CN201686584U

CN201686584U - 一种水处理用套管式光催化降解装置

Info

Publication number: CN201686584U
Application number: CN2010201439009U
Authority: CN
Inventors: 张春勇; 郑纯智; 蔡亚; 汪斌; 尚通明
Original assignee: Jiangsu University of Technology
Current assignee: Jiangsu University of Technology
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2010-12-29
Anticipated expiration: 2020-03-30

Abstract

本实用新型公开了一种水处理用套管式光催化降解装置，包括套管式反应器、固液分离器、紫外灯、气体分散器和供气系统，套管式反应器由等长同心的内管和外套管组成，内管和外套管均由石英玻璃制成，内管的中央上下通透，内管的外侧与外套管的内侧之间形成封闭的反应区；固液分离器设置在套管式反应器的上封板上方，在固液分离器的上下方向的中部设置膜分离组件，分离膜水平放置；紫外灯设置在套管式反应器的内管中。本实用新型可以在光催化降解有机废水的同时，方便地实现催化剂的分离和回收，并且可以同时或分别使用自然光源和人工光源。

Description

一种水处理用套管式光催化降解装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于水处理的反应器，特别涉及一种利用光催化作用处理废水的反应装置。

背景技术

现代工业的发展，尤其是合成化学工业的发展，使得许多含有难以生物降解的有毒物质的废水进入环境：对于一些高浓度、难降解的有机废水，如垃圾渗滤液、制药废水、造纸废水、焦化废水、石油化工废水等，因其含有毒有机物和氨氮的浓度都很高，生物降解性差，传统的生化处理法难以取得理想效果。

利用半导体光催化材料光催化降解有机污染物已经成为环保领域研究的重要方向之一。目前用于光催化降解的半导体材料主要有TiO₂、ZnO、CdS、SnO₂、InO₃、ZnS等。其光催化降解原理是光线（紫外光、可见光）照射到光催化剂上，光催化剂产生电子（e）和空穴（h⁺），空穴（h⁺）与H₂O生成羟基自由基（·OH），羟基自由基（·OH）具有极强的氧化能力，能氧化大多数的有机污染物、部分无机污染物和细菌内的有机物，将其最终降解为CO₂、H₂O、N₂等无害物质，具有光催化降解、杀菌、除恶臭等作用。

运用光催化氧化技术的反应器主要有两类，一类是利用自然光为照射光源，采用催化剂固定化技术的平板式反应器；另一类是利用人工光源紫外灯为照射光源，采用粉末催化剂的悬浮体系光催化氧化反应器。平板式反应器将催化剂固定在平板表面，大大降低了催化剂的比表面积，降低了反应器对污染物的去除效率；且太阳光强度随季节、天气和时间的变化非常明显，使得反应器的水处理受限；另外该反应器为间歇式反应器，操作起来很不方便。

对于催化剂处于悬浮状态的第二类反应器，中国专利文献CN1415557A（专利申请号02159936.X）公开了一种悬浮光催化氧化水处理装置，主要包括反应器、空气供给装置、进出水系统，在反应器内设有隔板将反应器分为灯区和膜区两部分，在反应器的灯区和膜区底部各设置一个微孔曝气气室，在反应器底部通过微孔板的满底曝气可有效地促进催化剂混合液的混合和循环，并可防止粉末催化剂的下沉；该装置还包括给灯管降温的通风装置，通风管设置在灯区内并与每个紫外灯套管连接，利用通风降低套管温度，可有效防止套管表面结垢和泥垢粘附。但是对于这种反应器内，分离区占用了反应器的一部分体积，致使反应器的空间利用率不高；由于膜组件在反应器中的位置较低，还需要在膜区底部设置一个微孔曝气气室间歇曝气使沉积在膜表面的污染物脱落；反应器中人工光源的灯放在一端封闭的玻璃套管中，由于是半封闭的设计，热量及时移走比较困难，通风装置耗能高。

另外，中国专利文献CN201010560Y（专利申请号200720034988.9）公开了一种流化床光催化氧化水处理反应器，包括有效反应区和紫外灯，有效反应区上部为固液分离区，紫外灯置于石英套管中，活性炭颗粒负载型TiO₂光催化剂装填在石英灯套与有效反应区筒壁之间；其中石英管又分为内外两层，冷却水在两层之间流动。这种水处理反应器的分离区与反应区相连并且是一体的，所设置的紫外灯为了接线，除了反应区所需的灯管长度外，还要增加一段通过分离区的长度，这样灯的利用效率就大大降低，而且分离区的高度越高，灯管长度越长，灯使用效率也越低；另外，反应器中人工光源的灯一般放在一端封闭的玻璃套管中，使用循环冷却水降低灯管的温度，增加耗能且增加了设备投资。

此外，一般反应器分别使用自然光源（太阳光）或人工光源（紫外灯、氙灯等），不能结合使用两种光源；一般的反应器若使用两头接线的灯，要将一根导线布置在套管中，导线对光具有遮挡作用，长时间照射还会使导线的绝缘层老化。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种综合利用自然光源和人工光源，高效低耗的水处理反应器。

实现本实用新型目的的技术方案是一种水处理用套管式光催化降解装置，包括套管式反应器、固液分离器、紫外灯、气体分散器和供气系统，套管式反应器包括等长同心的圆形内管和圆形外套管，外套管套在内管外；套管式反应器还包括2块封板，该2块封板均是基本形状为圆环形的上封板和下封板，内管和外套管均由石英玻璃制成，内管的中央上下通透，上封板连接在内管和外套管的上端，下封板连接在内管和外套管的下端，从而使得内管的外侧与外套管的内侧之间形成封闭的反应区；

固液分离器从上方设置在套管式反应器的上封板上，在固液分离器的上下方向的中部设置膜分离组件，膜分离组件的分离膜水平放置；

紫外灯设置在套管式反应器的内管中；

气体分散器包括第一气体分散器和第二气体分散器，第一气体分散器设置在反应区的下部，第二气体分散器放置在紫外灯的下方；

供气系统由其鼓风机通过气体管路控制阀和输气管道连接气体分散器。

供气系统的气体管路控制阀包括第一气体管路控制阀和第二气体管路控制阀，供气系统的输气管道包括第一输气管道和第二输气管道；第一气体分散器通过第一气体管路控制阀和第一输气管道连接鼓风机；第二气体分散器通过第二气体管路控制阀和第二输气管道连接鼓风机。

套管式反应器的上封板上开有数量与固液分离器相同的出液口，各出液口沿着上封板的周向围绕内管的中心轴线等间距设置。

固液分离器有2～5个，每个固液分离器的下端的进液口处均设有连接法兰，各个固液分离器通过其下端的法兰与上封板上的法兰密闭固定连接。

紫外灯的上端通过上侧固定装置-固定在套管式反应器的上封板上，紫外灯的下端通过下侧固定装置-固定在套管式反应器的下封板上。

紫外灯的上部接线和下部接线分别从内管的上、下方伸出连接到电源。

本实用新型具有积极的效果：（1）可以在光催化降解有机废水的同时，方便地实现催化剂的分离和回收。（2）可以同时或分别使用自然光源和人工光源。（3）它的结构对于两头接线的灯的安装，避免其中一根导线布置在套管中，这样导线对光就没有遮挡作用，还可以防止导线的绝缘层老化；同时有利于热量及时移走，避免局部温度过高导致灯损坏、结垢和溶液温度升高。（4）利用液位差反冲洗膜以及在中空的内管中利用气流的对流降低灯温高效率低能耗。（5）气拌增氧的第一气体分散器和对紫外灯降温的第二气体分散器的输气管道连接同一个供气装置鼓风机，使得结构紧凑，设备成本较低。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的紫外灯的安装示意图。

上述附图中的标记如下：

套管式反应器1，内管11，外套管12，进水管道12-1，进水口阀门12-2，反应区13，加料口14，

固液分离器2，连接管道21，出水管道22，

紫外灯3，上侧固定装置31-1，下侧固定装置31-2，上部接线32，下部接线33，

气体分散器4，第一气体分散器41，第二气体分散器42，

供气系统5，第一气体管路控制阀51，第二气体管路控制阀52，第一输气管道53，第二输气管道54，鼓风机55。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行说明。

（实施例1）

见图1，本实施例的水处理用套管式光催化降解装置包括套管式反应器1、固液分离器2、紫外灯3、气体分散器4和供气系统5。

套管式反应器1包括等长同心的圆形内管11、圆形外套管12和2块封板，外套管12套在内管11外，内管11和外套管12均由石英玻璃制成。内管11的中央上下通透。封板的材质是不锈钢，该2块封板均是基本形状为圆环形的上封板和下封板，通过YL-9510胶粘剂，上封板粘结固定在内管11和外套管12的上端之间，下封板粘结固定在内管11和外套管12的下端之间，从而使得内管11的外侧与外套管12的内侧以及2块封板之间形成封闭的反应区13。套管式反应器1还包括设置在外套管12的下部的进水管道12-1和进水口阀门12-2。上封板上开有数量与固液分离器2相同的出液口，各出液口沿着上封板的周向围绕内管11的中心轴线等间距设置。

各个固液分离器2从上方设置在套管式反应器1的上封板上，固液分离器2有2～5个（本实施例为2个），每个固液分离器2的下端的进液口处均设有连接法兰。各个固液分离器2通过其下端的法兰与上封板上的法兰密闭固定连接；在固液分离器2内腔中的上下方向的中部设置膜分离组件，其分离膜水平向放置，所采用的分离膜是平板膜；每个固液分离器2通过连接管道21与出水管道22相连，其中各个出水口开设在每个固液分离器2的上部。

紫外灯3设置在套管式反应器1的内管11中，且其上端通过上侧固定装置31-1固定在套管式反应器1的上封板上，下端通过下侧固定装置31-2固定在套管式反应器1的下封板上。本实施例使用两头接线的紫外灯，上部接线32和下部接线33分别从内管11的上、下方伸出连接到电源。

气体分散器4包括第一气体分散器41和第二气体分散器42，第一气体分散器41是在圆弧形的管体的壁上开设30~300个小孔构成，该圆弧形的管体由支架设置在下封板上且位于反应区13的下部，通过供气系统5的第一气体管路控制阀51和第一输气管道53连接到鼓风机55；第二气体分散器42为上侧面上开设有19~30各小孔的盒体，该盒体放置在紫外灯3的下方，通过供气系统5的第二气体管路控制阀52和第二输气管道54连接到鼓风机55。

工作时，先通过加料口14向套管式反应器1的反应区13中加入粉末状光催化剂TiO₂，加料完毕后关闭加料口14并使之密闭。开启进水口阀门12-2，废水从进水管道12-1连续地流入套管式反应器1的反应区13内，设定废水流量，在反应区13内该废水与粉末状光催化剂TiO₂混合。打开紫外灯，同时开启第一气体管路控制阀53让空气通过鼓风机55输送到套管式反应器1底部的气体分散器41中，气体以微气泡形式进入反应区13；开启第二气体管路控制阀54让空气通过鼓风机55输送到紫外灯3下部的第二气体分散器42中，气体以分散气流形式进入内管11。经充分光催化降解后的废水经固液分离器2，最后从固液分离器2的连接管道21和出水管道22向外部排出。废水从流入至排出上述光催化降解装置中，经历了如下处理过程：废水从进水管道12-1连续地流入套管式反应器1的反应区13内与粉末状光催化剂TiO₂混合，气体从第一气体分散器41流出以微气泡形式进入反应区13，此时气、液、固三相充分接触，气泡带动催化剂流化并在废水中均匀分散，同时气泡带入足够的溶解氧，实现反应物、催化剂和溶解氧的充分接触；光催化剂TiO₂吸收紫外灯3发出的部分光波而被激活，激活的催化剂与反应区13内的废水接触，使得空气中的氧气与废水中的有机物发生氧化还原反应，而将废水中的污染物降解。

以微气泡形式进入反应区13的气流使反应区13内的混合液由下至上形成上升流，又由于废水以一定流速进入反应区13，降解后的废水向上流动进入固液分离器2内，经过分离膜时，水和小的溶质颗粒透过膜，从出水管道22向外部排出；而混合液中的催化剂被截留，这些催化剂的大部分被膜下部的回流混合液重新带入反应区13内，一小部分在膜表面积淀。

运行过程中当膜阻力很大时，关闭进水口阀门12-2停止进料，由于膜上面的液位高于膜下面的液位，利用液位差产生的推动力而自动将膜反向冲洗。膜清洗后，重新打开进水口阀门12-2，按设定的流量进水。

上述从第二气体分散器42流出后再进入内管11的气流对紫外灯3起到降温作用，避免了局部温度过高导致灯损坏、结垢和溶液温度升高；又由于内管11上下通透，提高了灯的降温效果。第一气体分散器和对紫外灯降温的第二气体分散器的输气管道连接同一个供气装置鼓风机，使得结构紧凑，设备成本较低。

本实施例所用套管式反应器1的外套管12直径为30厘米，高为40厘米，内管11直径为6厘米，高为40厘米，反应区13体积为27.12升；固液分离器2直径为15厘米，高30厘米。

自然光源不可利用时，开启紫外灯3（本实施中使用的是上海亚明灯泡厂生产的300W高压汞灯GGZ-300），降解质量浓度为每升20毫克的亚甲基蓝溶液，加入催化剂TiO₂65克，设置废水流量为每小时17升，通过第一气体分散器41和第二气体分散器42的气体流量为每小时300升，亚甲基蓝的光降解率为85%。

（实施例2）

本实施例所使用的降解装置与实施例1相同，不同之处在于：处理时不使用紫外灯3，关闭第二气体管路控制阀52，利用自然光源催化降解污染物。

降解质量浓度为每升20毫克的亚甲基蓝溶液，加入催化剂BiVO₄65克，设置废水流量为每小时17升，通过第一气体分散器41的气体流量为每小时300升；在常州（E 119°58′,N 31°48′）9月中旬正午的阳光下，亚甲基蓝的光降解率为80%。

（实施例3）

本实施例所使用的降解装置与实施例1相同，不同之处在于：处理时同时使用紫外灯3和自然光源催化降解污染物。

降解质量浓度为每升20毫克的亚甲基蓝溶液，加入催化剂TiO₂和BiVO₄各32.5克，开启紫外灯3，设置废水流量为每小时17升，通过第一气体分散器41和第二气体分散器42的气体流量为每小时300升；在常州（E 119°58′,N 31°48′）9月中旬正午的阳光下，亚甲基蓝的光降解率为90%。

Claims

1.一种水处理用套管式光催化降解装置，包括套管式反应器（1）、固液分离器（2）、紫外灯（3）、气体分散器（4）和供气系统（5），套管式反应器（1）包括等长同心的圆形内管（11）和圆形外套管（12），外套管（12）套在内管（11）外；其特征在于：套管式反应器（1）还包括2块封板，该2块封板均是基本形状为圆环形的上封板和下封板，内管（11）和外套管（12）均由石英玻璃制成，内管（11）的中央上下通透，上封板连接在内管（11）和外套管（12）的上端，下封板连接在内管（11）和外套管（12）的下端，从而使得内管（11）的外侧与外套管（12）的内侧之间形成封闭的反应区（13）；

固液分离器（2）从上方设置在套管式反应器（1）的上封板上，在固液分离器（2）的上下方向的中部设置膜分离组件，膜分离组件的分离膜水平放置；

紫外灯（3）设置在套管式反应器（1）的内管（11）中；

气体分散器（4）包括第一气体分散器（41）和第二气体分散器（42），第一气体分散器（41）设置在反应区（13）的下部，第二气体分散器（42）放置在紫外灯（3）的下方；

供气系统（5）由其鼓风机（55）通过气体管路控制阀和输气管道连接气体分散器（4）。

2.根据权利要求1所述的一种水处理用套管式光催化降解装置，其特征在于：供气系统（5）的气体管路控制阀包括第一气体管路控制阀（51）和第二气体管路控制阀（52），供气系统（5）的输气管道包括第一输气管道（53）和第二输气管道（54）；第一气体分散器（41）通过第一气体管路控制阀（51）和第一输气管道（53）连接鼓风机（55）；第二气体分散器（42）通过第二气体管路控制阀（52）和第二输气管道（54）连接鼓风机（55）。

3.根据权利要求1所述的一种水处理用套管式光催化降解装置，其特征在于：套管式反应器（1）的上封板上开有数量与固液分离器（2）相同的出液口，各出液口沿着上封板的周向围绕内管（11）的中心轴线等间距设置。

4.根据权利要求1所述的一种水处理用套管式光催化降解装置，其特征在于：固液分离器（2）有2～5个，每个固液分离器的下端的进液口处均设有连接法兰，各个固液分离器（2）通过其下端的法兰与上封板上的法兰密闭固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种水处理用套管式光催化降解装置，其特征在于：紫外灯（3）的上端通过上侧固定装置（31-1）固定在套管式反应器（1）的上封板上，紫外灯（3）的下端通过下侧固定装置（31-2）固定在套管式反应器（1）的下封板上。

6.根据权利要求5所述的一种水处理用套管式光催化降解装置，其特征在于：紫外灯（3）的上部接线（32）和下部接线（33）分别从内管（11）的上、下方伸出连接到电源。