专利名称：铁系触媒高级氧化系统的制作方法
技术领域：
本发明是有关一种高级氧化系统，特别是关于一种铁系触媒高级氧化系统。
背景技术：
由于臭氧具有极强的氧化能力(其还原电位为2.07V)，且在水中易受氢 氧根离子(OH—)、紫外线(UV)、过氧化氢(HA)或触媒(催化剂)的催化产生还 原电位更高的氢氧自由基(0HO(其还原电位为2.80V)，因此，臭氧在水中与有机化合物的作用包括臭氧分子直接氧化水中有机化合物的直接臭氧化 作用(direct ozonator!)、以及臭氧分子衍生的氢氧自由基与水中有机化合 物进行氧化反应的自由基臭氧化作用(radical ozonation)两类。直接臭氧化作用具有高度的反应选择性，特别是对于含有未饱和键结的化合物，例如 芳香族苯环类、不饱和脂肪族及某些特定的官能团有极高的反应性，其反应 类型包括亲电基取代反应(electrophilic aromatic substitution)、偶极 环力口成反应(ozone addition reactions)、亲核基取代反应(nucleophilic aromatic substitution)、 电子转换反应(electron-transfer reactions) 与氧原子转换反应(oxygen-atom transfer reactions)，但直接臭氧化作用 无法完全氧化水中的有机化合物，仅能将水中的有机化合物转变为酸、醛及 酮类等高氧化态化合物。而自由基臭氧化作用是臭氧在水中分解成氢氧自由 基等氧化能力较大的二次氧化物(secondary oxidants)，这些二次氧化物通 过氢原子抽出反应(hydrogen atom abstraction)与水中的有机化合物作用 形成自由基式连锁反应(free radicals chain reactions),因此与有机化合物的反应不具选择性，可将水中有机化合物直接氧化成二氧化碳、水及无 害的盐类。表l是臭氧与氢氧自由基对各种有机化合物的反应速率常数，显 示自由基臭氧化作用的反应速率常数远大于直接臭氧化作用的反应速率常 数，因此将臭氧与水中有机化合物的反应机制控制在自由基连锁反应，以大幅提升氧化有机化合物的能力，即为所谓的高级氧化程序(advanced oxidation process; AOP)。目前已知的技术是借助臭氧/紫外线、臭氧/过 氧化氢、臭氧/紫外线/过氧化氢、臭氧/金属触媒或臭氧/紫外线/金属触媒 所组成的高级氧化系统产生高级氧化程序，以氧化水中的有机化合物降低总 有机碳(T0C)，由于金属触媒具有不需额外添加药剂以及耗用电能的优点， 因此成为结合高级氧化程序的最新发展趋势，其中又以铁系金属触媒由于没 有重金属污染的疑虑而成为主要的研究对象。铁系金属触媒包括异相氧化铁 触媒以及均相铁离子触媒，在研究或应用上，都是分开使用，而没有合并使 用的技术，此外，现有结合均相铁离子触媒的高级氧化系统是通过添加氯化 铁至氧化槽中而形成均相铁离子触媒，为一种批次式(batch)的处理方式， 无法连续产生均相铁离子触媒，造成使用上的不便，尤其当待处理水连续产 生且需实时处理时更是如此。表l反应速率常数(1/mol-sec)有机化合物臭氧氢氧自由基酚类譲109-10'°芳香族类1-10010fi-10'°含氮的有机物10-10010"-10"'氯的烯属经0.1-1000109-10"烷烃类0. 01l(f-lO9酮类1109-10'°醇类0.01-110s-109因此， 一种同时使用异相氧化铁触媒与均相铁离子触媒且连续产生均相 铁离子触媒的铁系触媒高级氧化系统，是所期望的。发明内容本发明的主要目的在于提供一种同时使用异相氧化铁触媒与均相铁离 子触媒的铁系触媒高级氧化系统。特别地，本发明的目的在于提供一种连续产生均相铁离子触媒的铁系触 媒高级氧化系统。