CN1966413A - 磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种使用磁性光催化剂的水处理技术领域，涉及磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理方法及其装置，它采用具有磁性的光催化剂颗粒与待处理水的混合形成悬浮光催化剂的混合液，在气体作用下于光催化反应区内进行循环，增强反应区床层内各相混合效果；将光源直接置入光催化反应内，其产生的光可被光催化剂有效利用；在光催化反应区出口设置磁分离区，使经处理后的水与光催化剂颗粒分离后被排出该水处理装置，光催化剂从磁分离区底部返回光催化反应区内循环使用。本发明具有污染物降解速率快、水处理量大、装置设计和操作简单，催化剂能在线回收利用，可以间歇或连续运行等优点，有利于与其他水处理技术相配合，达到提高水处理能力和效率的目的。

Description

磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理方法及其装置

技术领域  本发明涉及一种用于水处理的装置的技术领域，特别涉及适用于基于光催化技术的以磁性的光催化剂为悬浮体系的水处理装置。

背景技术  随着工业和经济的发展，大量排放水不断进入环境，其中含有难以生物降解的有毒有害物质，给工农业生产、人民生活和人体健康带来很大的危害。如何有效地处置这些被污染的水成为环境领域的热点。目前通常采用吸附、紫外线氧化、臭氧氧化、化学降解、生物降解等技术进行处理。然而在常规水处理方法中，物化法存在工艺流程复杂、费用昂贵、吸附剂再生困难、降解不彻底、容易产生二次污染等不足；常规生物法难以实现对该类废水的彻底治理，而且通过筛选高效菌种降解的效果不稳定，生产周期长；臭氧和过氧化氢等氧化法对这些有害物质的去除效率不高，易生成毒性更大的中间产物。因此这些技术目前在排放水特别是含有难以生物降解的有毒有害物质工业废水的处理方面并未获得广泛的应用。光催化氧化技术是一项刚兴起不久的高级氧化技术。大量的研究结果表明，光催化氧化技术可以有效地降解多种有机污染物，特别是许多难降解或用其他方法难以去除的物质，并转化为无机小分子物质，达到完全矿质化，对环境无任何危害；同时，具有能耗低、操作简便、反应条件温和、可以减少二次污染等优点；另外，光催化氧化技术具有停留时间短的优势，相比较生化处理方法可节省当量的固定投资。因此光催化氧化技术是处理有毒有害废水最有前途的方法之一，被称为“环境友好技术”。

目前高效光催化反应器的研究与设计是光催化氧化技术工业化过程中需要解决的焦点问题之一。根据催化剂形式，可将光催化反应器分为两类：一类是采用催化剂固定化技术的固定床反应器；另一类是采用粉末催化剂的悬浮式光催化反应器。据资料报道(Hoffmann R M，et al.Environmental Applications ofSemiconductor Photocatalysis.Chem Rev，1995，95：69-96)，平板型或浅池型结构的光催化反应器已经被用于光降解研究和实际水处理中，并且取得了一些成功，但同时催化剂易于污染和脱落，反应器制造及运行费用高、操作复杂、难于放大，因而，很难推广应用。对于悬浮式光催化反应器，由于反应器中催化剂处于悬浮状态，催化剂颗粒表面的利用效率，与污染物接触的机率大，光利用率高，使得其反应速率远远高于固定床反应器，因此，此类反应器极其适合于大规模水处理过程。然而限制其工业化应用的重要原因在于催化剂的分离和连续运行问题。在一些研究中曾尝试采用混凝沉淀的方法来使粉末催化剂与处理水分离，但这种方法操作烦琐，而且催化剂难以回收再用。中国专利CN00103234.8(施汉昌，孟耀斌，王霞，王小任，钱易.内置沉淀分离区的流化床型悬浮光催化氧化水处理方法及其装置.CN00103234.8，2000.3.17)公开了一种内置沉淀分离区的流化床型悬浮光催化氧化水处理方法及其装置，但此类方法难以用于小颗粒光催化剂体系。也有采用膜分离技术进行分离催化剂(黄霞，孟耀斌，施汉昌，王小任，钱易.与膜分离设备组合的悬浮光催化氧化水处理方法及其装置.CN00103229.1，2000.3.17；Kamble S P，Sawant S B，Pangarkar V G.Batch and continuous photocatalytic degradation of benzenesulfonic acid using concentrated solar radiation.IndEng Res，2003，42：6705-6713)，实现催化回用和连续操作，然而膜分离设备通常会被污染物污染或催化剂堵塞限制其长时间运转。正因为以上因素的存在，光催化氧化技术的实用化受到了很大的限制。

