CN1962044A - 浸没式光催化陶瓷膜反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浸没式光催化陶瓷膜反应器，料液槽(1)通过蠕动泵(2)和进料阀(10)连接反应槽(3)的进料口(16)，反应槽(3)的出料口(17)通过料液循环阀(11)连接料液槽(1)上，在反应槽(3)的封盖(5)上安装至少一个紫外光发生器(15)和至少一个陶瓷膜管(6)，陶瓷膜管(6)的外壁涂覆由具有光催化作用的无机微孔材料如TiO2等构成的渗透膜(18)，陶瓷膜管(6)连接密封式滤液接受器(8)，密封式滤液接受器(8)上连接真空泵(9)，密封式滤液接受器(8)上安装滤液出口阀(13)。本发明集成了光催化反应和浸没式陶瓷膜分离技术，装置简单，操作方便，使用范围及环境广泛，反应效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种浸没式光催化陶瓷膜反应器，属光催化反应及分离设备领域。
背景技术
以TiO2为代表的半导体多相光催化是近20年发展起来的新兴研究领域，因反应体系在光催化下将吸收的光能直接转化为化学能，因此使许多通常情况下难以实现的反应在较温和的条件下能够顺利进行，已成为一种高效的废水处理技术，光催化以其具有反应效率高、能耗低、设备简单、无二次污染等优点，在各种生物难降解废水治理及生活用水深度处理等方面有着广阔的应用前景。
光催化反应技术，一方面是围绕各种污染物降解机理和催化剂的活性开展基础研究，开发具有高活性的催化剂，为光催化的工业化应用奠定基础；另一方面，主要以工业化应用为目的，开展光催化反应器的设计与应用研究。
就反应器研究而言，根据催化剂的分散形态，可分为悬浆体系和固定膜体系两大类。实现连续化、高效率以及优质的出水水质一直是光催化反应器研究的重点，而将光催化反应与膜分离技术耦合是实现这一目标的重要研究与发展方向之一。利用天然或人工制备的、具有选择透过性能的薄膜为分离介质的膜分离技术，以其设备简单，操作方便，选择性高及能耗低等优点，在化工、医药、生物工程、水处理、食品等行业有着广阔的应用前景。分离膜与光催化反应结合在一起时，集反应与分离于一体，反应产物在生成的同时，经过膜的分离，部分或全部脱离反应区，大大提高了反应效率，同时膜本身作为一种分离介质对未反应的物质、颗粒以及一些大分子物质起着筛分作用，这也保证了渗透液的纯度，在应用于废水处理时，可以保证优质的出水水质。
当前围绕膜分离技术与光催化反应集成反应器的研究已取得了很大的进展，但现有的一些反应器中仍尚存有一些缺点：反应系统多采用膜分离与光催化剂反应器两个独立组成部分的组合形式，即在反应完成后再进行分离，其缺点是反应效率低，设备运行投资大；采用悬浆催化体系时，催化剂以粉末状悬浮在膜反应器中，虽然接触面积大、传质效果较好，但是悬浮式一个显著的缺点是，悬浮态二氧化钛颗粒对光的屏蔽作用会影响光源的辐照深度；另一方面在正压操作下，细小的催化剂颗粒会吸附沉积在膜的表面以及膜孔道内，导致膜污染严重，膜分离性能下降；大多数膜都置于压力容器中，且在进料侧进行加压，这导致一些有机大分子污染物容易吸附在膜表面，造成膜污染，而一些小分子有机物可能没有经过降解反应就透过膜，从而造成渗透液的二次污染。以有机高分子膜为基础开发的光催化反应器，由于膜材料机械强度低，不能在高温下操作，特别是易受紫外光的辐射而结构受到破坏，无法实现紫外光源与分离膜的集成；因此，现有报道的光催化膜反应器的诸多缺点一定程度上限制了工业化应用。
