CN206951157U - 一种非平衡态光催化反应装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非平衡态光催化反应装置，所述反应装置的反应器(1)上部设有第一支管(21)，下部设有第二支管(22)，第一支管(21)上设有多个气孔(10)，第二支管(22)上设有多个喷头(3)，第一支管(21)与空气压缩机(5)通过进气管(11)相连；第二支管(22)的入口与进水管(4)相连，进水管(4)与水泵(6)相连，反应器(1)底部设有出水管(7)；反应器(1)内设有紫外灯管和催化剂。本实用新型提供的光催化反应装置结构简单，气液两相在垂直方向以高速流动的状态逆流接触，液体与光源、催化剂涂层充分接触，增加了接触面积，提高了反应效率，适用各种光催化反应，尤其适用工业化处理高氨氮废水。

Description

一种非平衡态光催化反应装置

技术领域

本实用新型属于光催化反应技术领域，尤其涉及一种非平衡态光催化反应装置。

背景技术

光催化技术是一种高效清洁的水处理技术，由于其具有耗能低、环境友好、选择性低等显著优点，得到了水处理领域的广泛的重视和深入研究。Carey等首先报道了二氧化钛水溶液在紫外光的照射下可使多氯连苯完全脱氯去毒，开启了光催化作用于水处理领域的新篇章。此后，大量的深入研究表明：利用光催化技术不仅能够多种难降解有机污染物，同时具有很好的杀菌及抑菌功能，副产物少、毒害作用低。光催化技术在水处理领域展现出了诱人的前景，并被认为是当前最具有开发前景的水处理技术。但目前光催化反应存在光能利用率低，催化剂催化效率低的缺点。

申请号为201210413835.0的中国专利公开了一种以超声波雾化强化污水处理效果的光催化方法，将含光催化剂废水破碎成直径为微米级的液滴，在光源照射下，激发光催化剂产生光生活性物种催化氧化液膜中的污染物。该专利借助超声波雾化，提高光催化剂表面利用率，防止催化剂中毒。但超声雾化处理量小，雾化反应后搜集和液化过程效率低，不适用于工业化生产。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种非平衡态光催化反应装置。所述光催化反应装置能提高催化剂的催化效率和光源利用率，能有效提高反应速率，适用于多种废水的处理。

本实用新型的技术方案如下：一种非平衡态光催化反应装置，包括反应器1，所述反应器1上部设有第一支管21，下部设有第二支管22，第一支管21上设有多个气孔10，第二支管22上设有多个喷头3，第一支管21与空气压缩机5通过进气管11相连；第二支管22的入口与进水管4相连，进水管4与水泵6相连，反应器1底部设有出水管7；所述反应器1内部设有紫外灯管12和催化剂。

进一步地，所述第一支管21和第二支管22为直线状、弧线状、方形状、圆环状、平面螺旋状或立体螺旋状。

进一步地，所述第一支管21和第二支管22的距离不少于50cm，便于形成足够多的气泡。

进一步地，所述出水管7与水泵6、下一级反应器的储水罐相连，出水管7上设有电子阀8。

进一步地，所述反应器1侧壁设有排气管9，排气管用于排出气体，气体中会存在氨气以及未反应完的氨氮，故排气管通过管道通入到酸性溶液池或其他吸收材料中，氨氮被吸收后能够制成肥料。

进一步地，所述第二支管22上均匀设置1～5个喷头。

进一步地，所述反应器1内壁上设有催化剂涂层或反应器1中填充催化剂。

更进一步地，所述紫外灯管12和催化剂集成在支架中，所述支架包括设置在外部的催化剂托盘13和设置在内部的紫外灯管12，催化剂托盘13的底部及四周为网状，用于放置催化剂；所述支架顶部以及紫外灯管12与反应器盖连接。

更进一步地，所述催化剂托盘13具有多层，相邻两层催化剂托盘的距离为10～40cm；所述催化剂托盘13的横截面为多边形或圆形。

本实用新型第二方面，提供所述非平衡态光催化反应装置在处理废水中的应用。

进一步地，所述废水中氨氮含量大于100mg/升，即所述非平衡态光催化反应装置尤其适用于处理高氨氮废水，氨氮去除率可以达到90％以上，另外，该装置也能降低废水中的COD。在处理高氨氮废水时催化剂涂层为介孔二氧化钛催化剂，为提高氨氮去除率，可在反应器中增加高锰酸钾等助催化剂。

本实用新型的特点如下：本实用新型提供的措流喷射式光催化装置中高压气体从装置的顶部由上而下喷出，而液体则喷头由下往上射出，气液两相在垂直方向以高速流动的状态逆流接触，高速旋转向上的液流与高速向下的气流碰撞后液体包裹、夹带大量带压气体。由于被包裹的带压气体的不断增加和向外膨胀，以及向下高速流动的气相和向上高速喷出的液相的分割与挤压，被液相不断裹夹和分隔的气相便形成大量气泡和雾滴，气泡和雾滴并被高速喷射出来的液体夹带向外抛向反应器壁，然后再折回中心再次与高速流动的气流接触，又卷入大量气相形成新的气泡和雾滴。

