CN201161939Y

CN201161939Y - 光催化降解有机污染物实验装置

Info

Publication number: CN201161939Y
Application number: CNU2008200283369U
Authority: CN
Inventors: 王艳华; 杨胜科; 刘志峰; 费晓华; 李元岗; 张亚娟
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2008-02-05
Filing date: 2008-02-05
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2018-02-05

Abstract

本实用新型涉及一种环保废物处理装置，特别是光催化降解有机污染物实验装置，其特征是：多反射光催化反应器(1)是正八边形柱体，内贴反射镜为铝材经敷膜制成，上部缓流区(10)设计的比较大；中部沉降区(11)是斜下变窄，连接缓流区(10)与反应区(12)；反应区(12)在装置的中部靠下，它是由八面ABS塑料板粘合而成，每块板有内贴反射镜；最下方是折流区(13)，它和底座(7)固定连接；底座(7)是以230mm为边长的正方形，高100mm，里面装有连接紫外灯管(8)的电子器和出水口(14)、排水阀门；在上部缓流区(10)固定有加热器(6)。它有机物降解速率高，耗能少。它具有加热功能，可在不同温度下进行实验，以求更佳的环境温度。

Description

光催化降解有机污染物实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种环保废物处理装置，特别是处理有毒有机污染物的废水装置，确切讲是光催化降解有机污染物实验装置。

背景技术

随着环境科学与工程技术的发展，涌现出大量的专业污水处理设备。近年来，光催化技术在环境治理领域已显示出广阔的应用前景。二氧化钛因其催化活性高，且无毒、无二次污染、成本低而成为理想的光催化剂材料。光催化反应器作为反应的主体设备，直接决定了光催化反应的效率，因为反应器的材料、结构、形状、光源的几何位置等很多因素决定了催化剂活性的发挥和对光的利用等情况。所以，如何提高对光源的利用率及使催化剂活性得到最大发挥已成为反应器研制和开发的中心，也是光催化研究的重点之一。

目前，光催化降解装置有如下几种：

一、固定床光催化反应器

固定床的类型主要有平板式、浅池式、环形固定膜式、管式和光化学纤维束式等几种：(1)平板型光催化反应器具有较高的太阳光利用率，结构简单，不需要太阳光跟踪系统，适合不同的气候条件，对材质无特殊要求，易于放大或工业推广，具有良好的应用前景，但其水力负荷较低，很难应用于大流量污水的处理。(2)浅池型反应器与平板型反应器相比，水力负荷要大得多，加上结构简单，建造方便，故更有可能应用于工业污水的处理，有着广泛的应用前景。但是由于光的透射能力有限，使得反应溶液的深度不能太大，因此，要想提高反应器的处理能力，只能扩大光照面积，这就导致了反应器占地面积过大。为此，可以考虑在水面下设置人工光源作为自然光源得补充。(3)这种反应器形状为环形套管式，一般分为内、外两套管，光源置于内管内。催化剂为一层膜，负载于内管外表面或外管内表面，处理水在套管间流动，与催化剂表面接触，在光照条件下被降解。由于膜的稳定性好，机械强度高，适合在工业废水处理中应用。(4)管式反应器的优点是结构简单，操作方便。

二、流化床光催化反应器

流化床反应器很好地解决了催化剂与反应液的接触问题。流化床层载体处于不断流动、迁移、翻滚状态，反应液在载体颗粒之间流动，充分利用了催化剂的表面，使催化剂有效比表面积大大提高。与悬浆式反应器相比，载体颗粒较纳米TiO₂粉体大得多，易于沉淀分离。三相内循环流化床光催化反应器的不足之处主要在于催化剂的磨损与消耗，由于负载催化剂长期承受气流与水流的强力冲击，催化剂势必要造成一定的磨损而使光降解能力降低。

三、聚光式/非聚光式光催化反应器

聚光式光催化反应器大多数以人工光源为主，一般将光源放置在反应室中央，反应器为环状，这种装置的光利用效率很高，但是照射面积不能很大，反应器规模也相对不是很大。非聚光式反应器可以用人工光源，也可以用天然日光。由于光向四周照射，光利用率比较低，利用天然日光可以降低处理成本，但是由于太阳光中紫外光只占3％左右，反应效率不高。

比较三种光催化反应器：

流化床反应器能很好地解决了催化剂与反应液的接触问题。流化床层载体处于不断流动、迁移、翻滚状态，反应液在载体颗粒之间流动，充分利用了催化剂的表面，使催化剂有效比表面积大大提高。