发明内容
本发明的目的是：提供一种浸没式光催化陶瓷膜反应器，克服现有同类反应器的一些缺点，使得反应器更适合光催化反应与分离结合的需要，在废水处理、有机物降解等领域的应用过程中提高膜的分离性能，减轻膜污染，扩大适用环境及范围，确保系统的稳定连续性操作。
本发明的技术方案是：该反应器包括有原料循环系统、光催化反应分离系统以及负压抽吸系统，所述的原料循环系统主要由料液槽、蠕动泵、进料阀、料液循环阀组成，料液槽通过蠕动泵和进料阀以及管道连接光催化反应分离系统的反应槽的进料口，光催化反应分离系统的反应槽的出料口通过料液循环阀和管道连接料液槽形成循环回路，排料阀安装在料液槽上；所述的光催化反应分离系统主要由反应槽、紫外光发生器、陶瓷膜管组成，反应槽上设料液进出口，在反应槽的封盖上安装至少一个紫外光发生器和至少一个陶瓷膜管浸没在反应槽的溶液中，陶瓷膜管的外壁涂覆由具有光催化作用的无机微孔材料组成的渗透膜，陶瓷膜管通过管道连接负压抽吸系统的密封式滤液接受器；所述的负压抽吸系统主要由密封式滤液接受器、真空泵组成，密封式滤液接受器上通过压力控制阀连接真空泵，密封式滤液接受器上安装滤液出口阀。
本发明的浸没式光催化陶瓷膜反应器中，紫外光发生器主要由紫外灯和石英玻璃罩组成，外套石英玻璃罩的紫外灯安装在反应槽的封盖上；紫外光源还可以通过光导纤维导入。
本发明的浸没式光催化陶瓷膜反应器中，陶瓷膜管为单管或多管，陶瓷膜管也可以为中空纤维状陶瓷膜管，渗透膜的平均孔径为0.01-10μm，孔径由内向外减小，陶瓷膜管根据紫外光源数目环状间隔均匀或不均匀排列布置。
本发明的浸没式光催化陶瓷膜反应器中，陶瓷膜管的外壁涂覆具有光催化作用的无机微孔材料，该无机微孔材料为锐钛矿型TiO2、各种掺杂TiO2以及TiO2负载等无机光催化材料。
本发明的浸没式光催化陶瓷膜反应器中，料液槽或反应槽通过水浴或夹套方式控温实现恒温操作。
本发明的紫外光发生器和陶瓷膜管浸没在反应槽的溶液中，膜管外表面直接接触原料液，渗透膜同时起着光催化和分离作用，在紫外光照射下进行光催化反应，膜管与负压抽吸系统的密封式滤液接受器和真空泵相连，通过负压抽吸的方式将光催化反应后的渗透液从膜管的内通道中吸出，实现光催化反应与膜分离过程的集成；通过蠕动泵、进料阀、料液循环阀和料液槽形成料液循环，实现间歇或连续操作，间歇操作为一个内循环反应器，连续操作只需向料液槽中加入料液与循环反应同时进行；调节进料阀流量使原料液产生湍动，在陶瓷膜管表面形成扰动，实现层流或者湍流操作，利用原料液的扰动以直接冲刷陶瓷膜管的膜表面，减轻膜污染。
本发明的有益效果：1、本发明所用膜为无机膜，由于无机膜的热稳定性高、机械性能好、结构较稳定、抗化学及微生物腐蚀能力强、再生简易等优点，适合于化工以及废水处理行业中的一些苛刻环境，本反应器中起分离作用的渗透膜是涂覆在膜管外表面的具有光催化作用的TiO2等微孔材料渗透膜，为外膜，膜本身就是催化剂，当一些大分子物质吸附沉积在膜表面时，在紫外光的照射激发下，这些大分子物质在膜表面就会被催化降解，不易堵塞污染膜孔，从而提高了膜的分离性能。
