专利名称：与膜分离设备相组合的悬浮光催化氧化水处理方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明属于使用光催化剂的水处理方法及装置的技术领域，特别涉及适用于含有难降解有机物的水的光催化氧化处理方法及装置。
近年来，随着工业和经济的发展，许多含有难以生物降解的有毒有害物质的排放水不断进入环境，给工农业生产、人民生活和人体健康带来很大的危害。如何有效地处置这些被污染的水成为环境领域的热点。光催化氧化技术是一项刚兴起不久的高级氧化技术，由于它具有(1)能将有机物完全矿化成对环境几乎没有危害的CO2、H2O及矿物酸；(2)几乎能没有选择性地氧化所有的有机物；(3)反应条件温和，对反应温度、pH值没有什么特殊要求等等一些优势，使其在环境领域中的应用有着非常光明的前途。
总的来说，光催化氧化技术在污水处理中的应用方法的主要分歧在于反应器的类型一类是利用自然光(太阳光)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。
目前国内文献如Wang Yi-zhong，et al(Journal of Environmental Sciences，Vol.10，No.3，pp.291-295，1998)对光催化氧化反应器的报导均为第一类反应器，其结构示意图如
图1所示，它是由平板反应器101，出水槽102，水箱103，循环泵104，流量计105及搅拌器106组成。该反应器为间歇式反应器，当水箱中污染物的浓度达到排放标准时，一个反应周期结束。
上述反应器存在如下缺陷(1)该反应器为间歇式反应器，操作起来很不方便；(2)平板式反应器的一个特点就是将催化剂固定在平板的表面，这大大地降低了可用于催化反应的催化剂的比表面积，使反应器对污染物的去除速率大大降低；(3)平板式反应器多利用太阳光源，由于太阳光强度随季节、天气和时间的变化非常明显，给反应器的操作带来很大的不便；(4)太阳光中能触发光催化氧化反应的紫外线的比例非常低(约4％)，大大地限制了反应的速度。
对第二类反应器而言，由于催化剂处于悬浮状态，使得(1)催化剂颗粒可以尽可能地小并且含有孔隙，增加了颗粒的比表面积；(2)增加了催化剂颗粒表面的利用效率；(3)增加了催化剂颗粒表面与污染物接触的机率，其反应速率大大高于第一类反应器。但其不能推广的重要原因就是催化剂的分离和连续运行问题。在一些研究中曾尝试采用混凝沉淀的方法来使粉末催化剂与处理水分离，但这种方法操作烦琐，而且催化剂难以回收再用。例如，特开平9-174067号公报中发表的技术中，向处理后的溶液中加入高分子混凝剂，使粉末状光催化剂与处理水分离。由于以上原因，光催化氧化技术的实用化受到了很大的限制。
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种悬浮光催化氧化水处理方法及其装置，使其具有反应速率高、处理量大、操作容易且催化剂能回收再用，可连续运行的优点，可成为应用于工业化的污水处理的实用装置。
本发明提出的一种与膜分离设备相组合的悬浮光催化氧化水处理方法，其特征在于1)采用具有多孔结构、粉末状的催化剂颗粒与待处理水的混合形成悬浮催化剂的混合液；2)将所说的混合液送入反应器中，并对该混合液进行强制循环，以增强传质效率；3)将紫外灯直接置入反应器内，其产生的光可被催化剂有效利用；4)在反应器内部设置膜分离装置，使经处理后的水与催化剂颗粒分离，处理水经膜分离装置过滤后被抽出该反应器，催化剂截留在反应器内循环使用，水处理过程实现连续运行。
本发明提出的采用上述方法的与膜分离设备相组合的悬浮光催化氧化水处理装置，其特征在于，包括装有强制循环装置的反应器，该反应器被分隔成两个区域，多个紫外灯设置在反应器内的某一区域内，该反应器内部的另外一个区域设置有膜分离装置。该反应器还设置有入水口及出水口，所说的出水口与膜分离装置相连。
所说的强制循环装置可为设置在反应器底部的空气空气供给装置及设置在反应器内部的导流装置；也可为设置在反应器底部的搅拌器及设置在反应器内部的导流装置。