聚光式光催化反应器有较高的光利用率。

三相内循环流化床光催化反应器更好的解决了气、液、固的相互接触，同时也解决催化剂的流动、迁移、翻滚所需的动力。在反应器上部有缓流区，可以实现气、液、固的分离，固体催化剂再从回流区回到反应区进行下一阶段的反应，这样催化剂重复使用。

因此可以看出，三相内循环流化床光催化反应器作为一种新兴的处理装置，在催化剂状态、光源的设置、反应器的形状和固、气、液的结合等方面都得到更好的解决。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于三相内循环流化床光催化反应器光催化降解有机污染物实验装置，以便更好的开展环境科学与环境工程研究及污水治理。

本实用新型的目的是这样实现的，设计一种光催化降解有机污染物实验装置，它至少包括一种多反射光催化反应器1，多反射光催化反应器1中心至上而下的石英紫外灯管8，多反射光催化反应器1固定在底座7上，多反射光催化反应器1底部的曝气孔与充气泵连接，多反射光催化反应器1上端有出气孔，下端的折流区13外壳上有进气孔，出气孔通过管道与蓄水池4连通，进气孔通过管道连接蠕动泵2后与蓄水池4连通，其特征是：多反射光催化反应器1是正八边形柱体，内贴反射镜为铝材经敷膜制成，上部缓流区10设计的比较大；中部沉降区11是斜下变窄，连接缓流区10与反应区12；反应区12在装置的中部靠下，它是由八面ABS塑料板粘合而成，每块板内贴有反射镜；最下方是折流区13，它和底座7固定连接；底座7是以230mm为边长的正方形，高100mm，里面装有连接紫外灯管8的电子器和出水口14、排水阀门；在上部缓流区10固定有加热器6。

所述的上部缓流区10高180mm，每边中点到中心的距离是90mm，体积为4.86L，实际盛装溶液体积为3.8L。

所述的中部沉降区11高50mm，可盛装溶液体积为1L。

所述的反应区12内侧玻璃中点到多反射光催化反应器1中心的距离是60mm，总容积为2.4L。

所述的折流区13容积为0.4L。

所述的紫外灯管直径为36mm，光照面积与反应区12溶液体积之比APV＝50m-1。

所述的底座7的底板的边长为230mm的正方形，厚度5mm；正方形底座7中心有一个直径为36mm的圆孔，该孔安装石英管17的石英管安装孔21；在离中心正左侧27mm处有一个直径为10mm的排水孔；在离中心上下两侧25mm处各有一个直径为6mm的曝气孔18；在底板四周粘合了四片上边长230mm、下边长270mm、高100mm的等腰梯形斜板。

本实用新型的优点是：通过在多反射光催化反应器壁安装反射镜来提高光的利用率，因此，光经过催化剂、气泡的折射和散射后，有一部分可以到达反射镜面而被反射，相邻的两片镜面可以互相反射而形成多次反射，从而达到光的最大利用。经过测试，具有反射功能的装置比没有反射功能的反应器降解效率差异明显。

多反射光催化水处理装置光照面积与反应区溶液体积之比达到50m-1，提高了有机物降解速率，减少了耗能。同时加入加热功能，可以在不同温度下进行实验，以求更佳的环境温度。

附图说明

下面结合实施例附图对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型实施例结构示意图；

图2是多反射光催化水处理反应器结构示意图；

图3是底座排水装置结构图；

图4是底座腑视图。

图中：1、多反射光催化反应器；2、蠕动泵；3、充气泵；4、蓄水池；5、温度计；6、加热器；7、底座；8、紫外灯管；9、排水口；10、缓流区；11、沉降区；12、反应区；13、折流区；14、出水口；15、进水口；16、水管；17、石英管；18、曝气孔；19、灯座；20、排水孔；21、石英管安装孔。

具体实施方式

如图1所示，该装置至少包括一种多反射光催化反应器1，多反射光催化反应器1中心至上而下的紫外灯管8，紫外灯管8外侧有石英管17，多反射光催化反应器1固定在底座7上，多反射光催化反应器1底部的曝气孔与充气泵3连接，多反射光催化反应器1上端缓流区10一侧有出水口14，下端的折流区13外壳一侧有进水口15，出水口14通过水管16与蓄水池4连通，进水口15通过水管16连接蠕动泵2后与蓄水池4连通。多反射光催化反应器1是正八边形柱体，上部缓流区10设计的比较大；上部缓流区10高180mm，每边中点到中心的距离是90mm，体积为4.86L，实际盛装溶液体积为3.8L。中部沉降区11是斜下变窄，连接缓流区10与反应区12；中部沉降区11高50mm，可盛装溶液体积约为1L。反应区12在装置的中部靠下，它是由八面ABS塑料板粘合而成，每块板内贴有反射镜，反射镜为铝材经敷膜制成，对紫外光具有良好反射功能；反应区12内侧玻璃中点到多反射光催化反应器1中心的距离是60mm，总容积为2.4L。最下方是折流区13，它和底座7固定连接；折流区13容积约为0.4L。底座7是以230mm为边长的正方形，高100mm，里面装有连接紫外灯管8的电子器和曝气孔18、排水孔；在上部缓流区10固定有加热器6和温度计5。

多反射光催化反应器1内装有紫外灯管8是20W。反应区石英管17外径90mm，壁厚4mm，由下部四个支撑点和上部四个固定点来固定，下底离底板60mm。光照面积与反应区12溶液体积之比APV＝50m-1。通过反应区12到达反应器壁的光经过反射镜的反射，一部分反射到溶液中去，另一部分则反射到其他面的反射镜后再反射，形成了多次反射。为使光源的利用率达到最大，使光全部都能照射到催化剂上，反应器采用与灯同样的圆筒形状，中间有石英玻璃间隔成升流区和降流区。光源置于反应器中央向四周照射，气泡夹带着固体催化剂从反应器底部向上运动，再通过降流区回到反应器底部，循环利用。

如图2所示，正八边形柱体的多反射光催化反应器1其中构成缓流区10的外壳是由8片E号切片粘合成正八边形外壳，其中的一片在80mm深的位置挖安装一个外径10mm、内径7mm的出水口14，还有一片在离上下两边10mm处各挖一个外径6mm、内径4mm的圆孔。挖有圆孔的两片材料相对而粘。E号切片长180mm，外侧宽79mm，内侧宽75mm，厚度5mm，数量8片。沉降区11的外壳是由8片F号切片粘合而成，它是八边形，上边八边形边长为52mm，下边边长为75mm，整体呈棱台。F片形状相似于等腰梯形，斜高为57mm，上底外侧宽79mm，内侧宽74mm。下底外侧宽56mm，内侧宽51mm。厚度5mm。并且G片与水平成一定的角度，剖边为3mm，数量8片。反应区12的外壳是由G号切片粘合正八边形外壳，外壳里边安装了8片反射镜。G号切片长200mm，外侧宽56mm，内侧宽52mm，厚度5mm，数量8片。折流区13的外壳是由8片H号切片粘合而成，它上下面是正八边形，下边八边形边长为36mm，下边边长为52mm，整体呈棱台。H号切片形状相似于等腰梯形，斜高为54mm，上底外侧宽56mm，内侧宽52mm。下底外侧宽40mm，内侧宽36mm。厚度5mm。并且G片与水平成一定的角度，剖边为2.5mm。数量8片。其中一片在竖直10mm挖有直径10mm的圆孔为进水口15。

如图3所示，石英管17固定是通过如下方式固定在底座7上：底座7底板上面粘合的是一个厚度6mm，外径50mm，内径36mm的圆环，在内环深2mm处挖了2mm的凹槽，用于放密封塑料圈。中部为底座7底版。下部是厚度12mm、外径为60mm的圆环，上下面的直径不一样，上面直径为36mm、厚度为7mm，下面为26mm、厚度为5mm。在内径小而突出的部分，挖一个环形凹槽，槽深2mm、宽2.5mm，用于托住石英管17，以防脱落。灯座19是用螺丝钉固定在装置顶盖上，可以装卸，这样当紫外灯8坏了，可以进行更换。底座7有排水孔20一个，曝气孔18两个，水位孔两个，总共7个接口。排水孔20通过软管与排水口9连接。

如图4所示，底座7的底板边长为230mm，厚度5mm。在中心有一个直径为36mm的石英管安装孔21，石英管安装孔21用于固定石英管17。同时在离中心正左侧27mm处挖一个直径为10mm的圆孔，此孔则为排水孔20。在离中心上下两侧25mm处各挖一个直径为6mm的曝气孔18，曝气孔18与充气泵3连接。在底板四周粘合了四片上边长230mm、下边长270mm、高100mm的等腰梯形斜板。底板四周分片设计图，底座7的底片四周分片是梯形形状，上底边长230mm，下底边270mm，高100mm。

由本实用新型图1给出的实施例可能通过下面的实验进行测试：

催化剂采用纳米TiO2直接进行实验。

实验步骤：在反应器中注入浓度为1mg/L的8-苯胺-α-萘磺酸，体积为3L，并加入3g的TiO2催化剂，调节气量曝气10分钟，使其充分混合，测定其吸光度。然后打开光源，以后每10分钟测一次，直到降解完全为止。重复以上的步骤，测定降解浓度为10mg/L和20mg/L的8-苯胺-α-萘磺酸。