2、本发明的紫外光发生器和陶瓷膜管浸没在溶液中，膜管为外膜，外表面起催化和分离作用，膜管内侧与密封式滤液接受器和真空泵相连接，通过负压抽吸的方式将渗透液从膜管的内通道中吸出，不需附加封闭式壳状外套，这种负压操作的运行方式可以降低膜污染的程度，第一，在膜的进料侧没有压力损失，由于透过液从膜管内侧排去，所以膜压差沿膜的长度方向分布比较均匀；第二，抽吸模式的运行对膜压差和膜通量施加了一个实际的限制，它保持在过滤曲线的恒压控制区；同时平稳的运行条件使得系统的能耗降低，膜的化学清洗次数减少，膜的寿命延长。
3、本发明通过蠕动泵、进料阀、料液循环阀和料液槽形成一个循环，调节进料阀进行层流或者湍流操作，当调大流量时，由于膜管以及石英玻璃罩的存在，实际可以起一个挡板的作用，促进了湍流，所形成的湍流可以直接冲刷陶瓷膜管的膜表面，形成错流过滤，减轻膜污染，提高了膜的分离效率。
附图说明
图1是本发明浸没式光催化陶瓷膜反应器流程结构图。
图2是图1装有单通道陶瓷膜管反应槽A-A向剖面图。
图3是图1装有单通道陶瓷膜管反应槽的俯视图。
图中：1.料液槽，2.蠕动泵，3.反应槽，4.石英玻璃罩，5.封盖，6.陶瓷膜管，7.紫外灯，8.密封式滤液接受器，9.真空泵，10.进料阀，11.料液循环阀，12.压力控制阀，13.滤液出口阀，14.排料阀，15.紫外光发生器，16.进料口，17.出料口，18.渗透膜。
具体实施方式
下面结合附图说明具体实施方式。
该反应器包括有原料循环系统、光催化反应分离系统以及负压抽吸系统，所述的原料循环系统主要由料液槽(1)、蠕动泵(2)、进料阀(10)、料液循环阀(11)组成，料液槽(1)通过蠕动泵(2)和进料阀(10)以及管道连接光催化反应分离系统的反应槽(3)的进料口(16)，光催化反应分离系统的反应槽(3)的出料口(17)通过料液循环阀(11)和管道连接料液槽(1)上形成循环回路，排料阀(14)安装在料液槽(1)上；所述的光催化反应分离系统主要由反应槽(3)、紫外光发生器(15)、陶瓷膜管(6)组成，反应槽(3)上设料液进出口(16、17)，在反应槽(3)的封盖(5)上安装至少一个紫外光发生器(15)和至少一个陶瓷膜管(6)浸没在反应槽(3)的溶液中，陶瓷膜管(6)的外壁涂覆具有光催化作用的无机微孔材料的渗透膜(18)，陶瓷膜管(6)通过管道连接负压抽吸系统的密封式滤液接受器(8)；所述的负压抽吸系统主要由密封式滤液接受器(8)、真空泵(9)组成，密封式滤液接受器(8)上通过压力控制阀(12)连接真空泵(9)，密封式滤液接受器(8)上安装滤液出口阀(13)。
本发明的浸没式光催化陶瓷膜反应器中，紫外光发生器(15)主要由紫外灯(7)和石英玻璃罩(4)组成，外套石英玻璃罩(4)的紫外灯(7)安装在反应槽(3)的封盖(5)上；紫外光源还可以通过光导纤维导入。
本发明的浸没式光催化陶瓷膜反应器中，陶瓷膜管(6)为单管或多管，陶瓷膜管也可以为中空纤维状陶瓷膜管，渗透膜的平均孔径为0.01-10μm，孔径由内向外减小，陶瓷膜管根据紫外光源数目环状间隔均匀或不均匀排列布置。
本发明的浸没式光催化陶瓷膜反应器中，陶瓷膜管(6)的外壁涂覆具有光催化作用的无机微孔材料，该无机微孔材料为锐钛矿型TiO2、各种掺杂TiO2以及TiO2负载等无机光催化材料。
本发明的浸没式光催化陶瓷膜反应器中，料液槽(1)或反应槽(3)可通过水浴或夹套方式控温实现恒温操作。
