专利名称：高效光催化水处理的方法与设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高效光催化水处理的方法与设备。
背景技术：
由于粉末态TiO2催化剂难回收，阻碍了光催化技术在废水处理中的应用。随着TiO2光催化剂负载技术研究的深入，固定态TiO2被越来越多地应用到光催化反应器的开发中。已报道的用于负载TiO2的载体有金属、玻璃和陶瓷等，但是一些催化剂易脱落，在实际应用中被污染后活性难以恢复。已报道的反应器大多为实验室规模，处理量小，有的反应器设计复杂，难以在实际中应用。
CN01130821.4一种用于水处理的光催化反应器，以一个垂直设置的压力进水管为轴心，于不同高度上有间隔地叠设多级锥形圆盘，设置顺序按圆盘直径为自下而上地依次减小；各圆盘均与水平呈一倾斜角度；各圆盘的周缘有一集水槽，该集水槽内径与相应圆盘直径相同，而外径大于该圆盘外径，各集水槽底部设有相对称的两个集水管，每一级圆盘的集水管均用连接管与下一级圆盘的布水器连接；最后一级的出水管与循环水箱或排水管相接；各圆盘与进水管结合处上方设有布水器，进水管与布水器结合处有多个沿进水管圆周水平等距离分布的圆孔；进水管的顶部设有一水平圆形挡板，其直径略小于布水器直径，其高度低于布水器顶端高度。
CN01113708.8一种用于废水或废气处理的污染物降解用光催化反应器，由反应器筒体、传光器件和配光器件组成，在反应器筒体上设有口，配光器件由光纤和光催化剂颗粒组成，光催化剂颗粒负载在光纤上，在传光器件与配光器件之间设有光纤耦合器，传光器件通过光纤耦合器与配光器件连接。光纤耦合器使传光器件与配光器件中的光纤采用不同的光纤，从而有利于提高本发明降解污染物的能力。
CN02156875.8一种用于光催化降解水中有机污染物的流化光催化反应器和利用该反应器实施水处理的工艺。该反应器主体为套管结构，内管中设置光源，内外管间的空间为反应器的腔体部分，在该反应器腔体内的上下适当部位分别设置有可限定催化剂颗粒的多孔烧结挡板，在该反应器主体的下部设有进气口，反应器主体外侧壁设置反应介质的进液口和出液口，二者之间设置可使介质循环的装置。本发明还涉及利用该流化光催化反应器实现的处理废水的工艺方法，待处理废水从进液口通入反应器腔体中，同时从下部的进气口向反应器腔体内供氧使催化剂颗粒保持流化状态，利用循环泵使出液口流出的水实现循环，直至达到净化标准。
CN200410071921.3一种转筒式光催化反应器，包括水槽，紫外灯，转筒，所述水槽上设置有进水口和出水口，所述转筒的两端通过设置有轴承的支撑板与支架连接，所述转筒水平设置在所述水槽内，调速电机通过同步齿型带与转筒外壁上的齿轮咬合进行传动，所述转筒的内壁上涂有二氧化钛光催化剂薄层，所述紫外灯设置在所述水槽的一侧或两侧的开孔处，本发明是将反应器的主体部分设计成转筒式，在转筒上负载催化剂TiO2膜通过调节转筒的转速来改变处理废水和催化剂的分布，增加了催化剂、反应物和光源之间的接触面，占地面积小，催化剂表面液体更新速度快。
CN01265866.9一种大流量管式光催化反应器，包括动力驱动装置、光源、光催化管；在上、下支撑件之间放有光催化管，在光催化管内或光催化管之间放有紫外光源；在光催化管内或内外表面均负载有光催化剂；光催化管的两端分别为进口和出口；本实用新型可提高光催化反应器的吸光效率和反应面积，对有害气体或水中污染物的光解效率高，风阻小，处理量大；光催化反应管采用串联或并联的方式，用于空气净化或水处理，可满足大、小不同处理量的要求。