不断向下流动的气体和气泡层会阻碍液相的继续向上流动；反之，不断向上喷射的液流和气泡层也会阻碍气相的继续向下流动，当气液两相达到动量平衡时，即会形成稳定的泡沫层。泡沫层内形成的大量泡沫不仅大大增加了气液两相间的传质面积，而且在大量高速喷出液相流体的撞击与(气)液相两相的双向挤压下发生破裂而使气液两相得以分离，并导致泡沫有极高的更新频率，大大强化了气液两相间的反应和分离效率，从而使装置具有较高的传质和分离效率。雾滴也能够增加反应液体与催化剂涂层以及灯管的基础面积，大大提高反应效率，适用于各种废水的处理，尤其适用于高氨氮废水的处理。

目前现有技术普遍采用光催化反应去除废水中的氨氮，含氨氮废水中的氨氮多以氨离子(NH₄ ⁺)和游离氨(NH₃)的状态存在，其平衡关系为：

当废水的pH越大，温度越高，有利于产生氨气，越有利于平衡向右移动。当插入紫外灯以后，由紫外灯光效应和热效应，进一步促使平衡向右移动。但是由于生成的氨气在水中的溶解性较大，氨气与水结合形成一水合氨，抑制反应向右移动，因此常规的光催化反应去除氨氮效果较差，氨氮去除率一般在30％左右。另外，现有光催化反应中认为泡沫影响紫外光的透射，进而影响光催化反应进度，故常常在反应器中设置捕沫装置去除泡沫。

而本实用新型克服了现有技术的偏见，先将废液形成泡沫层，再将泡沫层与光催化反应结合，由于泡沫中包裹有气体，泡沫与光源、催化剂涂层接触进行反应后，生成的氨气会破坏气泡的平衡，也会导致气泡破裂，分离气液相，反应器中泡沫本身具有极高的更新频率，从而氨气被气体带入到外界中，进而促进反应不停地向右移动，去除氨氮反应一直处于非平衡状态，反应一直向右移动，故大大增加了氨氮去除率。本实用新型中氨氮去除率可达到90％以上，故本实用新型提供的装置尤其适用高氨氮废水的处理。另外，本实用新型装置对去除COD也有一定的效果，COD去除率可以达到50％左右。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型提供的光催化反应装置结构简单，尤其适用工业化处理高氨氮废水，气液两相在垂直方向以高速流动的状态逆流接触，反应液体与光源、催化剂涂层充分接触，不仅增加了接触面积，泡沫层反应时使氨氮去除反应一直处于非平衡状态，促进反应一直向生成氨气的方向移动，提高了反应效率，处理量以及反应效率远大于超声雾化。

附图说明

图1为本实用新型提供的光催化反应装置的剖视图；

图2为催化剂托盘和紫外灯管的集成结构图；

图中标记：1-反应器，21-第一支管，22-第二支管，3-喷头，4-进水管，5-空气压缩机，6-水泵，7-出水管，8-电子阀，9-排气管，10-气孔，11-进水管，12-紫外灯管，13-催化剂托盘，14-支架。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型的技术方案做进一步详细说明，但本实用新型并不局限于以下技术方案。

实施例1

如图1所示，一种非平衡态光催化反应装置，包括反应器1，反应器高1米6左右，直径为20cm，所述反应器1上部设有第一支管21，下部设有第二支管22，第一支管21上设有2～3个气孔10，第二支管22上设有1～2个喷头3，第一支管21与空气压缩机5通过进气管11相连；第二支管22的入口与进水管4相连，进水管4与水泵6相连，反应器1底部设有出水管7。出水管7与水泵6、下一级反应器的储水罐相连，出水管7上设有电子阀8。反应器1侧壁设有排气管9。反应器1内部设有紫外灯和催化剂，处理废水时紫外灯的功率为80～150W。

第一支管21和第二支管22的距离为1米5。本实施例中第一支管21为圆环状，第二支管22为平面螺旋状，可以根据需要变换第一支管21和第二支管22的形状。

所述装置的使用过程如下：待处理的废水在进水管中经第二支管22上端喷头喷出，气体经第一支管21上的气孔射出，气液两相在垂直方向以高速流动的状态逆流接触，形成大量气泡并抛向反应器壁，与催化器涂层接触反应，反应器1底部设有出水管7，出水管7上设有电子阀8，落到反应器底部的液体经出水管和电子阀流出后，再经水泵6泵入进水管4中进行重复反应，当反应结束后，液体再经出水管和电子阀流出到下一级反应设备中或排出到外界。

