專利名稱:一體式光催化氧化－膜分離流化床反應(yīng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一反應(yīng)裝置，本發(fā)明尤其涉及一種一體式光催化氧化—膜分離流化床反應(yīng)裝置。
背景技術(shù)：
光催化氧化技術(shù)具有以下優(yōu)點(1)水中所含多種有機(jī)污染物質(zhì)均可被無選擇完全降解為幾乎無危害的CO2、H2O等；(2)不需要另外的電子受體(如H2O2)；(3)光催化劑具有廉價、無毒、穩(wěn)定以及重復(fù)使用等優(yōu)點；(4)反應(yīng)條件溫和，對反應(yīng)溫度、pH值沒有什么特殊的要求；(5)光催化反應(yīng)操作條件容易控制、氧化能力強(qiáng)。
目前光催化氧化技術(shù)所面臨的主要問題之一是光催化氧化反應(yīng)裝置的優(yōu)化設(shè)計及光催化氧化過程的最佳操作，因此，開發(fā)高效多功能集成式實用光催化氧化反應(yīng)裝置將是該領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容之一，并將成為新型有效的水處理技術(shù)手段，尤其在低濃度難降解有機(jī)廢水的處理方面更將發(fā)揮重要作用。
目前集成式光反應(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?，但也存在不足，即處理效率不高，?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；此外催化劑與液體分離困難，而采用傳統(tǒng)的沉淀、凝聚、離心分離等手段獲得的分離物均為大的塊體或顆粒聚集體，使反應(yīng)系統(tǒng)不能連續(xù)運轉(zhuǎn)，同時必須對光催化劑進(jìn)行再處理及重新分散，降低了反應(yīng)系統(tǒng)的處理效率，并增加了處理費用。
(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、不銹鋼片、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，但是反應(yīng)容易受到傳質(zhì)的限制。
(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，這些載體通常是具有二維表面的，系結(jié)構(gòu)緊密且具有多孔結(jié)構(gòu)的顆粒。由于它有效地讓光通過，并且有較高比表面積，適用于具有較高傳質(zhì)能力的反應(yīng)系統(tǒng)中。這類反應(yīng)裝置的不足之處是顆粒之間的碰撞會造成膜的脫落，光的利用率較低。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的缺點，提供一種一體式光催化氧化—膜分離流化床反應(yīng)裝置，該反應(yīng)裝置既具有良好的傳質(zhì)性能，又可有效地實現(xiàn)水、催化劑的分離，同時亦兼有良好的光照射分布。
本發(fā)明的一體式光催化氧化—膜分離流化床反應(yīng)裝置，它包括殼體，它還包括連接在所述的殼體內(nèi)的倒Z形導(dǎo)流板，在所述的倒Z形導(dǎo)流板的上側(cè)面、傾斜面上部與所述的殼體側(cè)壁之間構(gòu)成的區(qū)域內(nèi)設(shè)置有浸沒式膜組件，在所述的導(dǎo)流板的倒Z形的下側(cè)面、傾斜面下部與所述的殼體側(cè)壁之間構(gòu)成的反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的殼體底部設(shè)置有一個或多個紫外燈，在所述的殼體下部的反應(yīng)區(qū)內(nèi)設(shè)置有沿水平方向放置的第一曝氣裝置，所述的殼體底部為傾斜面，并且在殼體的下部分別設(shè)置有入水口和排泥口。
采用本發(fā)明的裝置在廢水處理時具有以下效果(1)在曝氣氣流的攪動下，在反應(yīng)裝置底部光催化劑、污染物、入射光能實現(xiàn)充分的混合與接觸，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，提高光催化氧化的效率。
(2)在反應(yīng)裝置上部膜分離區(qū)的膜組件可以將進(jìn)入上部的催化劑截留在反應(yīng)裝置內(nèi)，并重新進(jìn)入光催化氧化反應(yīng)區(qū)，實現(xiàn)光催化劑的循環(huán)利用；當(dāng)未被降解的污染物亦被截留時，可使光催化氧化反應(yīng)區(qū)污染物的濃度得以濃縮，提高反應(yīng)速度。