所说的导流装置可为导流筒，该导流筒将所说的反应器分隔成内、外两个区域；也为导流板，该导流板将所说的反应器分隔成左、右两个区域。所说的导流装置上还可设置有多个旋流板。
所说的反应器的外壳可为圆柱形状，也可为长方体。
本发明的利用光催化剂的水处理方法及装置具有以下效果。
(1)在反应器外壳体内将含有有机物的原水与粉末状的光催化剂的混合液强制循环，并用紫外灯进行照射，使粉末状的光催化剂及有机物均匀搅拌，有效地实现了有机物与光催化剂表面的接触。这样，有机物能被有效地氧化分解，缩短了原水的处理时间，相应地增加了处理水量。
(2)将混合液以旋流形式强制循环，光催化剂及有机物能更均匀地得到搅拌，从而使有机物能更高效地被氧化分解。光催化剂为多孔质的颗粒，比一般颗粒的光催化剂表面积大。这样，有机物与光催化剂表面的接触机会增大，有机物能更有效地被氧化分解。
附图的简单说明图1为已有技术的一种平板光催化氧化反应器构成的示意图。
图2为本发明实施例一构成的示意图，其中(a)为侧面图，(b)为A-A线剖视图。
图3为本发明实施例二构成的示意图，其中(a)为侧面图，(b)为B-B线剖视图。
图4为本发明实施例三构成的示意图，其中(a)为侧面图，(b)为C-C线剖视图。
本发明有关的光催化氧化水处理方法及装置的实施例，结合附图分别详细描述如下。
实施例一图2表示实施例一的水处理装置的构成，此装置由圆柱形反应器外壳体1A，空气供给装置(曝气装置)2，导流筒3A，旋流板4，紫外灯5，膜组件6及出水管7组成。图中，反应器外壳体1A为空心圆筒状结构，其轴线垂直于水平面。圆柱形反应器外壳体上侧面设有进水口1a，底部中央设有来自于空气供给装置的气体的入口1c。该装置的中部设置一圆筒状的导流筒3A将装置的内部分成中心区域Kt和周边区域Kg，该壳体1A的内壁及导流筒3A的内、外壁均装设有多个旋流板4，多个紫外灯5均匀设置在周边区域Kg中，膜组件6设置在中心区域Kt中的中心位置，出水管7与膜组件6的上端相通。
本实施例的结构结合图2详细说明如下由1a流入的原水与光催化剂P混合之后成为混合液X，分布在圆柱形反应器外壳体1A中。经光催化氧化后，处理水经由膜组件6分离从出水管7排出。废水中含有包括难降解有机物在内的各种有机物U。光催化剂P(如粉末状的二氧化钛TiO2)表面有很多微孔。空气供给装置2向上述气体入口1c提供一定压力的压缩空气，用此压缩空气将圆柱形反应器外壳体1A中的混合液X强制循环。如图2(b)所示，导流筒3A也是无底空心圆筒状结构，其直径小于圆柱形反应器外壳体1A的直径，轴线与圆柱形反应器外壳体1A的中心轴线一致。导流筒3A将圆柱形反应器外壳体1A分成中心区域Kt和周边区域Kg。
因空气入口1c设置在底部中央，进入反应器内部的压缩空气使中心区域Kt中的混合液X由下至上形成上升流，而在周边区域Kg形成由上至下的下降流。即圆柱形反应器外壳体1A中的混合液X如箭头所示在以导流筒3A形成的中心区域Kt和周边区域Kg间循环。
在导流筒3A的内侧和外侧及圆柱形反应器外壳体1A内壁装有数个方向一定的旋流板4，其目的是使在中心区域Kt和周边区域Kg间循环的混合液X产生旋流。例如本图中，装在导流筒3A内侧的旋转板4相对于导流筒3A的法线右侧倾斜一定角度，可在中心区域Kt使混合液X由下向上以顺时针旋流循环。而在外部区域Kg，由于旋转板4相对于圆柱形反应器外壳体1A内壁的法线右侧倾斜一定角度，且相对于导流筒3A外壁法线向左侧倾斜一定角度，混合液X以逆时针旋流由上向下循环。
在外部区域Kg装有多个紫外灯，照射含有有机物U及粉末状光催化剂P的混合液X。紫外线的照射可激发光催化剂P，催化氧化分解有机物U。膜组件设置在中心区域Kt的中心，用于分离混合液X和粉末催化剂。膜组件采用无机陶瓷膜或有机膜如中空纤维膜、平板膜。
本实施例工作原理详细说明如下在本实施队例的水处理装置中，处理对象原水从圆柱形反应器外壳体1A上部的原水流入口1a，顺序连续地流入圆柱形反应器外壳体1A内，在反应器外壳体内该废水与粉术状的光催化剂P混合成为混合液X。经充分氧化分解后的废水经由膜组件6的过滤成为处理水从出水管7排出。原水从流入至排出期间，受到如下处理因圆柱形反应器外壳体1A内设有导流筒3A，位于中心区域Kt的混合液X，由于从气体入口1c进入的压缩空气的作用而成为上升流上升，接着作为下降流沿外周区域Kg下降，然后又被圆柱形反应器外壳体1A的底面反射并因压缩空气的作用再一次沿中心区域Kt上升。也就是说，混合液X在被导流筒3A分区的中心区域Kt和外周区域Kg之间重复循环。