本发明所提供的浸没式光催化陶瓷膜反应器操作如下：先打开紫外灯(7)，料液如废水等从料液槽(1)通过蠕动泵(2)、进料阀(10)输送到反应槽(4)，在反应槽(4)内，催化剂TiO2微孔材料渗透膜(18)在紫外灯(7)的光照射激发下，与料液中的有机物进行光催化反应，打开料液循环阀(11)反应液回到料液槽(1)形成一个内循环反应，然后关闭滤液出口阀(13)开启真空泵(9)和压力控制阀(12)，通过负压抽吸的方式将渗透液从陶瓷膜管(6)的内通道中吸出，汇集后流到密封式滤液接受器(8)。注意当液面将要接近滤液流出管口时，要及时打开滤液出口阀(13)将滤液取出。当需要进行湍流循环操作时，调节进料阀(10)，所形成的水流可以直接冲刷陶瓷膜管(6)的渗透膜(18)表面，形成错流过滤。当要进行连续操作时，只需向料液槽(1)中连续加入待处理原料液即可。
Claims (10)
1.浸没式光催化陶瓷膜反应器，其特征在于：该反应器包括有原料循环系统、光催化反应分离系统以及负压抽吸系统，所述的原料循环系统主要由料液槽(1)、蠕动泵(2)、进料阀(10)、料液循环阀(11)组成，料液槽(1)通过蠕动泵(2)和进料阀(10)以及管道连接光催化反应分离系统的反应槽(3)的进料口(16)，光催化反应分离系统的反应槽(3)的出料口(17)通过料液循环阀(11)和管道连接料液槽(1)上形成循环回路，排料阀(14)安装在料液槽(1)上；所述的光催化反应分离系统主要由反应槽(3)、紫外光发生器(15)、陶瓷膜管(6)组成，反应槽(3)上设料液进出口(16、17)，在反应槽(3)的封盖(5)上安装至少一个紫外光发生器(15)和至少一个陶瓷膜管(6)浸没在反应槽(3)的溶液中，陶瓷膜管(6)的外壁涂覆渗透膜(18)，陶瓷膜管(6)通过管道连接负压抽吸系统的密封式滤液接受器(8)；所述的负压抽吸系统主要由密封式滤液接受器(8)、真空泵(9)组成，密封式滤液接受器(8)上通过压力控制阀(12)连接真空泵(9)，密封式滤液接受器(8)上安装滤液出口阀(13)。
2.根据权利要求1所述的浸没式光催化陶瓷膜反应器，其特征在于：紫外光发生器(15)主要由紫外灯(7)和石英玻璃罩(4)组成，外套石英玻璃罩(4)的紫外灯(7)安装在反应槽(3)的封盖(5)上。
3.根据权利要求1或2所述的浸没式光催化陶瓷膜反应器，其特征在于：紫外光源还可以通过光导纤维导入。
4.根据权利要求1所述的浸没式光催化陶瓷膜反应器，其特征在于：陶瓷膜管(6)为单管或多管，根据紫外光源数目环状间隔均匀或不均匀排列安装。
5.根据权利要求1或4所述的浸没式光催化陶瓷膜反应器，其特征在于：陶瓷膜管还可以采用中空纤维状陶瓷膜管。
6.根据权利要求1所述的浸没式光催化陶瓷膜反应器，其特征在于：陶瓷膜管(6)的外壁涂覆具有光催化作用的无机微孔材料渗透膜(18)。
7.根据权利要求6所述的浸没式光催化陶瓷膜反应器，其特征在于：无机微孔材料的渗透膜(18)为锐钛矿型TiO2、各种掺杂TiO2以及TiO2负载的无机光催化材料。
8.根据权利要求1所述的浸没式光催化陶瓷膜反应器，其特征在于：陶瓷膜管(6)上的渗透膜(18)的微孔的平均孔径为0.01-10μm。
9.根据权利要求8所述的浸没式光催化陶瓷膜反应器，其特征在于：陶瓷膜管(6)上的渗透膜(18)的微孔的孔径由内向外减小。
10.根据权利要求1所述的浸没式光催化陶瓷膜反应器，其特征在于：料液槽(1)或反应槽(3)通过水浴或夹套方式控温。
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