(3)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)明的一體式光催化氧化—膜分離流化床反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1所示裝置的Z-Z剖視圖；圖3為圖1所示裝置的S-S剖視圖。
具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作以詳細(xì)描述。
如附圖所示本發(fā)明的一體式光催化氧化—膜分離流化床反應(yīng)裝置，它包括殼體1、連接在所述的殼體內(nèi)的倒Z形導(dǎo)流板，還可以在倒Z形導(dǎo)流板上設(shè)置一個或多個旋流板，在所述的倒Z形導(dǎo)流板的上側(cè)面2、傾斜面3上部與所述的殼體側(cè)壁之間構(gòu)成的區(qū)域內(nèi)設(shè)置有浸沒式膜組件4，膜組件可以采用簾式膜或U形膜等并可以在市場購得，出水口12與膜組件相連，在所述的導(dǎo)流板的倒Z形的下側(cè)面5、傾斜面3下部與所述的殼體側(cè)壁之間構(gòu)成的反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的殼體底部設(shè)置有一個或多個紫外燈6，所述的紫外燈外最好罩有冷卻裝置如石英冷卻套7，在所述的殼體下部的反應(yīng)區(qū)內(nèi)設(shè)置有沿水平方向放置的第一曝氣裝置8，所述的殼體底部9為傾斜面，并且在殼體的下部分別設(shè)置有入水口10和排泥口11。殼體底部9的傾斜面的傾角可根據(jù)需要確定。所述的殼體下部反應(yīng)區(qū)內(nèi)最好設(shè)置有沿垂直方向放置的第二曝氣裝置12。
如圖1所示該發(fā)明裝置分為A1，A2，A3，A4，A5五個區(qū)域，其工作原理如下在曝氣氣流作用下，由入水口10進(jìn)入反應(yīng)裝置的廢水與光催化劑迅速混合，催化劑、廢水、氣體在A1反應(yīng)區(qū)形成三相流化床反應(yīng)體系，使光催化劑與廢水中的污染物充分接觸，并在紫外燈6的照射下污染物被有效氧化分解，縮短了廢水的處理時間，相應(yīng)地增加了處理水量；曝氣系統(tǒng)同時為光催化氧化反應(yīng)提供氧氣。在導(dǎo)流板3及曝氣裝置8、12的曝氣氣流作用下，氣流進(jìn)入A2區(qū)域并上升，使得在A2區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生上升水流，與所述的倒Z形導(dǎo)流板上側(cè)面2相對的殼體側(cè)壁最好為傾斜面。由于A2上部殼體側(cè)壁為傾斜面，其截面積增大，使上升水流流速減小，實現(xiàn)進(jìn)入A2區(qū)的光催化劑在重力作用下返回到A1區(qū)，而上升水流則進(jìn)入A3區(qū)。
A3區(qū)的膜組件將進(jìn)入該區(qū)的光催化劑截留(在一定條件下將未降解的污染物可同時截留)，處理水由出水口12排出。在所述的導(dǎo)流板的傾斜面3與所述的膜組件4底部之間最好設(shè)置有第三曝氣裝置13，曝氣裝置13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。
進(jìn)入A4區(qū)域的混合液形成下降流進(jìn)入A5區(qū)域內(nèi)，同時根據(jù)曝氣裝置13的曝氣強(qiáng)度亦可能有部分混合液進(jìn)入A3區(qū)域內(nèi)，從而在A3與A4區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生一個小的混合液循環(huán)。混合液通過A5區(qū)進(jìn)入A1區(qū)繼續(xù)進(jìn)行光催化氧化反應(yīng)。
反應(yīng)裝置長期運行時在A1區(qū)底部產(chǎn)生污泥等雜質(zhì)，為此可將排泥口11打開，由入水口10進(jìn)水沖刷傾斜面，將雜質(zhì)排出。
由于紫外燈產(chǎn)生熱量將影響整個反應(yīng)體系的溫度，所以在紫外燈外可根據(jù)使用需要設(shè)置冷卻裝置，以控制反應(yīng)裝置的溫度。
本發(fā)明提出的一體式光催化氧化—膜分離流化床反應(yīng)裝置的特征1.光催化氧化與膜分離實現(xiàn)一體式組合，采用具有多孔結(jié)構(gòu)、粉末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.光催化氧化在反應(yīng)裝置底部，水流經(jīng)過中部導(dǎo)流板進(jìn)入上部反應(yīng)區(qū)，不需要管線、泵閥的輸送，節(jié)省電能。
3.紫外燈直接置入下部反應(yīng)區(qū)，產(chǎn)生的光可被催化劑有效利用。