发明内容  本发明的目的在于克服上述现有悬浮式光催化反应器的缺陷，提出一种气升式悬浮光催化水处理方法及其装置，使其具有光催化效率高、处理量大、操作容易且催化剂能回收再用，可连续运行的优点，可成为应用于工业化水处理的实用装置。

本发明采用如下技术方案来实现其发明目的：

本发明提出的一种磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理方法，其特征在于：采用具有磁性的光催化剂颗粒与待处理水的混合形成悬浮光催化剂的混合液；将所述的混合液送入光催化反应区内，在气体作用下进行循环，以增强反应区床层内各相混合效果；将光源按照特定方式直接置入光催化反应内，其产生的光可被光催化剂有效利用；在光催化反应区出口设置磁分离区，使经处理后的水与光催化剂颗粒分离，处理水经磁分离设备分离后被排出该水处理装置，光催化剂从磁分离区底部返回光催化反应区内循环使用，水处理过程实现连续运行。

本发明提出的采用上述方法的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置，其特征在于：包括光催化反应区1和磁分离区2，所述的光催化反应区1由外筒体3、与外筒体3同心安装的导流筒4、光源5和气体分布器6组成，所述的磁分离区2由外筒体7、与外筒体7同心安装的叶轮8和设置于外筒体7下部外围的磁场发生器9组成，所述的外筒体3上设有气体入口10、液体入口11、气体出口12、上连接口13和下连接口14，所述的外筒体7由上部的直形筒体和下部的锥形筒体组成，该筒体上设有上连接口15、下连接口16、液体出口17和气体出口18，所述的外筒体3的上连接口13和下连接口14通过管道分别与外筒体7的上连接口15、下连接口16相连接。

在上述方案的基础上，本发明的技术特征还在于：

所述的外筒体3与其同心安装的导流筒4之间形成环形缝隙，液固混合液在气体的气升作用下于导流筒和环形缝隙之间形成循环。

所述的光源5采用底端封口的石英套管19与反应物料隔离，以特定分布方式置于导流筒4内，其产生的光可以是紫外光和可见光，光源之间以及光源与导流筒内壁之间皆存在一定间距。

所述的气体分布器6采用开孔的基板20和安装在孔内的气体分布管21组成，该气体分布管21由不锈钢管22和金属烧结头23两部分连接而成，所述基板20上的孔与不锈钢管22另一端连接。

在所述的外筒体3与其同心安装的导流筒4之间所形成的环形缝隙中安装用以移出或导入热量的换热管24，该换热构件为蛇形管。

所述的外筒体7由上部的直形筒体和下部的锥形筒体组成，该筒体的上连接口15为长方形口，与筒体7上部直形筒体切向相接。

所述的叶轮8采用推进式叶轮，设置于外筒体7底部锥形筒体内，与该锥形筒体有一定间距，由设置在顶部的电机25驱动，该叶轮的对称轴与外筒体7锥形筒体的对称轴重合。

本发明具有以下优点及突出性效果：

本发明提出的采用上述方法的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置采用空气作为一种能量携带者，推动各相在床层内循环流动，与常用强制内循环或外循环式液固光催化反应器相比，具有结构简单，能耗低的特点；同时，空气也作为反应物，为光催化氧化过程提供氧气和臭氧促进光催化氧化能力，从而提高反应器处理水的能力。

与传统的鼓泡床式光催化反应器相比，本发明的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置中外筒体3内设置有导流筒4，在气体的气升作用下，光催化剂和待处理水形成的混合液从导流筒底部与气体由下而上流动，在光和催化剂的作用下进行光催化反应，流至导流筒顶端与气体分离，混合液在重力场作用下沿着外筒体3与导流筒4之间环形缝隙流下形成循环流动，增强了各相在整个床层内混合尺度，具有良好的气液固三相混合效果，即使在表观气速较低时，也可以避免固体光催化剂的聚集，从而提高了光催化剂的利用效率。

