一体式光电催化-膜分离流化床反应装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种集成式光催化和电催化反应装置，特别是一种一体式光电催化-膜分离流化床反应装置。
【背景技术】
[0002]近年来，随着我国国民经济的迅速发展，我国的环境遭到严重的污染、生态遭到不可逆破坏。其中，水资源的匮乏更加成为制约我国国民经济向前发展的重要因素，而工业、农业产业结构调整步伐相对滞后，导致水资源消耗较大、利用效率低、水体污染。因此，在加快产业结构调整的同时，实现水资源合理高效利用、实现工农业废水有效处理减轻对水体环境的污染等显得尤为必要。废水的传统处理方法按原理可分为物理法、化学法、物理化学法以及生物法四大类。常规的物理化学方法及传统的生物处理法在可生化较好的生活废水、农业废水处理中有广泛应用且处理效果较好。然而，对于难降解、可生化性差的工业废水和医药废水其处理效率低，不能彻底消除难降解污染物，而且容易造成二次污染，使用范围窄，能耗高。目前，利用光催化氧化技术、电催化氧化技术或光电催化氧化技术等高级氧化技术降解污染物的方法得到了人们的广泛关注。
[0003]光催化氧化技术以其氧化能力强、二次污染小、操作简单等优点成为处理难降解废水的有效方法，其中尤以Ti02光催化技术的研究和应用较多，并且开发出了多种Ti02光催化反应装置，以Ti02在反应装置中的存在状态，将Ti02光催化反应装置分为悬浮型和固定型两类，这两种光催化反应装置具有各自的优、缺点。
[0004]1)悬浮式光催化反应装置:这类反应装置通常是将光催化剂粉末加到所要处理的溶液中，它的优点是在反应中污染物容易和光催化剂接触，不存在质量传输的限制，但也存在不足，即处理效率不高；当提高催化剂的浓度时会造成悬浮液浑浊，影响光的穿透，降低光效率;并且难以实现催化剂的分离、回收和重复利用，废水处理成本昂贵。
[0005]2)固定式光催化反应装置:固定型光催化反应器普遍存在能耗高、传质限制以及催化剂装载困难等缺点。但由于其存在的可能性，众多研究人员已经设计出了不同种类的固定型光催化反应器，其中以实用性固定膜太阳光催化反应器最典型，该反应器具有成本低、易建造、光利用率高、催化剂易分离等优点。但仍然存在许多问题，由于催化剂是以固定形式存在的，这就必须保证废水的流速不能过快，雷诺数较小，从而使得催化剂与水的接触不够，催化剂的利用效率会相对较低，必然会导致废水降解的效率低。
[0006]由于，悬浮型Ti02光催化反应装置与固定型相比具有吸附和反应的表面积大、无传质限制、高的降解率、反应器结构简单等特点而得到了广泛应用。但悬浮型Ti02光催化反应装置存在3个比较普遍的问题，一是在机理和实际废水催化氧化动力学研究的基础上开发新型集成式光催化反应器以及对所开发的反应器进行优化设计;二是在以Ti02粉末作为光催化剂的悬浮体系中，粉末催化剂在使用后很难和溶液分离;三是光催化剂在受到光照射后产生的电子-空穴复合概率较大，导致光子利用率较低，光催化活性不高。因此，高效多功能集成式实用光催化反应器系光催化技术、电催化技术和膜分离技术的耦合反应器的开发，将会实现Ti02粉末的有效分离回收和循环利用、降低电子-空穴复合概率从而显著提高反应过程的量子效率，同时将光催化功能、电催化功能于一体，不仅可以单独进行光催化、电催化，还可以电催化降低光催化剂的电子-空穴复合概率促进光催反应效率，最终推进悬浮型Ti02光电催化技术在废水处理领域的应用，特别是在难降解有机废水处理及饮用水中三致物质的去除方面具有重要的应用前景。
【发明内容】
[0007]为了解决Ti02光催化技术中存在Ti02粉末难以分离、Ti02电子-空穴复合概率较大、反应装置的结构复杂等问题，本发明提供一种一体式光电催化-膜分离流化床反应装置，其具有光催化功能、电催化功能和膜分离功能，且传质性能良好、催化剂可循环回收利用、量子效率高、结构简单、节省能耗等优点。
[0008]为此，本发明的技术方案如下:
[0009]—种一体式光电催化-膜分离流化床反应装置，包括壳体、紫外光源、电极板、膜组件和曝气装置，所述壳体底部设有进水口、排水口，所述曝气装置、紫外光源、电极板和膜组件分别设置于所述壳体内部，所述膜组件的出水口与壳体的出水口相连接;所述紫外光源和膜组件之间的距离大于等于紫外光的穿透距离;所述电极板与膜组件的距离大于等于电极反应距离。
[0010]紫外光的穿透距离一般为一厘米左右。当紫外光源与膜组件的距离设置为的1厘米以上，就可以避免紫外光对膜的分解；当膜组件不设置在阴阳电极板之间，就可避免电流对膜的破坏。
[0011]所述膜组件为浸没式膜组件，优选U型膜组件或帘式膜组件。
[0012]所述曝气装置设置于所述壳体底部，优选曝气板或曝气管。
