CN216549904U - 基于纳米光触媒降解有机物的悬浮体系反应设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于纳米光触媒降解有机物的悬浮体系反应设备，其具有至少一个光催化反应器，所述光催化反应器包括外壳、内壳、进水管、出水管和曝气混合器，其特征在于，外壳和内壳之间形成光源放置腔，在所述光源放置腔中设有紫外光光源；内壳的内部形成反应室，在所述反应室中分布有纳米光触媒粉体；进水管和出水管分别穿过外壳与内壳直接相连，并且分别连有进水过滤器和出水过滤器，其中出水过滤器是中空纤维膜过滤器。本实用新型解决的技术问题在于，克服传统光催化氧化光能利用率低、催化效能差、催化剂回收困难等缺点。

Description

基于纳米光触媒降解有机物的悬浮体系反应设备

技术领域

本实用新型涉及一种基于纳米光触媒降解有机物的悬浮体系反应设备，可用于废水处理。

背景技术

高级氧化技术(AOP)是利用强氧化性的羟基自由基，氧化分解有机污染物，最终彻底转化为二氧化碳和水等无害有机物的水处理技术。随着环保政策趋严，排放标准经历多次提标，促进传统工业产业升级。半导体多相光催化氧化处理有机物的高级氧化技术已经有近50年的研究历史。常见的光触媒有贵金属及其合金，如Au，Pd，Pt，Au-Cu，Au-Pd等；金属氧化物/硫化物，如RuO₂,CuO，ZnO，α-Fe₂O₃，TiO₂，CdS等。其中对于二氧化钛作为光触媒的催化原理研究和工业化合成生产已经基本成熟。这直接促进了近年来越来越多的光催化反应器产品在水处理领域的应用(例如参见专利文献CN103819044B、CN110330073A、CN112607845A)。

光触媒常以纳米粉、薄膜以及载体负载的形式进行应用。其中纳米二氧化钛因其比表面积大、催化活性高等优点极具大规模应用潜力，并且除了能将烷烃类、含羧基或羟基、酚类等常见的有机物氧化降解，尤其能对卤代脂肪烃、卤代芳烃、有机酸类、硝基芳烃、取代苯胺、多环芳烃、杂环化合物、染料、表面活性剂、农药氯代中间体等难降解有机物进行有效地降解。此外，水体中高毒性的重金属离子如Cr(VI)、Hg²⁺、Pb²⁺等也会被还原从而降低毒性。除了水中的有机污染物，通过负载二氧化钛等光触媒进行的多相催化氧化反应还被应用在处理氮氧化物，硫氧化物以及其他常见挥发性有机化合物(VOC)的处理工艺中。这种光降解方法具备无毒无害，对有机物降解彻底，不产生二次污染，再加上二氧化钛本身具有较高的化学稳定性、热稳定性和光催化活性等优点，在深度水处理领域开展工业化应用的需求与日俱增，成为真正实现工业“零排放”过程中的高级氧化技术之一。

与其它高级氧化工艺技术相比，光催化氧化技术有效降低或避免了：添加诸如造成铁泥危废的铁离子和易燃易爆的双氧水(如均相芬顿反应)，使用强氧化性的臭氧(如臭氧催化氧化)，以及高温高压的反应条件(如超临界氧化法)，造成运行风险，运行和设备投入成本过高(如电催化氧化)等问题。

然而，传统的光催化氧化技术具有光能利用率低、催化效能差、缺乏大规模应用、催化剂回收困难等缺点。对此，应用纳米二氧化钛悬浮体系反应器的光催化技术充分利用纳米光触媒高比表面积的特点，与有机污染物的接触和反应位点丰富，相较于负载型光催化剂，具备催化活性和效率的优势。但是粉体悬浮体系在实际工业应用中难于回收，易进入反应产水而造成二次污染和资源浪费。因此一种既适用于较大流量，又能够有效减少光触媒粉体流失的悬浮体系反应器成为工业界亟待解决的技术难题。

实用新型内容

基于上述技术背景，本实用新型要解决的技术问题在于提供一种悬浮体系光催化反应设备，其能够克服上述传统光催化氧化的缺点。

为此，本实用新型提出一种基于纳米光触媒降解有机物的悬浮体系反应设备，其具有至少一个光催化反应器，所述光催化反应器包括外壳、内壳、进水管、出水管和曝气混合器，其中，

外壳和内壳之间形成光源放置腔，在光源放置腔中设有紫外光光源；

内壳的内部形成反应室，在反应室中分布有纳米光触媒粉体；

进水管和出水管分别穿过外壳与内壳直接相连，并且分别连有进水过滤器和出水过滤器，其中出水过滤器是中空纤维膜(MF膜)过滤器。

优选地，曝气混合器设置在反应室的底部，并且与气泵相连。

优选地，外壳是不透光的，由金属或塑料，优选聚丙烯、聚氯乙烯或不锈钢构成；内壳是透光的，由石英玻璃或有机玻璃构成。

优选地，使用的纳米光触媒是纳米二氧化钛，优选气相合成的二氧化钛。气相纳米二氧化钛具有特别好的有机物降解能力。

优选地，光源放置腔与光源循环冷却器相连。冷却介质可以使用空气、冷却液等，优选使用水。

优选地，中空纤维膜过滤器与过滤器反洗装置相连。

优选地，反应室的顶部设有出气口。

优选地，曝气混合器还与臭氧发生装置相连。

优选地，外壳能够至少部分地打开，以便于更换紫外光光源。

优选地，本实用新型的悬浮体系反应设备具有两个或更多个所述光催化反应器，这些光催化反应器相互并联，并通过可编程逻辑控制器(PLC)控制进水和出水，从而实现多级间歇反应。