本发明的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置将光催化反应过程磁分离过程相耦合，磁性的光催化剂和待处理水形成的混合液经光催化氧化处理后在重力场作用下旋流式进入磁分离区内，在外加磁场的作用下磁性的光催化剂与液体快速分离，在叶轮和旋流作用下从底部回到光催化反应区内，分离后的液体由上部排出水处理装置，从而实现催化剂在线分离与回用，以及水处理过程连续运行，避免了在线膜分离过程中膜的污染与堵塞，或后续采用混凝沉淀的方法进行催化剂分离与回收过程，大大简化了水处理工艺流程和成本。

与传统光反应器相比，本发明的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置中光源按照一定方式分布于导流筒内，一方面提高反应器内光利用率，另一方面，光源可以方便地从装置顶部取出，有利于反应器加工、安装以及检修。

本发明的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理方法简单，装置设计简单，易操作，有利于与其他水处理技术相配合，达到提高水处理能力和效率的目的。

附图说明

图1为本发明提供的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置的正视图。

图2为气体分布管21的结构示意图。

图3为图1的B-B剖视图，表示出气体分布管的分布。

图4为图1的A-A剖视图，表示出光源5和换热管24的分布。

图5为图1的C-C剖视图，表示出外筒体7结构与分布。

图6为叶轮8的结构示意图。

光催化反应区1、磁分离区2、外筒体3、导流筒4、光源5、气体分布器6、外筒体7、叶轮8、磁场发生器9、气体入口10、液体入口11、气体出口12、上连接口13、下连接口14、上连接口15、下连接口16、液体出口17、气体出口18、石英套管19、基板20、气体分布管21、不锈钢管22、金属烧结头23、换热管24、电机25、入口26、出口27、连接管28、连接管29、电源线30。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的具体结构及实施方式：

本发明所提供的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置主要包括光催化反应区1和磁分离区2。

光催化反应区1由外筒体3、与外筒体3同心安装的导流筒4、光源5和气体分布器6组成。外筒体3上设有气体入口10、液体入口11、气体出口12、上连接口13和下连接口14，外筒体3的底端与气体分布器基板20以法兰形式相连接，外筒体1顶部为一个扩大段，此扩大段的外径可以根据生产需要进行设计，一般为外筒体下部直径的1.5-3倍。导流筒4与气体分布器基板20之间存在一定的距离，此距离可根据设计进行调节。气体分布管21的结构如附图2所示，由不锈钢管22和金属烧结头23通过焊接组成。不锈钢管22与分布器基板20相连，可以使气体在各气体分布管中均匀分配，分布管21中的气体自金属烧结头微孔进入导流筒。本发明所提供的气体分布器6由分布器基板20巧妙地与若干根烧结头式气体分布管21共同组成，气体分布管的分布如附图3所示。在分布器基板20上按照特定方式开有若干个孔，孔的个数可根据设计要求进行确定，每个孔与气体分布管21的不锈钢管22相连接，气体分布管的金属烧结头应至少高于导流筒4的下边缘，以保证气体离开分布器后直接进入导流筒4，避免气体反窜进入环形缝隙。光源5采用底端封口的石英套管19与反应物料隔离，以特定分布方式置于导流筒4内，其电源线30由顶端引出与外界光源控制系统相连接。为了移走光源产生的热量或导入反应需要的热量，在反应器的环隙中安装有换热管24，其入口26和出口27固定于外筒体3上。换热管为蛇形管，其数量及长度由光源的热效应及操作条件决定。光源5和换热管24的分布如图4所示。

磁分离区2由外筒体7、与外筒体7同心安装的叶轮8和设置于外筒体7下部外围的磁场发生器9组成。外筒体7采用旋流式结构，由上部的直形筒体和下部的锥形筒体组成，该筒体上设有上连接口15、下连接口16、液体出口17和气体出口18，上连接口15为长方形口，与筒体7上部直形筒体切向焊接而成，其结构如图5所示。外筒体3的上连接口13和下连接口14通过管道分别与外筒体7的上连接口15、下连接口16相连接。叶轮8采用推进式叶轮，设置于外筒体7底部锥形筒体内，与该锥形筒体有一定间距，此间距大小根据操作条件设计，叶轮8的对称轴与外筒体7的对称轴重合，如图6所示。该叶轮由设置在外筒体7顶部的电机25驱动。磁场发生器9设置于外筒体7底部锥形筒体外围，其磁场强度可以由外界控制器调节。