CN02225247.9一种三相三维电极光催化反应器，及其用于处理有机废水。该光催化反应器由壳体、三维粒子电极、阴电极微孔钛板、阳电极钛网以及光源UV灯和光催化剂构成。它将三相三维电极和光催化技术巧妙结合，不仅能利用阳极地偏压有效地捕获光生电子，提高二氧化钛的光催化氧化效率，而且能利用三维阴极现场产生强氧化剂H2O2的间接电化学氧化和此H2O2的光催化氧化。此外，该反应器利用微孔金属钛板将一个馈电极和曝气板合二为一，不仅使反应器结构紧奏和合理，而且此钛板的孔径很小，能产生极为均匀的微小气泡，能增加空气中的氧气在水中的溶解速度，因而提高了光催化去除有机污染物的效率。该光催化反应器特别适用于高效处理有机废水。
上述圆盘结构反应器、利用光纤负载TiO2的光催化反应器、催化剂颗粒流态化反应器、转筒式反应器和三相三维电极光催化反应器的设计尚需进一步简化，降低设备造价和操作成本，以适应大流量的实际废水处理；一些反应器中催化剂的有效光照面积可以进一步提高，增强光催化降解效果；负载TiO2催化剂的载体的机械强度、耐腐蚀性能需要进一步改进，提高对多种类水体的通用性；CN01265866.9“一种管式光催化反应器”仅在处理气体时可以实现大流量，而在用于废水治理时流量将受到限制。这些反应器如果配置完善的光、电控制系统，才能更加实用。
本发明依托国家863课题“多相光催化氧化技术与设备开发”，以已经在申请的专利“TiO2光催化在陶瓷表面的负载方法”(申请号200510040893.3)为基础，制备具有高机械强度、抗震动、耐破损、低成本等优点的炻器光催化膜反应管。光源以低压汞灯为主，降低废水处理的能耗，集光、电控制为一体，实现机电一体化的实用废水处理设备。
发明内容
本发明目的是提供一种高效光催化水处理的方法与设备，提供一种同时灭菌和去污的水处理的方法与设备。该方法和设备适用于以较大流量高效处理微污染的工业废水，水处理后能达到回用要求。同时对微污染的饮用水源水净化处理后能够使用。设备的主体为炻器光催化膜反应管，管的内壁负载有TiO2纳米薄膜。各膜反应管之间可按需要实现串联或并联。采用射流装置为溶液增氧，配置回流装置强化传质效果。
本发明的目的还在于设有光源和温度传感器，集光电控制为一体，实现废水处理设备的机电一体化。
本发明的目的是这样实现的高效光催化水处理的方法，将内壁负载有TiO2膜的炻器管，炻器管的轴心放置透明管，套管内再放置紫外光源构成膜反应管；立式安装膜反应管，处理的水从膜反应管下面流入，从膜反应管上部流出，设有水的流量控制，水在膜反应管内的停留时间即为光催化反应时间。
本发明的改进是各膜反应管的进水口有阀门，膜反应管出口与相邻膜反应管的进口有管道连接并设有阀门，可根据需要利用阀门的转换实现串联或并联；各膜反应管的出水端反馈部分水量至进水口，进行回流设定。通过控制回流比确保膜反应管内的流态为湍流。
光源以低压汞灯为主，相对中压汞灯可大幅降低能耗。
光催化温度一般在室温或高于室温的条件，如控制在15-45℃，尤其是35-45℃同时利用化学增氧或压缩空气增氧，包括射流器通过增氧泵对给容器内如水槽内废水循环实现系统增氧从反应管的上面流出，利用射流器通过增氧泵对给水槽内废水循环实现系统增氧。
废水由底部经分布器均匀进入膜反应管并由上端流出，上端法兰配置温度测定和紫外感应装置；所有膜反应管采用立式安装，防止沉积物对膜的污染、避免流动死区；配置回流装置确保膜反应管内的流态为湍流。
在所有膜反应管中均匀配置少量300W-1000W的中压汞灯，按实际需要提高有机物降解速率并维持反应温度在35℃-45℃之间，确保低压汞灯的最佳发光温度。根据实际需要确定中压汞灯是否开启；一种高效光催化水处理设备。内壁负载有TiO2膜的陶瓷或炻器管为主要催化元件，陶瓷或炻器管的轴心放置透明管，套管内轴心位置再放置紫外光源构成膜反应管；立式安装膜反应管，一起组成陶瓷或炻器构成的光催化膜反应管，多只各膜反应管的进水口有阀门，膜反应管与出口与相邻膜反应管管的进口有管道连接并设有阀门，各膜反应管之间按需要进行串联或并联；设有增氧装置为溶液增加活性氧。并配置回流装置强化传质效果，配置完善的控制系统，实现光、机、电一体和整机化。
内壁负载有TiO2膜的陶瓷或炻器管采用塑料管夹套固定，膜管两端采用不锈钢法兰密封，并将从两端密封透明管和灯管的密封套固定，废水由底部经分布器均匀进入膜管并由上端出口流出，上端法兰处设有温度传感器和紫外感应器。
紫外光源以低压汞灯为主，配置少量中压汞灯。根据实际需要确定中压汞灯是否开启。
在通过增氧泵对给储水容器如水槽进行独立循环时利用射流器实现活性氧的增加，包括水泵电源、光源电源、光源故障报警、反应温度显示，以及反应时间的显示。水泵电源包括主泵电源、增氧泵电源和回流泵电源。
每个光源有独立电源开关，某一光源非正常熄灭时报警并显示光源编号。
温度和时间显示，其特征是可选择显示任一膜反应管内的反应温度，反应时间可从开启主泵或开启光源时计时并用自动计时器显示。
所有膜反应管采用立式安装，防止沉积物对膜的污染、避免流动死区；各膜反应管之间可根据需要利用阀门的转换实现串联或并联；为避免承受太高的压力导致膜反应管损坏，所有膜反应管分组并联，需要的时候再进行串联；利用射流器通过增氧泵对给水槽内废水循环实现系统增氧；配置回流装置确保膜反应管内的流态为湍流，强化传质效果。
上述炻器管内壁的TiO2膜是这样负载的将钛酸丁酯、水、冰醋酸和正丁醇按照一定的摩尔比用量制备溶胶，然后将清洗、干燥好的炻器管直立、封底，加入溶胶，使溶胶有效地浸没管内壁，静置4-10分钟后，恒速放尽溶胶，然后晾干以程序升温的方式在400～500℃下焙烧1-2h。随炉冷却后，重复上述过程4～6次。
上述设备中配置少量中压汞灯，这样不但可以提高难降解废水的处理速率，减少膜管数量，避免设备过于庞大，还可以起到维持系统反应温度的作用，因为低压汞灯的最佳光效温度为40℃。
上述设备的控制系统除水泵电源外，还包括每个光源电源的控制、光源非正常熄灭报警、膜反应管内水温显示、以及反应时间的显示。
本发明的特点是采用溶胶凝胶法负载于炻器管内壁的TiO2膜为纳米级、催化活性高、负载牢固；炻器管抗震、耐腐蚀、成本低，适于实际应用；以低压汞灯为主要光源，能耗低；膜管组装方便、工艺设计简单，易于操作；适于微污染水的深度处理，可实现大流量的废水处理；设备集光电一体、机电一体、整机化。
四
图1是本发明光催化反应管示意图。
图2是本发明设备工艺流程图。
图3是本发明设备装配图(正视3A、侧视3B、俯视3C)
热电偶1、石英管密封件2、出水口3、密封法兰4、汞灯5、石英管6、陶瓷管7、PVC套管8、光催化反应管9、框架10、机柜11、蓄水箱12、射流进水阀13、射流出水阀14、排污泵15、排污总阀16、主泵17、进水流量计18、回流流量计19、进水口20、光催化反应管的出水阀21、取样口22、相邻反应管的流通阀23、相邻反应管的进水阀/排污阀24。
五具体实施例方式
将钛酸丁酯、水、冰醋酸和正丁醇按照1～3∶2～4∶6～9∶8～12的摩尔比用量制备溶胶，然后将清洗、干燥好的炻器管直立、封底，加入溶胶，使溶胶有效地浸没管内壁，静置4～10min，以3～6cm.min-1的下降速度放出溶胶，晾干后于智能型箱式电阻炉内以每分钟1～3℃的速度程序升温至400～500℃焙烧1～2h。随炉冷却后，重复上述过程4～6次。SEM测定膜的厚度为200～300nm，TiO2颗粒粒径为10-30nm。
将负载好TiO2薄膜的炻器管按照附图1所示组成TiO2光催化膜反应管。废水由膜反应管底部进入，由上端流出，在膜反应管内的停留时间即为光催化反应时间。
按照附图2所示工艺将组装好的膜管连接，通过阀门控制实现膜管之间的串联或并联，这样既可以适应不同的实际废水处理工艺要求，而且方便膜管的维修。
在所有膜反应管中均匀配置少量300W-1000W的中压汞灯，按实际需要提高有机物降解速率并维持反应温度在35℃-45℃之间，确保低压汞灯的最佳发光温度。
在附图3所示控制柜中安装每个光源相应的电源开关、每个膜反应管内的水温显示器、每个光源的非正常熄灭报警器、反应时间自动计时器，以及显示主流量和回流量的流量计。
进行废水处理时，先开启光源预热5-10分钟，同时开启增氧泵为给水槽内的废水增氧。然后开启主泵，以预设的流程流经膜反应管开始光催化反应并计时，调节主流量和回流量至出水达到降解要求。
本发明利用14根长1600mm×内径80mm的膜反应管配置14个150W低压汞灯和4根长500mm×内径80mm的膜反应管配置5个1000W中压汞灯，处理微污染废水的结果如下当水处理量为0.5t/h时，苯酚模拟废水的COD值由80mg.L-1降低为16mg.L-1，去除率为80.5％；印染废水的COD值由104mg.L-1降低为37mg.L-1，去除率为64.4％；制药废水的COD值由63mg.L-1降低为19mg.L-1，去除率为70％；南京市秦淮河水COD值由24mg.L-1降低为12mg.L-1，去除率为50％，大肠菌群和细菌总数的灭菌率均为100％。
权利要求
1.一种高效光催化水处理设备，其特征是采用内壁负载有TiO2膜的陶瓷或炻器管为元件，陶瓷或炻器管的轴心放置透明套管，套管内轴心位置再放置紫外东灯光源构成膜反应管；立式安装膜反应管，一起组成陶瓷或炻器构成的光催化膜反应管，各膜反应管的进水口有阀门，膜反应管的出口与相邻膜反应管的进口有管道连接并设有阀门，各膜反应管之间按需要进行串联或并联；设有增氧装置为溶液增加活性氧。
2.由权利要求1所述的高效光催化水处理设备，其特征是配置有回流装置强化传质效果，设有控制系统，实现光、机、电一体和整机化。
3.由权利要求1所述的高效光催化水处理设备，其特征是所述陶瓷或炻器光催化膜反应管，内壁负载有TiO2膜的陶瓷或炻器管采用塑料管夹套固定，膜管两端采用不锈钢法兰密封，并将从两端密封透明管和灯管的密封套固定，废水由底部经分布器均匀进入膜管并由上端出口流出，上端法兰处设有温度传感器和紫外感应器。
4.由权利要求3所述的高效光催化水处理设备，其特征是紫外光源以低压汞灯为主，配置少量中压汞灯。
5.由权利要求1所述的高效光催化水处理设备，其特征是设有增氧泵对给水容器进行独立循环时利用射流器实现活性氧的增加。
6.高效光催化水处理的方法，其特征是将内壁负载有TiO2膜的陶瓷或炻器管，陶瓷或炻器管的轴心放置透明管，套管内再放置紫外光源构成膜反应管；立式安装膜反应管，处理的水从膜反应管下面流入，从膜反应管上部流出，设有水的流量控制，水在膜反应管内的停留时间即为光催化反应时间。
7.由权利要求6所述的高效光催化水处理的方法，其特征是通过控制回流比确保膜反应管内的流态为湍流。
8.由权利要求6所述的高效光催化水处理的方法，其特征是温度在室温或高于室温的条件，控制在15-45℃，尤其是35-45℃。
9.由权利要求6所述的高效光催化水处理的方法，其特征是同时利用化学增氧或压缩空气增氧，包括射流器通过增氧泵对给容器内如水槽内废水循环实现系统增氧从反应管的上面流出，利用射流器通过增氧泵对给水槽内废水循环实现系统增氧。
10.由权利要求6所述的高效光催化水处理的方法，其特征在所有膜反应管中均匀配置少量300W-1000W的中压汞灯，根据实际需要确定中压汞灯是否开启；按实际需要提高有机物降解速率并维持反应温度在35℃-45℃之间，确保低压汞灯的最佳发光温度。
全文摘要
本发明涉及一种高效光催化水处理的方法与设备。将内壁负载有TiO
文档编号B01J35/00GK1810665SQ20051009488
公开日2006年8月2日 申请日期2005年10月18日 优先权日2005年10月18日
发明者史载锋, 冯冠华, 孔德双, 孔令仁, 孔丽萍, 任学昌 申请人:南京大学