循环时上述上升流因导流板3的内侧和外侧或设于圆柱形反应器外壳体1A的内壁的旋流板4的作用，成为沿前进方向顺时针旋转的旋流同时下降流成为沿前进方向逆时针旋转的旋流。如此，混合液X在圆柱形反应器外壳体1A内循环旋流，将有机物U和光催化剂P搅拌成均一，光催化剂P表面和有机物U接触的机会变大。而且，光催化剂P为具有大量微细孔的多孔质颗粒，比通常的颗粒表面积大，光催化剂P的表面接触有机物的机率变大。
由此，在有机物能与光催化剂更好地接触的状态下，紫外线灯5发出的紫外线照射光催化剂P，使光催化剂P激发，氧化废水中的有机物U。
被充分氧化分解的混合液X通过膜组件6的过滤截留光催化剂P后，作为处理水通过出水管7排出。
采用本实施例，不仅混合液X能在短时间内得到高效的氧化分解，而且通过使用膜组件6保证能从混合液X中选择性地分离出光催化剂以外的成分，故圆柱形反应器外壳体1A内光催化剂P的量能保证维持在原有水平上。光催化剂的量管理容易。
实施例二图3表示第二实施例的悬浮光催化氧化水处理装置的构成，此装置由圆柱形反应器外壳体1B，空气供给装置(曝气装置)2，导流板3B，紫外灯5，膜组件6及出水管7组成。
图3中，反应器外壳体1B为空心圆筒状结构，其轴线垂直于水平面。圆柱形反应器外壳体上侧面设有进水口1a’，底部中央设有来自于空气供给装置的气体的入口1c’。该装置的内部垂直设置一平板状的导流板3B将装置的内部分成反应区域K1和回收区域K2，多个紫外灯5均匀设置在反应区域K1中，膜组件6设置在回收区域K2中的中心位置，出水管7与膜组件6的上端相通。在此圆柱形反应器外壳体1B，处理对象原水从设在上部侧面的原水流入口1a’流入，与光催化剂P混合之后成为混合液X，分布在圆柱形反应器外壳体1B中，处理后经过膜组件6的过滤，从排水管7排出，这点和上述第1施方式的圆柱形反应器外壳体1A类似。但如图所示，该反应器的内部被平板状的导流板3B分为两部分，即反应区域K1和回收区域K2。
在上述反应区域K1的中心部位，与圆柱形反应器外壳体1B的中心轴线平行地设置数个紫外线灯5。在回收区域K2的中心部位，设有膜组件。气体入口1c’位于膜组件6的下方，由空气供给装置2供给压缩空气。
在本实施例中，如图中箭头所示，混合液X在压缩空气的作用下在反应区域K1和回收区域K2间循环。通过这样的循环，混合液X内的光催化剂P被均匀搅拌，在反应区域K1内受紫外线照射，有机物U被氧化分解。然后，被充分氧化分解后的混合液X经设置在回收区域K2的膜组件6的过滤截留光催化剂，作为处理后水经配水管7排出。
本实施例适用于规模较小的废水处理设备。圆柱形反应器外壳体1B的容积比上述圆柱形反应器外壳体1A小。但混合液X作为循环流与光催化剂P搅拌均匀，使光催化剂表面P与有机物U易于接触，同样可以使反应时间缩短，提高有机物的氧化分解效率。另外，通过使用膜过滤组件6保证能使圆柱形反应器外壳体1B内的光催化剂P的量保持在原有状态，光催化剂的量管理容易。
实施例三图4表示第三种实施例的悬浮光催化氧化水处理装置的构成，此装置由长方体反应器外壳体1C，空气供给装置(曝气装置)2，导流板3C，紫外灯5，膜组件6及出水管7组成。
图4中，反应器外壳体1C为空心长方体结构，其轴线垂直于水平面。长方体反应器外壳体1C上侧面设有进水口1a”，底部中央设有来自于空气供给装置的气体的入口1c”，中心位置设有膜组件6。该装置的内部垂直设置一平板状的导流板3C将装置的内部分成反应区域M1和回收区域M2，多个紫外灯5均匀设置在反应区域M1中，膜组件6设置在回收区域M2中。在此长方体反应器外壳体1C内，处理对象原水从设在上部侧面的原水流入口1a”流入，与光催化剂P混合之后成为混合液X，分布在圆柱形反应器外壳体1C中，处理后经过膜组件6的过滤，从排水管7排出，这点和上述第2施方式的圆柱形反应器外壳体1B类似。同样，该反应器的内部被平板状的导流板3C分为两部分，即反应区域M1和回收区域M2。但与第2实施例不同的是，长方体反应器外壳体1C为长方体结构，反应区域M1和回收区域M2也为长方体结构。
