孔烧结板。

本发明所说的颗粒光催化剂可直接采用半导体金属氧化物(通常为TiO₂)颗粒，也可采用负载型催化剂颗粒，常用的载体有活性炭、硅胶、石英砂及分子筛等颗粒，可采用溶胶-凝胶法或粉末附着法等方法使半导体金属氧化物在载体的表面成膜，制成负载型催化剂。

本发明中反应器的尺寸应根据物料处理量设计，以确保反应器内气、液、固三相良好的混合和分离。

综上所述，本发明通过实施上述技术方案的优点与创新之处在于：(1)迷宫式错流鼓泡光催化反应装置结构简单，操作方便，无须设置内部冷却系统；(2)可利用外部平行辐射光源，光能利用率高；(3)有机废水在反应器中以平推流方式流动，液相停留时间长，废水处理能力和降解深度可调控；(4)气、液两相错流流动，气相、液相和固相三相呈流化状态，光催化反应效率高；(5)反应器出水中的光催化剂经外部固液分离器分离可循环利用，也可回收再生；(6)通过进水流量可调节颗粒光催化剂在反应器中的停留时间；(7)光催化反应系统可间隙操作，也可连续运行；(8)反应器可单独设计放大，易于实现工业应用。

附图说明

图1是本发明迷宫式错流鼓泡光催化反应装置及其废水处理方法流程图

图2是本发明光催化反应器矩形主体迷宫式通道俯视结构示意图

图3是本发明光催化反应器圆形主体迷宫式通道俯视结构示意图

图中：1：反应器  2：气体分布板  3：平行折流板  4：反应器进液口  5：反应器溢流口  6：反应器进气口  7：固液分离器  8：分离器进料口  9：分离器出水口  10：分离器排料口  11：循环水槽  12：平行光源  13：循环计量水泵  14：气泵  15：气体流量计  16、17、18、19、20：阀门

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步说明

实施例一

本发明装置主要由迷宫式错流鼓泡光催化反应器1主体、外部固液分离器7、循环系统和反应器1上方平行光源12构成。

本发明的反应器1主体横截面为圆形或矩形，反应器1内安装多孔气体分布板2，分布板2下方为气体预分布段，上方为反应区。在反应器1内部分布板2上方垂直布置多块平行折流板3形成液相迷宫式通道。平行折流板3呈矩形，下端固定在平行分布板2上，平行折流板2侧面一端与反应器1壁面联结固定，另一端与反应器1壁面保持一定距离形成液相通道，相邻两块平行折流板2交错布置。反应器进液口4和反应器溢流口5设置在平行分布板2上方反应器1的侧壁，且反应器溢流口5垂直位置低于平行折流板2的高度；反应器进气口6在平行分布板2下方反应器1的底部。反应器1内平行分布板2为孔径＜0.5mm，开孔率为0.5％～5.0％左右双层多孔布气板或烧结板，其作用是一方面使气体在反应区内均匀分布产生微小上升气泡流，另一方面是防止光催化剂颗粒漏入气体预分布段。外部固液分离器7为圆锥形结构，上部设有分离器进料口8和分离器出水口9，底部设有固体颗粒分离器排料口10，其中分离器进料口8与反应器出水口9连通，固体颗粒分离器排料口10可以与反应器进液口4连通，也可以另设出口直接排料。光催化反应所需光源单独设置，在反应器1的上方可以设置紫外灯或者近紫外灯产生平行光源12，也可利用太阳能中的紫外光部分。

实施例二

一种用于迷宫式错流鼓泡光催化反应装置处理有机废水的方法如下：

(一)间隙循环操作光催化降解苯酚废水

图1中所示，将颗粒活性炭为载体的负载型TiO₂(德国Degussa P25，采用浸渍法将其负载于颗粒活性炭表面制成TiO₂负载膜，TiO₂活性组分用量约为待处理液用量的0.2％wt)光催化剂放入有效容积为0.8L的圆形反应器1中，在循环水槽11内加入苯酚初始浓度为20mg/L的1000mL模拟有机废水，采用375W高压汞灯经灯罩反射产生平行光源，反应器1的液面处光强为8mW/cm²。打开阀门18，将上述苯酚废水通过循环计量水泵13以400mL/min的流量经反应器进液口4连续泵入反应器1，空气由气泵14经气体流量计15以8L/min的流量从反应器底部进气口6进入反应器1，经气体分布板2的微孔分散后进入反应区，催化剂被气泡夹带而向上悬浮，使气液固三相呈流态化反应体系。苯酚通过光催化反应降解成CO₂和H₂O，气体从反应器1顶排出进入大气；液相物料从反应器溢流口5排出至外部固液分离器7，再经循环水槽11、循环计量水泵13返回反应器1继续降解；在外部固液分离器7中的颗粒光催化剂经分离器底部排料口10、阀门16排入进水管线随进水返回反应器1。整个系统反应2h后水中苯酚被完全降解。