本发明提供了一种铁系触媒高级氧化系统，用于处理废水，该系统包括-臭氧产生机，用以产生臭氧；氧化反应槽，该氧化反应槽连接所述臭氧产生 机，使待处理水与该臭氧产生反应，以氧化待处理水中的有机化合物；紫外 线氧化平台，该紫外线氧化平台连接所述氧化反应槽，利用紫外线促进臭氧 的自由基反应途径，以进一步氧化待处理水中的有机化合物；异相氧化铁触 媒反应槽，该异相氧化铁触媒反应槽连接所述紫外线氧化平台，利用氧化铁 触媒再次促进臭氧的自由基反应途径，以持续氧化待处理水中的有机化合 物；以及均相铁离子触媒反应槽，该均相铁离子触媒反应槽连接所述异相氧 化铁触媒反应槽，且均相铁离子触媒反应槽与所述氧化反应槽连通，用于实 现使来自异相氧化铁触媒反应槽的处理后水的一部分流经均相铁离子触媒 反应槽以产生均相铁离子触媒并回流至所述氧化反应槽，以提供均相铁离子 触媒使所述氧化反应槽的反应产生自由基反应途径。本发明同时使用异相氧化铁触媒与均相铁离子触媒促进臭氧的自由基 反应途径，并利用处理后水产生均相铁离子触媒并回流至氧化反应槽，以连 续产生均相铁离子触媒，促进臭氧的自由基反应途径，增加使用上的便利性。
图1为本发明的铁系触媒高级氧化系统的示意图。 图中主要符号说明100铁系触媒高级氧化系统 112储桶114加压泵116过滤装置118反冲洗式滤网过滤装置120塔式过滤机122纯氧产生机124臭氧产生机126臭氧注入单元128氧化反应槽130气液分离装置132尾气处理单元134背压控制阀136紫外线氧化平台138异相氧化铁触媒反应槽140均相铁离子触媒反应槽142添加单元144其它处理程序具体实施方式
图1为本发明的铁系触媒高级氧化系统100的示意图，从图中可以看出，该铁系触媒高级氧化系统100包括储桶112,用以收集待处理水；纯氧产生机122，用以产生纯氧以供应 连接纯氧产生机122的臭氧产生机124产生臭氧，以进一步将该臭氧提供给 连接臭氧产生机124的氧化反应槽128;加压泵114，提供高压水流，使所 述待处理水从储桶112流经介于储桶112与氧化反应槽128之间的过滤装置 116、以及介于臭氧产生机124与氧化反应槽128之间的臭氧注入单元126， 以产生微气泡的气液混合臭氧水，该气液混合臭氧水注入氧化反应槽128 进行氧化反应。作为优选的方案，氧化反应槽128为压力氧化反应槽，以进 一步将臭氧溶入该待处理水中，增加该待处理水中臭氧的浓度。氧化反应槽 128具有气液分离装置130以分离残余的臭氧及氧气；尾气处理单元(例如 高温触媒处理单元)132连接氧化反应槽128，利用吸收及氧化原理将氧化反 应槽128中残余的臭氧及氧气吸收至触媒上，经由高温触媒反应将其分解以 避免对环境造成污染；背压控制阀134连接氧化反应槽128，用以控制氧化 反应槽128的水压力，使氧化反应槽128的水压力维持在一设定值；紫外线 氧化平台136,经背压控制阀134连接氧化反应槽128，用以促进臭氧的自由基反应途径，以进一步氧化该待处理水中的有机化合物；异相氧化铁触媒 反应槽138连接紫外线氧化平台136,利用氧化铁触媒(例如氧化铁颗粒)再 次促进该臭氧的自由基反应途径，以持续氧化该待处理水中的有机化合物；均相铁离子触媒反应槽140连接异相氧化铁触媒反应槽138，且均相铁离子 触媒反应槽140与所述氧化反应槽128之间是连通的，利用该待处理水经氧 化反应槽128、紫外线氧化平台136及异相氧化铁触媒反应槽138后产生的 处理后水的部分流经均相铁离子触媒反应槽140以产生均相铁离子触媒，例 如二价或三价的铁离子，并回流至氧化反应槽128以促进氧化反应槽128 与紫外线氧化平台136的自由基反应途径，均相铁离子触媒反应槽140可通 过管路直接与氧化反应槽128连通，也可与水流进入氧化反应槽128之前的 任一单元或管路连接从而与氧化反应槽128连通，例如均相铁离子触媒反应 槽140连接储桶112，处理后水的部分流经均相铁离子触媒反应槽140后经 储桶112至氧化反应槽128;添加单元142用以添加药剂以控制氧化反应槽 128中待处理水的酸碱值，例如添加单元142连接储桶112，用以添加氢氧 化钠至储桶112中使进入氧化反应槽128的该待处理水为碱性，以增加氢氧 根离子(OH—)的浓度，进一步促进臭氧的自由基反应途径。