[0013]优选，所述紫外光源、电极板和膜组件在壳体内部呈左右中(右左中)、左右上(右左上)分布或者紫外光源环绕电极板而膜组件居于二者下方分布。
[0014]优选，所述紫外光源包括紫外灯或为紫外灯及其外面罩有的石英套或石英冷阱套。
[0015]优选，所述电极板为阴阳电极板，其中阳极可以是不锈钢、钛板或以导电基材如活性炭、钛板、泡沫镍、半导体氧化物ΙΤ0膜、导电玻璃、不锈钢片等作载体的负载催化剂的Ti〇2薄膜电极等，阴极可以是金属电极或石墨电极等。
[0016]优选，所述壳体的形状为长方体、正方体或圆柱。
[0017]优选，所述曝气装置是曝气板或曝气管，分别设置于紫外光源、电极板和膜组件的下部，并根据需要控制曝气板或曝气管上面曝气孔孔径的大小来调节紫外光源、电极板和膜组件所需要的曝气量的大小。
[0018]优选，所述壳体底部还设有排水口，用于排除反应装置内的废水和催化剂。
[0019]优选，所述壳体中间有内壳体，用于隔离紫外光源、电极板和膜组件。
[0020]优选，所述壳体有侧边进气口和底部进气口，侧边进气口用于曝气装置采用曝气管的进气，底部进气口用于曝气装置采用曝气板的进气和采用曝气板时漏液的排空。
[0021]采用本发明提供的一体式光电催化-膜分离流化床反应装置处理废水时具有以下效果:
[0022]1)在曝气气流的作用下，催化剂、废水、气泡、电极板在反应装置中可实现充分的混合与接触，在光催化反应区，污染物与被光子的激发的催化剂发生光催化氧化反应而被矿化成小分子物质；在电催化反应区，污染物与电极板充分接触直接或间接被氧化还原成小分子物质，同时在曝气气流的作用下，废水在反应装置中循环流动带动被光子激发的催化剂流经电催化反应区而促进光生载流子的分离。在光电协同作用下，污染物被有效地分解，能够达到较高的光电催化氧化反应效率。
[0023]2)紫外光源、电极板和膜组件均设置于同一反应器且之间仅用内壳体隔离，具有结构简单、易操作和维修等优点；同时膜组件有内壳体保护或者其设置距离大于光的穿透距离和电极反应距离，避免了膜被紫外光源分解和电流作用破坏。
[0024]3)底部设置有保证催化剂在反应体系中处于悬浮状态的曝气装置，上升的气泡通过膜表面时产生纵向剪切力，使膜丝发生抖动，从而能有效的避免催化剂在膜表面的附着进而减轻膜污染。
[0025]4)光催化反应区、电催化反应区和膜分离区在反应装置内呈现左右中(右左中)结构形式的布置时，反应装置底部曝气装置可根据需要在不同的区域设置不同孔径的曝气孔以调节出气量，降低了因设置多个曝气装置和同等曝气孔径而带来的高能耗。同时曝气装置在不同区域曝气量孔径的不同，使废水在光催化反应区、电催化反应区和膜分离区之间循环流动而具有高的废水处理效率。且反应装置底部曝气装置的曝气气流可加强膜丝的抖动作用，进一步避免或减轻膜污染。
[0026]5)光催化反应区、电催化反应区和膜分离区在反应装置内呈现光催化反应区环绕电催化反应区、膜分离区居于二者下方结构形式的布置时，若在反应装置底部曝气装置的光催化反应区设置大孔径的曝气孔，在电催化反应区设置小孔径的曝气孔，可使光催化反应区曝气量大于电催化反应区导致二者之间产生压力差，促使废水形成由光催化反应区—电催化反应区—膜分离区—光催化反应区的循环流动，使光催化反应区被光子激发的催化剂在电催化反应区电极作用下避免电子-空穴的复合而提高废水处理效率。若曝气量相同时，系统内就不存在内循环流动。
[0027]6)光催化反应区、电催化反应区和膜分离区在反应装置内呈现左右上(右左上)结构形式的布置时，若底部曝气装置在光催化反应区孔径大于电催化反应区孔径，可使二者之间产生压力差而形成光催化反应区—膜分离区—电催化反应区—光催化反应区的循环流动，使光催化反应区被光子激发的催化剂在电催化反应区电极作用下避免电子-空穴的复合而提高废水处理效率，废水得到充分的降解，提高了出水水质;若曝气量相同时，系统内就不存在内循环流动。
[0028]7)反应装置中的膜组件可以将催化剂截留在该反应装置中，同时通过采用适当类型的膜组件(如采用可截留废水中某一污染组分的膜组件)亦可将未被降解的污染物截留。
[0029]8)反应装置底部仅设置一个多功能曝气装置，可根据需要在不同的区域设置不同孔径的曝气孔以调节出气量，降低了因设置多个曝气装置而带来的高能耗。
【附图说明】
[0030]图1为实施例1中一体式光电催化-膜分离流化床反应装置的结构图；
[0031]图2为实施例2中一体式光电催化-膜分离流化床反应装置的结构图；
[0032]图3为实施例3中一体式光电催化-膜分离流化床反应装置的结构图；
[0033]图4为图2中Z-Z面剖示图；
[0034]图5为图2中S-S面剖示图。
【具体实施方式】
[0035]以下结合附图1和具体实施对本发明的结构进行详细描述。
[0036]实施例1