在本发明的装置中，物料在反应器内的流动如下：气体自气体入口10、经气体分布器6进入导流筒4，气体以气泡形式夹带液固混合物在导流筒4内上升，经气液分离后，液固混合物返回外筒体3和导流筒4之间形成的环形缝隙，气体自气体出口12离开装置。液体自液体入口11进入光催化反应区，自上联接口13，经过连接管28由上联接口15进入磁分离区内。经夹带进入外筒体7的气体经分离后由气体出口18离开装置，液固混合物中磁性的光催化剂在磁场发生器9产生的磁场的作用下与液体分离，在旋流和叶轮8的作用与部分液体从外筒体7底部下联接口16经连接管29由下联接口14进入光催化反应区。分离后的液体由外筒体7上部液体出口17离开水处理装置。冷却水自冷却水入口26进入换热管24，经过热交换过程后，自出口27离开装置。本发明所涉及的新型气升式光催化反应装置，可用于采用磁性的光催化剂悬浮体系的液固或气液固多相光催化反应过程，如废水处理等。

Claims (8)

1.一种磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理方法，其特征在于：采用具有磁性的光催化剂颗粒与待处理水的混合形成悬浮光催化剂的混合液；将所述的混合液送入光催化反应区内，在气体作用下进行循环，以增强反应区床层内各相混合效果；将光源按照特定方式直接置入光催化反应内，其产生的光可被光催化剂有效利用；在光催化反应区出口设置磁分离区，使经处理后的水与光催化剂颗粒分离后被排出该水处理装置，光催化剂从磁分离区底部返回光催化反应区内循环使用，水处理过程实现连续运行。

2.采用如权利要求1所述方法的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置，其特征在于：包括光催化反应区1和磁分离区2，所述的光催化反应区1由外筒体3、与外筒体3同心安装的导流筒4、光源5和气体分布器6组成，所述的磁分离区2由外筒体7、与外筒体7同心安装的叶轮8和设置于外筒体7下部外围的磁场发生器9组成，所述的外筒体3上设有气体入口10、液体入口11、气体出口12、上连接口13和下连接口14，所述的外筒体7由上部的直形筒体和下部的锥形筒体组成，该筒体上设有上连接口15、下连接口16、液体出口17和气体出口18，所述的外筒体3的上连接口13和下连接口14通过管道分别与外筒体7的上连接口15、下连接口16相连接。

2.如权利要求2所述的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置，其特征在于：在所述的外筒体3与其同心安装的导流筒4之间形成环形缝隙，液固混合液在气体作用下于导流筒和环形缝隙之间形成循环，所述的导流筒截面积与环形缝隙截面积之比为1-10倍。

3.如权利要求2所述的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置，其特征在于：所述的光源5采用底端封口的石英套管19与反应物料隔离，以特定分布方式置于导流筒4内，其产生的光可以是紫外光和可见光，光源之间以及光源与导流筒内壁之间的间距为2-15mm。

4.如权利要求2所述的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置，其特征在于：所述的气体分布器6采用开孔的基板20和安装在孔内的气体分布管21组成，该气体分布管21由不锈钢管22和金属烧结头23两部分连接而成，所述基板20上的孔与不锈钢管22另一端连接，不锈钢管内径3-10mm。

5.如权利要求2所述的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置，其特征在于：在所述的外筒体3与其同心安装的导流筒4之间所形成的环形缝隙中安装用以移出或导入热量的换热管24，该换热管为蛇形管，均匀分布于环形缝隙内。

6.如权利要求2所述的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置，其特征在于：所述的外筒体7由上部的直形筒体和下部的锥形筒体组成，该筒体的上连接口15为长方形口，与筒体7上部直形筒体切向相接，所述的上连接口15截面积与导流筒截面积之比为0.1-0.5。

7.如权利要求2所述的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置，其特征在于：所述的叶轮8采用推进式叶轮，设置于外筒体7底部锥形筒体内，与该锥形筒体有一定间距，由设置在顶部的电机25驱动，该叶轮的对称轴与分离器7锥形筒体的对称轴重合。

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