其中，过滤装置 116包括去除粒径大于5微米微粒的过滤装置，例如反冲洗式滤网过滤装置 118串联塔式过滤机120，利用反冲洗式滤网过滤装置118去除粒径大于25 微米的微粒，再利用塔式过滤机120去除粒径大于5微米的微粒。在不同的 实施例中，均相铁离子触媒反应槽140与添加单元142可分别直接与氧化反 应槽128连接，或者与进入氧化反应槽128之前的液体路径连接，使氧化反 应槽128中的待处理水具有均相铁离子触媒且为碱性，以促进臭氧的自由基 反应途径。参照图l，添加单元142提供药剂，例如氢氧化钠，以控制收集在储桶 112中的待处理水的酸碱度，使储桶112中的待处理水呈碱性；纯氧产生机 122产生纯氧供臭氧产生机124产生臭氧以提供给臭氧注入单元126;呈碱性的待处理水经加压泵114加压流经过滤装置116以及臭氧注入单元126， 借助过滤装置116去除该待处理水中的微粒，例如粒径大于5微米的微粒， 同时利用水流经过臭氧注入单元126的压差形成负压的原理将臭氧吸入，以 产生微气泡的气液混合臭氧水注入氧化反应槽128进行氧化反应，通过直接 臭氧化作用及臭氧与氢氧根离子产生的自由基反应途径，将该待处理水中的 有机化合物分解成为中间产物(例如有机酸)、二氧化碳、水及无害的盐类； 氧化反应槽128中残留的臭氧及氧气经气液分离装置130分离后导入尾气处 理单元132，利用触媒吸收及氧化原理，将残余的臭氧及氧气破坏后排出， 以避免造成环境的污染；经过氧化反应槽128的待处理水进入紫外线氧化平 台136，通过臭氧和紫外线作用产生自由基反应途径，持续氧化在氧化反应 槽128中尚未氧化的有机化合物及部分氧化的中间产物，使其分解为中间产 物(例如有机酸)、小分子有机酸、二氧化碳、水及无害的盐类；经过紫外线 氧化平台136的待处理水进入异相氧化铁触媒反应槽138，借助吸附于氧化 铁触媒表面的臭氧分解为氧原子或分子基，与紧邻氧化铁触媒表面的有机化 合物反应，形成氧化铁触媒表面自由基反应途径，持续氧化在紫外线氧化平 台136中尚未氧化的有机化合物及部分氧化的中间产物，使其分解为小分子 有机酸、二氧化碳、水及无害的盐类，以产生处理后水进行其它处理程序 144。此时，引流小于10。/。的处理后水，例如3%-5%的处理后水，经过均相铁 离子触媒反应槽140回流至储桶112，由于处理后水具有饱和溶氧且均相铁 离子触媒反应槽140中具有金属铁材料，该金属铁材料包括金属铁粉(例如 粒径为10微米的铁粉)经粉末冶金烧结而成的铁，当具有饱和溶氧的处理后 水流过该金属铁材料时，该金属铁材料以一定的速率溶解出溶解态的铁离子 或小分子态的氧化铁形成均相铁离子触媒，例如二价或三价的铁离子，因此 可连续产生均相铁离子触媒，使储桶112中的待处理水包含均相铁离子触 媒，经加压泵114加压进入氧化反应槽128及紫外线氧化平台136，以持续 促进氧化反应槽128与紫外线氧化平台136中臭氧的自由基反应途径。以T0C在13mg/L至17mg/L之间的半导体工艺尾气处理设备(例如湿式 洗涤塔)产生的废水为例，在碱性环境下(例如pH二8)，该废水经本发明的铁 系触媒高级氧化系统处理后，T0C可减少至4mg/L，其中，该半导体工艺尾 气处理设备产生的废水中的TOC来源包括异丙醇(IPA)、丙酮、环戊酮、丙 二醇单甲基醚(PGME)及丙二醇单甲基醚酯(PGMEA)等。本发明以臭氧/紫外线/异相氧化铁触媒/均相铁离子触媒组成铁系触媒 高级氧化系统，利用具有饱和溶氧的处理后水通过经由粉末冶金烧结而成的 铁材料产生均相铁离子触媒，使均相铁离子触媒能连续产生以持续提供给氧 化反应槽促进自由基反应途径，达到便于使用的目的。
权利要求
1.一种铁系触媒高级氧化系统，用于处理废水，该系统包括臭氧产生机，用以产生臭氧；氧化反应槽，该氧化反应槽连接所述臭氧产生机，使待处理水与所述臭氧产生反应，以氧化待处理水中的有机化合物；紫外线氧化平台，该紫外线平台连接所述氧化反应槽，利用紫外线促进臭氧的自由基反应途径，以进一步氧化待处理水中的有机化合物；异相氧化铁触媒反应槽，该异相氧化铁触媒反应槽连接所述紫外线氧化平台，利用氧化铁触媒再次促进臭氧的自由基反应途径，以持续氧化待处理水中的有机化合物；以及均相铁离子触媒反应槽，该均相铁离子触媒反应槽连接所述异相氧化铁触媒反应槽，且均相铁离子触媒反应槽与所述氧化反应槽连通，用于实现使来自异相氧化铁触媒反应槽的处理后水的一部分流经均相铁离子触媒反应槽以产生均相铁离子触媒并回流至所述氧化反应槽，以提供均相铁离子触媒使所述氧化反应槽的反应产生自由基反应途径。
2. 如权利要求l所述的铁系触媒高级氧化系统，该系统还包括过滤装 置，该过滤装置连接所述氧化反应槽，用以在待处理水进入氧化反应槽前 去除待处理水中的微粒。
3. 如权利要求2所述的铁系触媒高级氧化系统，其中所述过滤装置包 括滤除粒径大于5微米微粒的装置。
4. 如权利要求2所述的铁系触媒高级氧化系统，其中所述过滤装置包括反冲洗式滤网过滤装置；以及塔式过滤机，该塔式过滤机与所述反冲洗式滤网过滤装置串联。
5. 如权利要求l所述的铁系触媒高级氧化系统，该系统还包括纯氧产 生机，该纯氧产生机连接所述臭氧产生机，以产生纯氧供臭氧产生机使用。
6. 如权利要求l所述的铁系触媒高级氧化系统，其中所述氧化反应槽 包括气液分离装置，以分离残余的臭氧及氧气。
7. 如权利要求6所述的铁系触媒高级氧化系统，该系统还包括尾气处理单元，该尾气处理单元连接所述氧化反应槽，用以分解残余的臭氧及氧 气。
8. 如权利要求7所述的铁系触媒高级氧化系统，其中所述尾气处理单 元包括高温触媒处理单元。
9. 如权利要求l所述的铁系触媒高级氧化系统，该系统还包括臭氧注 入单元，该臭氧注入单元设置于所述臭氧产生机与氧化反应槽之间，用以 将臭氧产生机产生的臭氧注入氧化反应槽。
10. 如权利要求l所述的铁系触媒高级氧化系统，该系统还包括背压控 制阀，该背压控制阀设置于所述氧化反应槽与紫外线氧化平台之间，以控 制氧化反应槽的水压力。
11. 如权利要求l所述的铁系触媒高级氧化系统，该系统还包括添加单 元，用以添加药剂至废水中以控制待处理水的酸碱值。
12. 如权利要求ll所述的铁系触媒高级氧化系统，其中所述药剂包括 氢氧化钠。
13. 如权利要求l所述的铁系触媒高级氧化系统，其中所述均相铁离子 触媒反应槽中设置有金属铁材料。
14. 如权利要求13所述的铁系触媒高级氧化系统，其中所述金属铁材 料包括金属铁粉经粉末冶金烧结而成的铁。
15. 如权利要求14所述的铁系触媒高级氧化系统，其中所述金属铁粉 包括粒径为10微米的铁粉。
16. 如权利要求l所述的铁系触媒高级氧化系统，其中所述均相铁离子触媒包括二价的铁离子。
17. 如权利要求l所述的铁系触媒高级氧化系统，其中所述均相铁离子触媒包括三价的铁离子。
18. 如权利要求l所述的铁系触媒高级氧化系统，其中所述氧化反应槽 包括压力氧化反应槽。
全文摘要
本发明提供了一种铁系触媒高级氧化系统，通过同时使用异相氧化铁触媒与均相铁离子触媒促进臭氧的自由基反应途径，并利用处理后水产生均相铁离子触媒并回流至氧化反应槽，以连续产生均相铁离子触媒，促进臭氧的自由基反应途径。
文档编号C02F1/00GK101306866SQ200710103888
公开日2008年11月19日 申请日期2007年5月17日 优先权日2007年5月17日
发明者卢宗隆, 商能洲, 张朝谦 申请人:卢宗隆;商能洲;张朝谦