本实用新型的优点在于：通过悬浮体系与气相光触媒的结合，提高催化剂的接触面积，从而提高催化效率，其中通过气泵与曝气混合器的配合，使得二氧化钛光触媒粉体与有机污染物充分接触，在污染物含量较高的情况下可以通过臭氧曝气协同光催化降解有机污染物；通过中空纤维超滤，采用外进内出过滤的进水方式，错流过滤，防止污堵，并且可回收二氧化钛粉体，避免二次污染；应用多个并联的光催化反应器，通过PLC控制多级间歇式反应，进一步扩容处理能力，从而扩大工业应用规模。

附图说明

以下结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。其中，

图1以透视示意图示出了根据本实用新型的一个优选实施例的光催化反应器，

图2结合紫外光光源示意性地示出了封闭的反应器外壳和打开的反应器外壳，

图3示例性地示出了根据本实用新型的悬浮体系反应设备的光降解流程图。

附图标记说明：

1 光催化反应器

1.1 外壳

1.2 内壳

1.3 紫外光光源

1.4 进水管

1.5 进水过滤器

1.6 出水管

1.7 出水过滤器

1.8 曝气混合器

1.9 气泵

1.10 出气口

1.11 光源循环冷却器

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合实施例对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1以透视示意图示出了根据本实用新型的一个优选实施例的光催化反应器1，其用于根据本实用新型的基于纳米光触媒降解有机物的悬浮体系反应设备。该光催化反应器1包括呈圆柱体的外壳1.1和呈圆柱体的内壳1.2。外壳1.1与内壳1.2同轴地布置，且对外封闭。外壳1.1由不透光的金属材料构成，外壳的高为1.5m，直径为0.9m。内壳1.2由透明的石英玻璃构成，内壳的高为1.5m，直径为0.5m，反应器的总体积为300L。在外壳1.1和内壳1.2之间形成光源放置腔。如图1中以虚线所示，在光源放置腔中布置总共8只中压汞灯作为紫外光光源1.3，其中在光源放置腔的上部和下部分别对称地布置4只中压汞灯。该中压汞灯的光程为0.5m。其中，外壳1.1分为上、下两部分，下部分可以部分地开启，从而更换紫外灯光源。参照图2，上方显示的是封闭的反应器外壳，下方显示的是部分打开的反应器外壳。内壳1.2的内部形成反应室，其中分布有气相合成的纳米二氧化钛光触媒粉体(图1中未示出)，其投加量为0.5-3g/L。光源放置腔还进一步连有光源循环冷却器1.11，以水为冷却介质对紫外光光源进行循环冷却。

光催化反应器1还设有进水管1.4和出水管1.6，该进水管和出水管分别穿过外壳1.1与内壳1.2直接相连，从而能够将待处理的废水引入位于内壳内部的反应室，并在光降解后从反应室流出。进水管1.4和出水管1.6错开地布置在不同水平面上。如图1所述，进水管1.4位于光催化反应器1的下部，出水管1.6位于光催化反应器1的上部。在进水管1.4通入内壳1.2的端部连有进水过滤器1.5。该进水过滤器为50目的金属滤网，主要作用是去除悬浮物(SS)等大颗粒物对光照效率的影响。在出水管1.6通入内壳1.2的端部连有出水过滤器1.7。该出水过滤器(又称为产水精密过滤器)使用的是中空纤维膜过滤器，用于分离二氧化钛粉体，其操作压力为0.1至0.2mPa，最大膜通量为200L/h。在图1的情况下，出水管1.6又可用作反洗水进口，连接过滤器反洗装置(图1中未示出)，在通量＜70L/h的情况下对中空纤维膜过滤器进行反洗，以便回收二氧化钛光触媒。

在光催化反应器1的反应室底部设有陶瓷曝气盘，作为曝气混合器1.8。该陶瓷曝气盘可以形成微米级别的气泡。气泵1.9穿过外壳1.1与陶瓷曝气盘联通，曝气所用的气泵流量为150L/h。气泵1.9与曝气混合器1.8配合，能够最大程度的混合搅拌二氧化钛光触媒粉体，使其充分与废水中的有机污染物接触。在光催化反应器1的反应室顶部设有出气口1.10，用于排出反应室中的气体。

在有些实施例中，外壳1.1和内壳1.2的柱体横截面可以具有不同于圆形的形状，例如为椭圆形、方形或其他多边形；外壳1.1与内壳1.2也可以彼此偏心地布置。

在有些实施例中，外壳1.1由不透光的塑料构成，例如聚丙烯PP、聚氯乙烯PVC等。补充或替换地，也可以在外壳1.1的内侧面和/或外侧面涂覆不透光的涂层，从而产生或增强遮光效果。在有些实施例中，内壳1.2由透明的有机玻璃构成。

