多级连续式光催化水净化反应器及其水处理方法

专利名称：多级连续式光催化水净化反应器及其水处理方法
技术领域：
本发明属于环境净化技术领域，特别涉及一种多级连续式光催化水净化反应器 及其水处理方法。
背景技术：
利用可见光或紫外光激发光催化剂活化分子氧或过氧化氢等氧化剂的光催化氧 化系统近年来得到了广泛的关注和应用，如光解水、选择性有机合成、水处理、空气净 化和抗肿瘤应用等，尤其是在污染物处理方面，利用产生的活性氧物种可以有效地把绝 大多数有毒有机污染物氧化分解为二氧化碳、水和无机离子。最具有应用前景的光催化 技术按照所用光催化剂可分为两类以半导体氧化物(如TiO2及其改性材料)为光催化 剂的半导体光催化和以金属(如FeIlAn)及其配合物为光催化剂的过渡金属光催化体系。 研究表明半导体光催化只在纳米分散的体系中光催化效率较高，负载或成膜后由于表 面积、受光面积等的影响效率急剧下降，半导体光催化剂的分离一直是困扰该体系的规 模化应用的关键因素。过渡金属光催化通过廉价无毒的Feiwn及其配合物为光催化剂，过 渡金属光催化剂可以全部回收或者不回收，并且其效率也高于前者，不过需要过氧化氢 作为氧化剂。上述两类光催化技术走向实用化的关键步骤和共同难题是高效光催化反应 器的研制。光催化反应器作为光催化反应的主体设备决定了光催化剂活性的发挥和对光 的利用，也将直接影响光催化反应的效率。一个成功的光催化反应器必然体现了光催化 剂活性和光源利用的最优化组合。如何提高对光源的利用率及使光催化剂活性得到最大 发挥已成为光催化反应器研制和开发的中心。光催化反应器与传统的反应器比较，设计更复杂。光催化反应器的设计参数包 括操作模式、相存在方式、流动特征、热交换条件、反应混合物组成及操作条件等。 除了考虑传统反应器的质量传递和混合、反应物和光催化剂的接触、流动方式、反应动 力学、异相体系催化剂的负载、温度的控制外，还要考虑光源的配置、光在反应器的传 播与分布、光照的均勻性和通透性、光源的特点等因素。这对光催化反应器的理论分 析、实验研究和工业化应用都带来了困扰，尤其异相体系固体催化剂的存在更增加了问 题的难度。目前，国内外研究重点集中在半导体异相光催化反应器的设计上，主要使用半 导体纳米二氧化钛(TiO2)作为光催化剂，主要有两大类型的光催化反应器一类是悬浮 式光催化反应器，另一类是负载式光催化反应器。悬浮式光催化反应器是研究较早的光 催化反应器，如鼓泡式光催化反应器、脉冲挡板管式光催化反应器、泰勒漩涡光催化反 应器、降膜层流光催化反应器。这类光催化反应器基本不存在传质的限制，反应速率 较高，结构简单，操作方便。但主要存在三方面的问题(1)光催化剂的颗粒大小和光 催化活性以及悬浮与沉积存在难以解决的矛盾，光催化剂颗粒小，悬浮好，光催化活性 好，但难于分离；太大，易发生沉积且光催化活性下降。(2)光催化剂对光散射和透射 影响光催化剂对光的有效吸收；(3)光催化剂难以分离回收。第二类负载式光催化器是将光催化剂固载在一定载体材料上的反应器，既可处理液态，又可处理气态污染物。根 据载体材料和光催化剂TiO2在载体上的不同形式，可划分为镀膜式和填充床式。前者 是光催化剂在载体表面以膜的形式存在，如将光催化剂TiO2涂覆在反应器内外壁、紫外 灯管外壁、玻璃管内外壁、玻璃片、不锈钢片、光导纤维管壁等表面而形成光催化剂薄 膜，在紫外光辐照下，可将吸附在膜表面的污染物有效降解和矿化，避免了光催化剂的 沉降和分离问题。后者填充床光催化反应器是以表面涂有TiO2膜的三维结构的硅胶、氧 化铝、石英砂、玻璃珠等，或者直接以TiO2颗粒制成固定式或流化式填充床，通过内置 或外置光源进行光催化反应。和悬浮式反应器相比，不需要光催化剂的分离，和镀膜式 反应器比较，它不受传质的限制。但是负载型光催化反应器也存在以下几方面问题(1) 光催化剂的制备相对复杂；(2)光催化剂长期使用造成脱落流失；(3)光催化剂对光的吸 收效率较低。总的说来，在以往的光催化反应器的研制过程中，注重光催化剂及其负载，注 重传质效率，往往忽视了光催化的另外一个主要内容，光源的分布和光源的使用效率。 事实上，如何有效的配置光源，以达到对光的更有效利用，在某种程度上将比传质效率 更重要。另外，目前光催化反应器主要集中在TiO2异相光催化反应器的研制，没有考虑 同样高效的其它光催化体系的应用，如金属及其配合物光催化体系，并且以往所研制的 光催化反应器都是以演示效果为目的，水处理能力极为有限，目前还没有能够达到实用 规模的光催化水净化反应器。

