专利名称：内置沉淀分离区的流化床型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，出于它具有(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11，出水槽12，水箱13，循环泵14，流量计15，搅拌器16，喷射栅17及排水口18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。
本发明提出的一种内置沉淀分离区的流化床型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混合形成悬浮催化剂的混合液，以增大催化剂的比表面积，提高反应速率；2)将所说的混合液送入流化床形式的反应器中，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，其产生的光子可被催化剂有效利用；4)在反应器顶部设置沉淀分离区，使催化剂颗粒与处理水分离，处理水由出水口排出，催化剂回流到反应器内循环使用，水处理过程实现连续运行。
本发明还提出采用上述方法的内置沉淀槽的流化床型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流化床形式的反应器。该反应器被分隔成反应区和沉淀分离区，反应区位于反应器的下部，它又分为中心区域和周边区域，多个紫外灯设置在反应器内的反应区内，在该反应器下部还设置有入水口，该反应器顶部为沉淀分离区及出水口。
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中心区域和周边区域。所说的导流筒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。
本发明的利用悬浮光催化剂的水处理方法及装置具有以下效果。
(1)本装置可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。
(3)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，其中(a)为侧面图，(b)为A-A剖面图。
图2为本发明的一种实施例构成的示意图，其中(a)为侧面图，(b)为A-A剖面图。
本发明有关的光催化氧化水处理方法及装置的实施方式，结合图2详细描述如下。
本实施例为一种流化床型的水处理装置，其结构如图2所示，包括反应器外壳体1，壳体内装有混合液X，空气供给装置(循环装置)2、导流板3、旋流板(旋流装置)4、紫外灯(激发光源)5、气体排放口7。
图中，反应器外壳体1为空心圆筒状结构，其轴线垂直于水平面，反应器外壳体1的下侧面设有进水口1a，上侧面设有排出口1b，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板3将装置的内部分成中心区域Kt和周边区域Kg，该壳体1的内壁及内圆筒3的内、外壁均装设有多个旋流板4，多个紫外灯5均匀设置在中心区域Kt和周边区域Kg中，该装置的上部设置有喇叭状的分区板6，在分区板的上部为无对流的沉淀分离区Km。由1a流入的原水与光催化剂P混合之后成为混合液X，分布在反应器外壳体1内部。经光催化氧化后，处理水经沉淀分离区沉淀分离后从排出口1b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，用此压缩空气将反应器外壳体1中的混合液X强制循环。如图2(b)所示，导流板3也是无底空心圆筒状结构，其直径小于反应器外壳体1的直径，轴线与反应器外壳体1的中心轴线一致。导流板3将反应器外壳体1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。即反应器外壳体1中的混合液X如箭头所示在以导流板3形成的中心区域Kt和周边区域Kg间循环。
在导流板3的内侧和外侧及反应器外壳体1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，装在导流板3内侧的旋转板4相对于导流板3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相对于反应器外壳体1内壁的法线右侧倾斜一定角度，且相对于导流板3外壁法线向左侧倾斜一定角度，混合液X以逆时针旋流出上向下循环。
在中心区域Kt和外部区域Kg各自都装有多个紫外灯，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。喇叭状的分区板6可将从中心区域Kt上升的混合液X反射到外部区域Kg，并且使反应器外壳体的上部形成无对流区域(沉淀分离区)Km。
上述排出口1b，设置在无对流区域(沉淀分离区)Km内。混合液X的上清水作为处理水从排出口1b非出反应器外部。气体排放口7，设在反应器外壳体1上部的中央部分，将该反应器外壳体1中产生的气体(如二氧化碳CO2)排出到外部。
下面详细说明本实施例的水处理装置的作用。
在本实施例中，处理对象原水从反应器外壳体1下部的原水流入口1a，顺序连续地流入反应器外壳体1内，在反应器外壳体内该废水与粉末状的光催化剂P混合成为混合液X。经充分氧化分解后的废水从反应器外壳体1的上部排出口1b向外部排出。原水从流入至排出期间，受到如下处理；因反应器外壳体1内设有导流板3，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，接着被分区隔板6反射作为下降流沿外周区域Kg下降，然后又被反应器外壳体1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在被导流板3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反应器外壳体1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(不考虑前进方向时，上升流和下降流的旋转方向一致)。如此，混合液X在反应器外壳体1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。此外，由于紫外线灯5同时安装在中心区域Kt和外周区域Kg，反应器外壳体全区域内不存在紫外线的照射死角，激发状态的光催化剂P能使有机物U高效地氧化分解。
有机物U氧化分解后混合液X中产生的二氧化碳(CO2)等气体通过气体排出管被排放到外面。经充分氧化分解后比重变轻的混合液X，在上述中心区域Kt和外周区域Kg间循环时，渐渐流向无对流区域(沉淀分离区)Km，其上清液作为处理水从排出口1b向外部排出。此时，混合液X中的光催化剂P因比重较大，不会侵入到无对流区域(沉淀分离区)Km中，故仅含有被充分氧化分解的有机物U的混合液X从排出口1b排出。
用本实施例能高效地氧化分解有机物U，使混合液X的处理时间能比以往的缩短，且只使无对流区域(沉淀分离区)Km的混合液X的上清液作为处理水排出，处理水的回收效率也好。这样，混合液的处理量能比以往的有所增加。
权利要求
1.一种内置沉淀分离区的流化床型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混合形成悬浮催化剂的混合液；2)将所说的混合液送入流化床形式的反应器中，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，其产生的光子可被催化剂有效利用；4)在反应器顶部设置沉淀分离区，使催化剂颗粒与处理水分离，处理水由出水口排出，催化剂回流到反应器内循环使用，水处理过程实现连续运行。
2.采用如权利要求1所述方法的内置沉淀分离区的流化床型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流化床形式的反应器。该反应器被分隔成反应区和沉淀分离区，反应区位于反应器的下部，它又分为中心区域和周边区域，多个紫外灯设置在反应器内的反应区内，在该反应器下部还设置有入水口，该反应器顶部为沉淀分离区及出水口。
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，所说的强制循环装置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。
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，所说的强制循环装置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。
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中心区域和周边区域。
6.如权利要求4或5所述悬浮光催化氧化水处理装置，其特征在于，所说的导流筒上设置有多个旋流板。
7.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。
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流化床形式的反应器,该反应器被分隔成反应区和沉淀分离区,反应区位于反应器的下部,它又分为中心区域和周边区域,多个紫外灯设置在反应器内的反应区内,在反应器下部还设置有入水口。反应器顶部为沉淀分离区及出水口。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C02F1/32GK1262230SQ0010323
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
发明者施汉昌, 孟耀斌, 王霞, 王小, 钱易 申请人:清华大学