在有些实施例中，在光源放置腔中共布置少于8个或多于8个的紫外光光源1.3，这些紫外光光源能够对称或不对称地分布在光源放置腔中。

在有些实施例中，进水过滤器1.5布置在光催化反应器1的外部，废水经过滤后再流入进水管1.4。补充或替换地，出水过滤器1.7布置在光催化反应器1的外部，光降解后的水先通过出水管1.6流出反应器，然后再进行过滤。

在有些实施例中，使用空气或其他流体作为冷却介质对紫外光光源进行循环冷却。

在有些实施例中，曝气混合器1.8还与臭氧发生装置相连。由此，在污染物浓度较高的情况下，可以结合臭氧发生装置进行臭氧曝气，并利用紫外光催化臭氧的协同作用形成羟基自由基深度降解污染物。

在有些实施例中，在反应室中还掺杂有助催化金属成分和多空载体的光触媒粉体，也可以应用负载型光催化剂纤维作为填料。

图3示例性地示出了根据本实用新型的悬浮体系反应设备的光降解流程图。该悬浮体系反应设备中具有两个并联的如图1所示的光催化反应器。待处理的废水原水从进水水泵流出，通过可编程逻辑控制器PLC元件以间歇流进出水的运行方式进入这两个光催化反应器。通过PLC控制不同反应器的进水和反洗。原水在进水过滤器中进行过滤，除去SS等大颗粒物后，进入位于石英透明内壳内部的反应室。反应室中，气相二氧化钛粉体经陶瓷曝气盘和气泵的配合作用充分搅拌，从而与进入反应室的废水原水中的有机污染物充分接触，在紫外光的照射下发生光降解反应，反应时间为2至10小时，由此去除废水中有害的有机氯化物类污染物，如对氯苯酚，多氯代联苯等。反应器运行过程中通过循环水冷却系统为紫外光光源降温。反应完成后，反应室中的气体从顶部的出气口排出，废水连同二氧化钛粉体从出水管流出。随后，在中空纤维膜过滤器(产水精密过滤器)中采用外进内出过滤的进水方式，将二氧化钛粉体从水中分离，过滤出的产水能够安全地排放或者再利用。过滤后对中空纤维膜过滤器进行反洗，从而回收二氧化钛催化剂。并联的两个反应器交替地进行光催化氧化和反洗，从而保证连续产水。

在有些实施例中，在悬浮体系反应设备中应用多于两个的并联的光催化反应器，通过PLC控制不同反应器的进水和反洗，从而进一步扩大废水处理能力。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.基于纳米光触媒降解有机物的悬浮体系反应设备，其具有至少一个光催化反应器(1)，所述光催化反应器(1)包括外壳(1.1)、内壳(1.2)、进水管(1.4)、出水管(1.6)和曝气混合器(1.8)，其特征在于，

所述外壳(1.1)和所述内壳(1.2)之间形成光源放置腔，在所述光源放置腔中设有紫外光光源(1.3)；

所述内壳(1.2)的内部形成反应室，在所述反应室中分布有纳米光触媒粉体；

所述进水管(1.4)和所述出水管(1.6)分别穿过所述外壳(1.1)与所述内壳(1.2)直接相连，并且分别连有进水过滤器(1.5)和出水过滤器(1.7)，其中所述出水过滤器(1.7)是中空纤维膜过滤器。

2.根据权利要求1所述的悬浮体系反应设备，其特征在于，所述曝气混合器(1.8)设置在所述反应室的底部，并且与气泵(1.9)相连。

3.根据权利要求1所述的悬浮体系反应设备，其特征在于，所述外壳(1.1)是不透光的，由金属或塑料，优选聚丙烯、聚氯乙烯或不锈钢构成；所述内壳(1.2)是透光的，由石英玻璃或有机玻璃构成。

4.根据权利要求1所述的悬浮体系反应设备，其特征在于，所述纳米光触媒是纳米二氧化钛，优选气相合成的二氧化钛。

5.根据权利要求1所述的悬浮体系反应设备，其特征在于，所述光源放置腔与光源循环冷却器(1.11)相连。

6.根据权利要求1所述的悬浮体系反应设备，其特征在于，所述中空纤维膜过滤器与过滤器反洗装置相连。

7.根据权利要求1所述的悬浮体系反应设备，其特征在于，所述反应室的顶部设有出气口(1.10)。

8.根据权利要求1所述的悬浮体系反应设备，其特征在于，所述曝气混合器(1.8)与臭氧发生装置相连。

9.根据权利要求1所述的悬浮体系反应设备，其特征在于，所述外壳(1.1)能够至少部分地打开。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的悬浮体系反应设备，其特征在于，所述悬浮体系反应设备具有两个或更多个所述光催化反应器(1)，这些光催化反应器(1)相互并联，并通过可编程逻辑控制器控制进水和出水，从而实现多级间歇反应。

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