在上述反应区域M1的中心部位，与长方体反应器外壳体1C底面垂直地设置数个紫外线灯5。在回收区域M2的中心部位，设有膜组件。气体入口1c”位于膜组件6的下方，由空气供给装置2供给压缩空气。
在本实施例中，如箭头所示，混合液X在压缩空气的作用下在反应区域M1和回收区域M2间循环。通过这样的循环，混合液X内的光催化剂P被均匀搅拌，在反应区域M1内受紫外线照射，有机物U被氧化分解。然后，被充分氧化分解后的混合液X经设置在回收区域M2的膜组件6的过滤截留光催化剂，作为处理后水经配水管7排出。
本实施例适用于规模较小的排水处理设备。长方体反应器外壳体1C的容积比第1实施方式中的圆柱形反应器外壳体1A小。但混合液X作为循环流与光催化剂P搅拌均匀，使光催化剂表面P与有机物U易于接触，同样可以使反应时间缩短，提高有机物的氧化分解效率。另外，膜过滤组件6的使用保证能使长方体反应器外壳体1C内的光催化剂P的量保持在原有状态，光催化剂的量管理容易。
本发明不仅限于上述各实施例结构，还可考虑以下的变化。
(1)上述各实施例中的循环手段除采用空气供给装置2以外，也可采用搅拌器等装置强制混合液X循环。
(2)上述第二、三实施例中的旋流手段除采用导流板3以外，也可在导流板3上设置旋流板等，将中心区域Kt的混合液X变为旋流。
权利要求
1.一种与膜分离设备相组合的悬浮光催化氧化水处理方法，其特征在于1)采用具有多孔结构、粉末状的催化剂颗粒与待处理水的混合形成悬浮催化剂的混合液；2)将所说的混合液送入反应器中，并对该混合液进行强制循环，以增强传质效率；3)将紫外灯直接置入反应器内，其产生的光可被催化剂有效利用；4)在反应器内部设置膜分离装置，使经处理后的水与催化剂颗粒分离，处理水经膜分离装置过滤后被抽出该反应器，催化剂截留在反应器内循环使用，水处理过程实现连续运行。
2.采用如权利要求1所述方法的与膜分离设备相组合的悬浮光催化氧化水处理装置，其特征在于，包括装有强制循环手段的反应器，该反应器被分隔成两个区域，多个紫外灯设置在反应器内的某一区域内，该反应器内部的另外一个区域设置有膜分离装置，该反应器设置有入水口及出水口，所说的出水口与膜分离装置相连。
3.如权利要求2所述悬浮光催化氧化水处理装置，其特征在于，所说的强制循环手段为设置在反应器底部的空气空气供给装置及设置在反应器内部的导流装置，该导流装置将所说的反应器分隔成两个区域。
4.如权利要求2所述悬浮光催化氧化水处理装置，其特征在于，所说的强制循环手段为设置在反应器底部的搅拌器及设置在反应器内部的导流装置，该导流装置将所说的反应器分隔成两个区域。
5.如权利要求2所述悬浮光催化氧化水处理装置，其特征在于，所说的导流装置为导流筒，该导流筒将所说的反应器分隔成内、外两个区域。
6.如权利要求2所述悬浮光催化氧化水处理装置，其特征在于，所说的导流装置为导流板，该导流板将所说的反应器分隔成左、右两个区域。。
7.如权利要求5或6所述悬浮光催化氧化水处理装置，其特征在于，所说的导流装置上设置有多个旋流板。
8.如权利要求2所述悬浮光催化氧化水处理装置，其特征在于，所说的反应器的外壳为圆柱形状。
9.如权利要求2所述悬浮光催化氧化水处理装置，其特征在于，所说的反应器的外壳为长方体。
全文摘要
本发明属于使用光催化剂的水处理技术领域,包括装有强制循环手段的反应器,该反应器被分隔成两个区域,多个紫外灯设置在反应器内的某一区域内,该反应器内部的另外一个区域设置有膜分离装置,该反应器设置有入水口及出水口,所说的出水口与膜分离装置相连。本发明具有反应速率高、处理量大、操作容易且催化剂能回收再用,可连续运行的优点,可成为应用于工业化的污水处理的实用装置。
文档编号C02F1/32GK1262229SQ00103229
公开日2000年8月9日 申请日期2000年3月17日 优先权日2000年3月17日
发明者黄霞, 孟耀斌, 施汉昌, 王小, 钱易 申请人:清华大学