实施例2

在实施例1的基础上本实施例将紫外灯管12和催化剂集成在支架14中，支架14包括设置在外部的催化剂托盘13和设置在内部的紫外灯管12，支架14的内部为空腔，空腔内设有石英套管，石英套管内设有紫外灯管12。催化剂托盘13具有多层，相邻两层催化剂托盘的距离为20～30cm，催化剂托盘13的上部开口、底部及四周为网状，催化剂托盘内装有棒状催化剂。反应器盖上设有与紫外灯配套的灯孔，且紫外灯管的灯座与灯孔连接固定。

本实施例中催化剂托盘13的横截面为方形，可以采用横截面为矩形的托盘单元拼成，也可以采用横截面为梯形的托盘单元拼成，见图2。采用横截面为梯形的托盘单元拼成的催化剂托盘13的催化剂装载量更多，催化反应效率更高。当然也可以采用横截面为扇形的托盘单元拼成圆形催化剂托盘。

支架14顶部与反应器盖既可以为固定式连接，也可以为可拆卸式连接，如插孔式可拆卸连接，反应器盖预留插孔，固定架插入插孔中，其他的可拆卸式连接方式也可以。

实施例3应用实施例1的装置去除焦化废水中的氨氮

取50L焦化废水，通过污水泵进入过滤沉淀池后，沉淀池中加入絮凝剂(复合聚硅酸盐)对废水进行絮凝沉淀处理，过滤去除悬浮物和絮凝沉淀完成预处理。

预处理后的焦化废水氨氮含量为326mg/L，COD含量为1250mg/L，将焦化废水通入到反应器1中，光催化反应器中设有以光敏性植物的叶、茎、皮为模板合成的多孔分子筛TiO₂催化剂涂层，反应器中英设有紫外灯光源，高压空气通入到反应器中，焦化废水在反应器中与高压空气激烈碰撞形成大量气泡，3h后反应完毕，处理后的焦化废水氨氮含量为32mg/L，COD含量为646mg/L。如果只采用气泡层或者光催化去除氨氮，氨氮去除率较低，去除率不到50％。

实施例4应用实施例1的装置去除垃圾渗滤液中的氨氮

取100L垃圾渗滤液，其中的氨氮含量为317mg/L，COD为2010mg/L，将所述垃圾渗滤液通入到光催化反应器中，光催化反应器中设有以光敏性植物的叶、茎、皮为模板合成的多孔分子筛TiO₂催化剂涂层，反应器中英设有紫外灯光源，高压空气通入到反应器中，垃圾渗滤液在反应器中形成雾化液滴上下对流反应，2.5h后反应完毕，处理后的垃圾渗滤液氨氮含量为31mg/L，COD为960mg/L。如果只采用气泡层或者光催化去除氨氮，氨氮去除率较低，去除率不到50％。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种非平衡态光催化反应装置，包括反应器(1)，其特征在于，所述反应器(1)上部设有第一支管(21)，下部设有第二支管(22)，第一支管(21)上设有多个气孔(10)，第二支管(22)上设有多个喷头(3)，第一支管(21)与空气压缩机(5)通过进气管(11)相连；第二支管(22)的入口与进水管(4)相连，进水管(4)与水泵(6)相连，反应器(1)底部设有出水管(7)；所述反应器(1)内部设有紫外灯管(12)和催化剂。

2.如权利要求1所述的非平衡态光催化反应装置，其特征在于，所述第一支管(21)和第二支管(22)为直线状、弧线状、方形状、圆环状、平面螺旋状或立体螺旋状。

3.如权利要求1所述的非平衡态光催化反应装置，其特征在于，所述第一支管(21)和第二支管(22)的距离不少于50cm。

4.如权利要求1所述的非平衡态光催化反应装置，其特征在于，所述出水管(7)与水泵(6)、下一级反应器的储水罐相连，出水管(7)上设有电子阀(8)。

5.如权利要求1所述的非平衡态光催化反应装置，其特征在于，所述反应器(1)侧壁设有排气管(9)；所述第二支管(22)上均匀设置1～5个喷头。

6.如权利要求1～5任一所述的非平衡态光催化反应装置，其特征在于，所述反应器(1)内壁上设有催化剂涂层或反应器(1)中填充催化剂。

7.如权利要求6所述的非平衡态光催化反应装置，其特征在于，所述紫外灯管(12)和催化剂集成在支架中，所述支架包括设置在外部的催化剂托盘(13)和设置在内部的紫外灯管(12)，催化剂托盘(13)的底部及四周为网状，用于放置催化剂；所述支架顶部以及紫外灯管(12)与反应器盖连接。

8.如权利要求7所述的非平衡态光催化反应装置，其特征在于，所述催化剂托盘(13)具有多层，相邻两层催化剂托盘的距离为10～40cm；所述催化剂托盘(13)的横截面为多边形或圆形。