4.兩個反應(yīng)區(qū)分別設(shè)置曝氣裝置，并實現(xiàn)分別控制。
5.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，實現(xiàn)光催化劑在反應(yīng)裝置內(nèi)的循環(huán)利用；同時在一定條件下(即根據(jù)膜截留性能)亦可將未分解污染物質(zhì)截留，使反應(yīng)裝置內(nèi)污染物濃度濃縮，提高光催化氧化反應(yīng)速度。
本發(fā)明的光催化氧化區(qū)與膜分離區(qū)采用上下組合的方式，光催化氧化區(qū)在反應(yīng)裝置的下部，膜分離區(qū)在反應(yīng)裝置的上部，中間設(shè)有導(dǎo)流板實現(xiàn)光催化氧化區(qū)與膜分離區(qū)的分離。入水口10在反應(yīng)區(qū)的底部，出水口12與膜分離單元相連。反應(yīng)裝置上部設(shè)有一緩沖區(qū)A2，有助于夾帶的催化劑顆粒與上升水流之間的分離，并返回到下部光催化氧化反應(yīng)區(qū)。
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、固三相流化床反應(yīng)體系，并為光催化氧化反應(yīng)提供氧氣，同時實現(xiàn)反應(yīng)裝置中水體的循環(huán)。膜裝置底部曝氣氣流使膜絲抖動，避免或減輕膜污染。
本發(fā)明底部傾斜設(shè)計并設(shè)有排泥口。
本發(fā)明中部設(shè)有導(dǎo)流板，引導(dǎo)曝氣氣流的流動，并避免或減少光催化劑進(jìn)入上部反應(yīng)區(qū)。
權(quán)利要求
1.一體式光催化氧化-膜分離流化床反應(yīng)裝置，它包括殼體，其特征在于它還包括連接在所述的殼體內(nèi)的倒Z形導(dǎo)流板，在所述的倒Z形導(dǎo)流板的上側(cè)面、傾斜面上部與所述的殼體側(cè)壁之間構(gòu)成的區(qū)域內(nèi)設(shè)置有浸沒式膜組件，在所述的導(dǎo)流板的倒Z形的下側(cè)面、傾斜面下部與所述的殼體側(cè)壁之間構(gòu)成的反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的殼體底部設(shè)置有一個或多個紫外燈，在所述的殼體下部的反應(yīng)區(qū)內(nèi)設(shè)置有沿水平方向放置的第一曝氣裝置，所述的殼體底部為傾斜面，并且在殼體下部分別設(shè)置有入水口和排泥口。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一體式光催化氧化一膜分離流化床反應(yīng)裝置，其特征在于所述的殼體下部反應(yīng)區(qū)內(nèi)設(shè)置有沿垂直方向放置的第二曝氣裝置，在所述的導(dǎo)流板的傾斜面與所述的膜組件底部之間設(shè)置有第三曝氣裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一體式光催化氧化一膜分離流化床反應(yīng)裝置，其特征在于與所述的倒Z形導(dǎo)流板上側(cè)邊相對的殼體側(cè)壁為傾斜面。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一體式光催化氧化一膜分離流化床反應(yīng)裝置，其特征在于所述的紫外燈外罩有石英冷卻套。
專利摘要
本發(fā)明公開了一體式光催化氧化－膜分離流化床反應(yīng)裝置，它包括連接在殼體內(nèi)的倒Z形導(dǎo)流板、浸沒式膜組件，紫外燈，在殼體下部的反應(yīng)區(qū)內(nèi)設(shè)置有第一曝氣裝置，殼體底部為傾斜面，并且在殼體的下部分別設(shè)置有入水口和排泥口。采用本發(fā)明的裝置具有較高的傳質(zhì)效率和光能利用率，能提高光催化氧化的效率，在反應(yīng)裝置上部的膜組件可以將進(jìn)入上部的催化劑截留在反應(yīng)裝置內(nèi)，并重新進(jìn)入光催化氧化反應(yīng)區(qū)，實現(xiàn)光催化劑的循環(huán)利用；當(dāng)未被降解的污染物亦被截留時，可使光催化氧化反應(yīng)區(qū)污染物的濃度得以濃縮，提高反應(yīng)速度。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。
文檔編號C02F1/74GK1994545SQ200610129881
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月5日
發(fā)明者解立平, 王能亮 申請人:天津工業(yè)大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan