專利名稱：光催化氧化-膜分離循環(huán)流化床反應(yīng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種反應(yīng)裝置，本發(fā)明尤其涉及一種集成式光催化氧化-膜分離反應(yīng)
直O(jiān)
背景技術(shù)：
光催化氧化技術(shù)以其氧化能力強、二次污染小、操作簡單等優(yōu)點而成為處理難降 解廢水的有效方法，其中尤以Ti02光催化技術(shù)的研究和應(yīng)用較多；而Ti02光催化技術(shù)所面 臨的主要問題之一是在機理和實際廢水催化氧化動力學(xué)研究的基礎(chǔ)上開發(fā)新型集成式光 催化反應(yīng)器以及對所開發(fā)的反應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。因此，高效多功能集成式實用光催化反 應(yīng)器的開發(fā)，將會促進(jìn)Ti02光催化技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用，特別是在難降解有機廢水 處理及飲用水中三致物質(zhì)的去除方面具有重要的應(yīng)用前景。目前集成式光催化反應(yīng)裝置的種類按催化劑存在狀態(tài)分為3種，且這幾種反應(yīng)裝 置均有各自的優(yōu)、缺點。(1)懸浮式光催化反應(yīng)裝置這類反應(yīng)裝置通常是將光催化劑粉末加到所要處理 的溶液中，它的優(yōu)點是在反應(yīng)中污染物容易和光催化劑接觸，不存在質(zhì)量傳輸?shù)南拗?，但?存在不足，即處理效率不高，當(dāng)提高催化劑的濃度時會造成懸浮液渾濁，影響光的穿透，降 低光效率；并且難以實現(xiàn)催化劑的分離、回收和重復(fù)利用，廢水處理成本昂貴。(2)鍍膜催化劑反應(yīng)裝置這類反應(yīng)裝置的催化劑主要是以膜的形式存在，如將 二氧化鈦光催化劑涂抹在反應(yīng)裝置的內(nèi)外壁、燈管壁、光導(dǎo)纖維材料等上面，催化劑膜在紫 外光的照射下，將吸附在膜表面的污染物降解、礦化。它的最大特點就是不需要對催化劑進(jìn) 行分離，但是傳質(zhì)受到限制，反應(yīng)器處理能力小。(3)填充床式光催化反應(yīng)裝置這類反應(yīng)裝置通常是反應(yīng)裝置內(nèi)填充二氧化鈦顆 ?；蛘弑砻嫱坑卸趸伳さ墓枘z、氧化鋁、石英砂和玻璃珠等，可以有效地讓光通過，并 且有較高比表面積，反應(yīng)可不受傳質(zhì)的限制，但不足之處是顆粒之間的碰撞可能會造成膜 的脫落，光的利用率較低，且催化劑的更換非常困難。—些研究者通過將光催化氧化與膜技術(shù)耦合用于解決懸浮式光催化反應(yīng)裝置在 應(yīng)用過程中所面臨的催化劑分離、回收難問題，以期推動技術(shù)優(yōu)點突出、應(yīng)用前景明顯的該 類反應(yīng)器的實際應(yīng)用。然而，由于有機膜表面長時間被紫外燈照射并在光催化劑作用下會 造成膜材料的分解，使得有機膜分離與光催化耦合工藝一般為分置式的，而一體式耦合工 藝中則普遍采用無機膜?；谟袡C膜具有分離效率高、設(shè)備簡單、易操作、能耗少等優(yōu)點，而一體式耦合工 藝則具有結(jié)構(gòu)簡單、投資小、占地面積少等特點，專利號為ZL200610129881.2、發(fā)明名稱為 “一體式光催化氧化_膜分離流化床反應(yīng)器”的專利公開了一種反應(yīng)器，該反應(yīng)器分為下部 的光催化氧化反應(yīng)區(qū)和上部的膜分離區(qū)，兩個區(qū)由倒Z形導(dǎo)流板分開，顆粒催化劑經(jīng)膜分 離裝置分離后在循環(huán)水流的作用下實現(xiàn)分離、回收和重復(fù)利用的目的。該反應(yīng)器具有光催 化氧化反應(yīng)速度快、易于實現(xiàn)工業(yè)化推廣和應(yīng)用等優(yōu)點；然而，由于反應(yīng)器中光催化氧化反應(yīng)區(qū)的體積較小，使得反應(yīng)器的處理能力受到一定的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種光催化氧化_膜分離循環(huán)流化床反應(yīng)裝置，該反應(yīng)裝 置不僅具有良好的傳質(zhì)性能，而且可有效地實現(xiàn)催化劑分離、回收和重復(fù)利用，同時亦兼有 良好的光照射分布，可有效提高反應(yīng)器的廢水處理能力。本發(fā)明的光催化氧化-膜分離循環(huán)流化床反應(yīng)裝置，它包括光催化反應(yīng)器和膜分 離循環(huán)反應(yīng)器，所述的光催化反應(yīng)器包括光催化反應(yīng)器殼體，所述的膜分離循環(huán)反應(yīng)器包 括設(shè)置在所述的光催化反應(yīng)器殼體側(cè)面上部的膜分離循環(huán)反應(yīng)器殼體，在所述的光催化反 應(yīng)器殼體內(nèi)設(shè)置有多個紫外光源，在所述的膜分離循環(huán)反應(yīng)器殼體內(nèi)設(shè)置有浸沒式膜組 件，所述的浸沒式膜組件與出水口相連，在所述的光催化反應(yīng)器殼體下部分別設(shè)置有入水 口和排泥口，所述的光催化反應(yīng)器殼體和膜分離循環(huán)反應(yīng)器殼體的上部和底部分別通過連 接管和循環(huán)管相連通，在所述的光催化反應(yīng)器殼體下部以及膜分離循環(huán)反應(yīng)器殼體內(nèi)浸沒 式膜組件下部沿水平方向分別設(shè)置有第一、二曝氣裝置。采用本發(fā)明裝置在廢水處理時具有以下效果(1)在曝氣氣流的作用下，催化劑、廢水、氣泡在光催化反應(yīng)器中可實現(xiàn)充分的混 合與接觸，并在紫外光的作用下污染物被有效地分解，因而具有較高的傳質(zhì)效率和光能利 用率，大大提高光催化氧化反應(yīng)的效率。(2)膜分離循環(huán)反應(yīng)器的膜組件可以將催化劑截留在該反應(yīng)器中，同時通過采用 適當(dāng)類型的膜組件(如采用可截留廢水中某一污染組分的膜組件)亦可將未被降解的污染 物截留。(3)通過循環(huán)管將膜分離循環(huán)反應(yīng)器中被截留的催化劑和污染物返回光催化反應(yīng) 器，實現(xiàn)催化劑在反應(yīng)系統(tǒng)中的循環(huán)利用，且可通過循環(huán)管中設(shè)置的閥門和第三曝氣裝置 促進(jìn)這種循環(huán)；通過控制適當(dāng)?shù)墓獯呋趸A(yù)處理時間和膜出水通量等操作條件，有利于 實現(xiàn)控制光催化反應(yīng)器中污染物的適宜濃度，以期提高反應(yīng)速度。(4)本發(fā)明裝置既可進(jìn)行間歇反應(yīng)操作，亦可進(jìn)行連續(xù)操作。(5)由于膜組件采用底部曝氣形式，使膜絲發(fā)生抖動，從而可有效地防止或減輕膜 污染。


圖1為本發(fā)明的光催化氧化_膜分離循環(huán)流化床反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1所示裝置的A-A剖視圖；圖3為圖1所示裝置的B-B剖視圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作詳細(xì)描述。如附圖所示本發(fā)明的光催化氧化-膜分離循環(huán)流化床反應(yīng)裝置，它包括光催化反 應(yīng)器1和膜分離循環(huán)反應(yīng)器6，所述的光催化反應(yīng)器包括光催化反應(yīng)器殼體，所述的膜分離 循環(huán)反應(yīng)器包括設(shè)置在所述的光催化反應(yīng)器殼體側(cè)面上部的膜分離循環(huán)反應(yīng)器殼體，在所述的光催化反應(yīng)器殼體內(nèi)設(shè)置有多個紫外光源，在所述的膜分離循環(huán)反應(yīng)器殼體內(nèi)設(shè)置有 浸沒式膜組件5，所述的浸沒式膜組件與出水口 14相連，所述的光催化反應(yīng)器殼體下部分 別設(shè)置有入水口 13和排泥口 15，所述的光催化反應(yīng)器殼體和膜分離循環(huán)反應(yīng)器殼體的上 部和底部分別通過連接管4和循環(huán)管8相連通，在所述的光催化反應(yīng)器殼體下部以及膜分 離循環(huán)反應(yīng)器殼體內(nèi)浸沒式膜組件下部沿水平方向分別設(shè)置有第一、二曝氣裝置12、7。所 述的紫外光源可以包括紫外燈3，所述的紫外燈既可以固定在光催化反應(yīng)器殼體底部，亦可 在反應(yīng)器殼體頂部或側(cè)面等位置進(jìn)行靈活布置，且可均勻或非均勻分布設(shè)置，燈管外可裝 有石英套或石英冷阱套2。膜組件可以采用簾式膜或其它膜組件。在循環(huán)管中可安裝有閥門10和第三曝氣裝置9。所述的光催化反應(yīng)器底面11可 設(shè)置為傾斜面，以便于排泥。其工作原理如下在曝氣氣流作用下，由入水口 13進(jìn)入光催化反應(yīng)器的廢水與光催化劑迅速混合， 催化劑、廢水、氣體在光催化反應(yīng)器1中形成三相流化床反應(yīng)體系，使催化劑與廢水中的污 染物充分接觸，并在光的照射下污染物被有效氧化分解，縮短了廢水處理時間，提高反應(yīng)器 的處理能力；曝氣系統(tǒng)同時為光催化氧化反應(yīng)提供氧氣，提高反應(yīng)效率。兩個反應(yīng)器上部裝有連接管4，用于光催化反應(yīng)器內(nèi)被降解廢水溢流至膜分離循 環(huán)反應(yīng)器。膜分離循環(huán)反應(yīng)器中的膜組件5將進(jìn)入該區(qū)的光催化劑截留(且通過選擇一定 截留性能的膜組件，可將未降解的污染物同時截留)，處理后的水由出水口 14排出。第二曝 氣裝置7產(chǎn)生的曝氣氣流使膜絲抖動，膜絲表面在汽泡剪切力的作用下，可以達(dá)到防止或 減輕光催化劑、污染物等的附著，從而避免或減輕膜污染。循環(huán)管8中的閥門10和第三曝氣裝置9可實施定時或連續(xù)啟動，并在第三曝氣裝 置9曝氣氣流的作用下，可促進(jìn)膜分離循環(huán)反應(yīng)器中被截留的催化劑回流至光催化反應(yīng)器 中。反應(yīng)裝置長期運行時在底部產(chǎn)生污泥等雜質(zhì)，為此可將排泥口 15打開，由入水口 13進(jìn)水沖刷傾斜面，將雜質(zhì)排出。本發(fā)明提出的光催化氧化_膜分離循環(huán)流化床反應(yīng)裝置的特征1.集成了光催化氧化與膜分離技術(shù)，可采用具有多孔結(jié)構(gòu)、顆粒狀的催化劑與待 處理水混合形成懸浮催化劑的混合液，并在曝氣氣流作用下形成氣、液、固三相流化床反應(yīng) 體系。2.紫外燈直接置入光催化反應(yīng)器中，并可實現(xiàn)多光源均勻或非均勻分布，提高光 照面積，產(chǎn)生的光被催化劑有效利用。3.兩個反應(yīng)器分別設(shè)置曝氣裝置，且本發(fā)明裝置中設(shè)置的三個曝氣裝置可實現(xiàn)分 別控制。4.膜分離區(qū)的膜組件可以使處理后的水與催化劑顆粒有效分離，并且通過第三曝 氣裝置曝氣氣流作用下，促進(jìn)光催化劑在整個反應(yīng)裝置內(nèi)的循環(huán)利用；同時在一定條件下 (即根據(jù)膜的截留性能)亦可將未分解污染物質(zhì)截留，并通過控制光催化氧化預(yù)處理時間 和膜出水通量等操作條件而方便地控制光催化反應(yīng)器中污染物的濃度，有利于提高光催化 氧化反應(yīng)速度。
5.反應(yīng)過程可實現(xiàn)連續(xù)和間歇兩種操作，采用間歇反應(yīng)操作時，光催化和膜分離 過程在時序上可分開進(jìn)行。由于階段性紫外光照射和第一曝氣裝置的啟動，可以大大降低 反應(yīng)能耗。本發(fā)明的光催化氧化反應(yīng)與膜分離過程采用集成方式，光催化氧化在光催化反應(yīng) 器內(nèi)進(jìn)行，膜分離在膜分離循環(huán)反應(yīng)器中進(jìn)行，入水口在光催化反應(yīng)器的底部，出水口與膜 分離單元相連。兩個反應(yīng)器的上部設(shè)有連接管，用于光催化反應(yīng)器內(nèi)被降解廢水溢流至膜 分離循環(huán)反應(yīng)器；而通過兩個反應(yīng)裝器下部循環(huán)管中第三曝氣裝置曝氣氣流的作用，促進(jìn) 催化劑和反應(yīng)液返回至光催化反應(yīng)器中。本發(fā)明底部設(shè)有曝氣系統(tǒng)，主要作用使催化劑呈懸浮狀態(tài)，形成氣、水、固三相流 化反應(yīng)體系，并為光催化氧化反應(yīng)提供氧氣。膜分離裝置底部曝氣氣流使膜絲抖動，避免或 減輕膜污染。本裝置底部傾斜，設(shè)有排泥口。在兩個反應(yīng)器下部循環(huán)管中可通過設(shè)置閥門 和曝氣裝置，有效地實現(xiàn)兩個反應(yīng)器中廢水、催化劑的循環(huán)流動。