结果与比较

(1)多反射光催化水处理装置降解8-苯胺-α-萘磺酸的结果

①8-苯胺-α-萘磺酸浓度为10mg/L时，40分钟时降解率超过95.0％；在时间为60分钟时，降解基本完全。

②8-苯胺-α-萘磺酸浓度为20mg/L时，在时间为90分钟时，降解基本完全。

(2)原始的光催化降解装置降解8-苯胺-α-萘磺酸的结果

①8-苯胺-α-萘磺酸浓度为10mg/L时，降解速率与时间呈直线关系；当所用时间为7小时，降解速率仅为70.0％。

②8-苯胺-α-萘磺酸浓度为20mg/L时，当所用时间为7小时，降解速率仅为54.0％。

通过如上说明可知，相同的催化剂和相同浓度下，多反射光催化水处理装置降解效率要高得多。

由此可以看出，光经过催化剂、气泡的折射和散射后，有一部分可以到达反射镜面而被反射，相邻的两片镜面可以互相反射而形成多次反射，从而达到光的最大利用。经过测试，具有反射功能的装置比没有反射功能的反应器降解效率明显。此外，由于多反射光催化水处理装置光照面积与反应区溶液体积之比达到50m-1，提供了有机物降解速率，减少了耗能。同时加入加热功能，可以在不同温度下进行实验，以求更佳的环境温度。本实用新型吸取了三相内循环的的一些优点，同样存在升流区和降流区，在底部有曝气装置，通过曝气来实现溶液的内循环，同时使催化剂重复利用。该装置为八面体，在反应区内装有八面反射镜，用于反射到达反应器壁的紫外光，使紫外光在反应器内循环反射，直到紫外光衰减完全为止。同时装入加热装置，使在实验中可以调节温度来达到更高的降解效率。

Claims

1、光催化降解有机污染物实验装置，该装置至少包括一种多反射光催化反应器(1)，多反射光催化反应器(1)中心至上而下的石英紫外灯管(8)，多反射光催化反应器(1)固定在底座(7)上，多反射光催化反应器(1)底部的曝气孔与充气泵连接，多反射光催化反应器(1)上端有出气孔，下端的折流区(13)外壳上有进气孔，出气孔通过管道与蓄水池(4)连通，进气孔通过管道连接蠕动泵(2)后与蓄水池(4)连通，其特征是：多反射光催化反应器(1)是正八边形柱体，内贴反射镜为铝材经敷膜制成，上部缓流区(10)设计的比较大；中部沉降区(11)是斜下变窄，连接缓流区(10)与反应区(12)；反应区(12)在装置的中部靠下，它是由八面ABS塑料板粘合而成，每块板有内贴反射镜；最下方是折流区(13)，它和底座(7)固定连接；底座(7)是以230mm为边长的正方形，高100mm，里面装有连接紫外灯管(8)的电子器和出水口(14)、排水阀门；在上部缓流区(10)固定有加热器(6)。

2、根据权利要求1所述的光催化降解有机污染物实验装置，其特征是：所述的上部缓流区(10)高180mm，每边中点到中心的距离是90mm，体积为4.86L，实际盛装溶液体积为3.8L。

3、根据权利要求1所述的光催化降解有机污染物实验装置，其特征是：所述的中部沉降区(11)高50mm，可盛装溶液体积为1L。

4、根据权利要求1所述的光催化降解有机污染物实验装置，其特征是：所述的反应区(12)内侧玻璃中点到多反射光催化反应器(1)中心的距离是60mm，总容积为2.4L。

5、根据权利要求1所述的光催化降解有机污染物实验装置，其特征是：所述的折流区(13)容积约为0.4L。

6、根据权利要求1所述的光催化降解有机污染物实验装置，其特征是：所述的紫外灯管(8)直径为36mm，光照面积与反应区(12)溶液体积之比APV＝50m-1。

7、根据权利要求1所述的光催化降解有机污染物实验装置，其特征是：所述的底座(7)的底板的边长为230mm的正方形，厚度5mm；正方形底座(7)中心有一个直径为36mm的圆孔，该孔安装石英管(17)的石英管安装孔(21)；在离中心正左侧27mm处有一个直径为10mm的排水孔；在离中心上下两侧25mm处各有一个直径为6mm的曝气孔(18)；在底板四周粘合了四片上边长230mm、下边长270mm、高100mm的等腰梯形斜板。