(二)连续运行光催化降解苯酚废水

将实施例1中颗粒活性炭为载体TiO₂光催化剂6g放入反应器1中，仍采用375W高压汞灯作为光源。关闭阀门18，打开阀门19，将苯酚初始浓度为50mg/L的模拟有机废水通过循环计量水泵13连续泵入反应器1，反应器1中液相停留时间保持在2小时左右，空气由气泵14经气体流量计15以12L/min的流量进入反应器1。有机废水在反应器1中进行光催化反应后连续排出至外部固液分离器7，然后收集在循环水槽11中或直接排放，出水中苯酚去除率达60％左右。外部固液分离器7中的颗粒光催化剂随进水循环返回反应器1。

(三)半间隙半连续光催化降解甲基橙水溶液

将分子筛为载体的负载型TiO₂(溶胶凝胶法制备TiO₂，采用浸渍法将其负载于分子筛表面制成TiO₂负载膜)光催化剂20g放入有效容积为2L的矩形反应器1中，采用375W高压汞灯为光源。先关闭阀门18，打开阀门19，将甲基橙初始浓度为40mg/L的模拟有机废水通过循环计量水泵13泵入反应器1，液相停留时间保持在2小时左右，空气由气泵14以8L/min的流量从反应器1底部进入反应器。甲基橙经过光催化反应降解后排出至外部固液分离器7再进入循环水槽11，此时打开并调节阀门18使循环水槽中处理水与阀门19来水按1∶1比例混合再经循环计量水泵13返回反应器1继续降解；经外部固液分离器7分离的颗粒光催化剂经分离器底部排料口10排入进水管线随进水返回反应器1。循环水槽溢流口出水。

Claims (10)

1.迷宫式错流鼓泡光催化反应装置，包括光催化反应器主体、外部固液分离器和循环系统，其特征在于反应器(1)内：下部设置有气体分布板(2)，在其上垂直设置有平行折流板(3)构成液相迷宫式通道；底部设置有反应器进气口(6)；气体分布板(2)上方的反应器侧壁设置有反应器进液口(4)和反应器溢流口(5)；在反应器(1)的上方设置有平行光源(12)。

2.如权利要求1所述的迷宫式错流鼓泡光催化反应装置，其特征在于反应器(1)的横截面是圆形横截面或者矩形横截面。

3.如权利要求1所述的迷宫式错流鼓泡光催化反应装置，其特征在于平行折流板(3)是三块或三块以上的平行折流板(3)。

4.如权利要求1所述的迷宫式错流鼓泡光催化反应装置，其特征在于气体分布板(2)是双层多孔布气板或烧结板，其孔径＜0.5mm，开孔率为0.5％～5.0％。

5.如权利要求1所述的迷宫式错流鼓泡光催化反应装置，其特征在于平行光源(12)是紫外光或者近紫外光。

6.如权利要求1所述的迷宫式错流鼓泡光催化反应装置，其特征在于固液分离器(7)是圆锥形结构，其上部设有分离器进料口(8)和分离器出水口(9)，底部设有分离器排料口(10)，其分离器进料口(8)与反应器溢流口(5)连通。

7.用于迷宫式错流鼓泡光催化反应装置处理有机废水的方法，其特征在于该方法是将粒径为0.3mm～0.8mm的颗粒光催化剂加入反应器(1)中，待处理有机废水从反应器进液口(4)通入迷宫式反应区内，同时从反应器进气口(6)通入含氧气体并通过气体分布板(2)向上鼓入反应区；沿折流板间隙流动的液体与上升气泡呈错流接触，颗粒光催化剂悬浮分散于气液混合相中，在平行紫外光(12)光源照射下进行光催化反应，有机物被催化降解，出水经固液分离器(7)、循环水槽(11)达标可直接排放或经循环计量水泵(13)循环返回反应器(1)中。

8.如权利要求7所述的迷宫式错流鼓泡光催化反应装置处理有机废水的方法，其特征在于经固液分离器(7)分离的颗粒光催化剂从其底部的分离器排料口(10)利用密度差自动进入反应器(1)的进水管线中，与通过循环计量水泵(13)的有机废水一起循环到反应器(1)中再循环。

9.如权利要求7所述的迷宫式错流鼓泡光催化反应装置处理有机废水的方法，其特征在于经固液分离器(7)分离的颗粒光催化剂从其底部的分离器排料口(10)排出进行催化剂的再生。

10.如权利要求7所述的迷宫式错流鼓泡光催化反应装置处理有机废水的方法，其特征在于调节反应器(1)的进水流速实现颗粒光催化剂在反应器(1)中的停留时间和出水中催化剂的带出量。

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