權(quán)利要求
光催化氧化-膜分離循環(huán)流化床反應(yīng)裝置，它包括光催化反應(yīng)器和膜分離循環(huán)反應(yīng)器，所述的光催化反應(yīng)器包括光催化反應(yīng)器殼體，所述的膜分離循環(huán)反應(yīng)器包括設(shè)置在所述的光催化反應(yīng)器殼體側(cè)面上部的膜分離循環(huán)反應(yīng)器殼體，其特征在于在所述的光催化反應(yīng)器殼體內(nèi)設(shè)置有多個紫外光源，在所述的膜分離循環(huán)反應(yīng)器殼體內(nèi)設(shè)置有浸沒式膜組件，所述的浸沒式膜組件與出水口相連，所述的光催化反應(yīng)器殼體下部分別設(shè)置有入水口和排泥口，所述的光催化反應(yīng)器殼體和膜分離循環(huán)反應(yīng)器殼體的上部和底部分別通過連接管和循環(huán)管相連通，在所述的光催化反應(yīng)器殼體下部以及膜分離循環(huán)反應(yīng)器殼體內(nèi)浸沒式膜組件下部沿水平方向分別設(shè)置有第一、二曝氣裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光催化氧化_膜分離循環(huán)流化床反應(yīng)裝置，其特征在于在 所述的循環(huán)管中設(shè)置有閥門。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光催化氧化_膜分離循環(huán)流化床反應(yīng)裝置，其特征在于在 所述的循環(huán)管中設(shè)置有第三曝氣裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光催化氧化_膜分離循環(huán)流化床反應(yīng)裝置，其特征在于所 述的紫外光源包括紫外燈，在所述的紫外燈外罩有石英套或石英冷阱套。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光催化氧化-膜分離循環(huán)流化床反應(yīng)裝置，其特征在于所 述的光催化反應(yīng)器殼體底部為傾斜面。
全文摘要
本發(fā)明公開了光催化氧化-膜分離循環(huán)流化床反應(yīng)裝置，它包括光催化反應(yīng)器和膜分離循環(huán)反應(yīng)器，光催化反應(yīng)器包括光催化反應(yīng)器殼體，膜分離循環(huán)反應(yīng)器包括設(shè)置在光催化反應(yīng)器殼體側(cè)面上部的膜分離循環(huán)反應(yīng)器殼體，在光催化反應(yīng)器殼體內(nèi)設(shè)置有紫外光源，在膜分離循環(huán)反應(yīng)器殼體內(nèi)設(shè)置有浸沒式膜組件，浸沒式膜組件與出水口相連，在光催化反應(yīng)器殼體下部分別設(shè)置有入水口和排泥口，光催化反應(yīng)器殼體和膜分離循環(huán)反應(yīng)器殼體的上部和底部分別通過連接管和循環(huán)管相連通，在光催化反應(yīng)器殼體下部以及膜分離循環(huán)反應(yīng)器殼體內(nèi)浸沒式膜組件下部分別設(shè)置有第一、二曝氣裝置。采用本裝置具有較高的傳質(zhì)效率和光能利用率，大大提高光催化氧化反應(yīng)的效率。
文檔編號C02F1/44GK101875001SQ20091022910
公開日2010年11月3日 申請日期2009年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月10日
發(fā)明者劉艷, 解立平 申請人:天津工業(yè)大學(xué)