发明内容
本发明的目的在于提供一种多级连续式光催化水净化反应器，该多级连续式光 催化水净化反应器能够有效降解及矿化高毒性难降解有毒有机污染物及一般性有机污染 物，可用于被污染饮用水、工业废水及城市生活污水中各类型污染物的深度净化处理。本发明的再一目的在于提供利用该多级连续式光催化水净化反应器处理污染水 的方法。本发明提供的多级连续式光催化水净化反应器区别于以往的同类反应器，在设 计过程中除了考虑半导体催化剂负载方式及传质效率等重要因素外，主要集中在如何提 高光源利用效率上，通过理论计算和小试实验相结合的方式，确定不同光源的最佳距 离，而且该多级连续式光催化水净化反应器不单是为了传统半导体光催化体系而设计， 还适用于均相光催化反应体系，并可部分模拟太阳光，可以作为不同光催化体系的一个 中试评价装置，为光催化技术走向工业化应用提供基础数据。本发明的多级连续式光催化水净化反应器主要包括接触池、光源模块、开关控 制系统三部分，如图1所示；在所述的接触池(优选为长方型接触池)的内池壁的多个卡槽内分别对应固定安 装有多块可拆卸隔板(一块可拆卸隔板对应一个卡槽安装)，且相邻的两块所述的可拆卸 隔板之间的空间定义为单级处理系统，多块所述的可拆卸隔板将整个反应器分隔成为多 级处理系统，第一块所述的可拆卸隔板与所述的接触池的池壁之间的空间定义为首级处 理系统，最后一块所述的可拆卸隔板与所述的接触池的池壁之间的空间定义为末级处理 系统。
在所述的单级处理系统和首级处理系统中都安装有所述的光源模块，在所述的 末级处理系统中可安装或不安装所述的光源模块；所述的光源模块包括一个光源排架和 光源排架上安装的数量大于1根的灯管；所述的光源模块固定于所述的接触池内部上方 的光源模块支架上。在所述的首级处理系统中的接触池的底部开有进水口，在所述的末级处理系统 中的接触池的底部开有出水口。在所述的光源排架下方的接触池的底部固定安装有曝气管路及曝气石用于鼓气 泡。所述的接触池的底部有在线取样口及排污口。可根据需要，在每个相邻的两个 所述的可拆卸隔板之间的接触池的底部都设置在线取样口及排污口。所述的光源模块支架上固定安装有用于监控光强度的光强监控探头。所述的出水口上方的所述的接触池的池壁上或位于旁边的所述的可拆卸隔板上 安装有水位控制器探头，用于控制水位不低于最上面一只所述的灯管，防止灯管烧坏。所述的开关控制系统可以独立控制每一个所述的光源模块中的所述的灯管的开 启和关闭。所述的开关控制系统可以根据光强监控探头和水位控制器探头提供的信号及 操作者设定值自动反馈控制所述灯管的开关。所述的接触池的内池壁的多个卡槽内分别对应固定安装有多块可拆卸隔板，其 安装方式是在两块固定安装于接触池的底部的卡槽内的可拆卸隔板之间，安装一块与接 触池的底部之间留有空隙的所述可拆卸隔板。所述的接触池的内池壁的多个卡槽内分别对应固定安装有多块可拆卸隔板，安 装完的相邻的两块所述的可拆卸隔板可以根据污染水的处理流量，水平高度有5 15厘 米的落差，使前一级处理系统中的水可以自然流入相邻的下一级处理系统中。所述的进水口和出水口旁边的可拆卸隔板是固定安装于接触池的底部的卡槽 内。本发明所述的接触池的外壳可为不锈钢材质，内胆可为不锈钢材质或聚四氟材 质；所述的可拆卸隔板可为透明石英玻璃、有机玻璃材质、不透明的不锈钢或聚四氟材 质，厚度可为0.5 3厘米，相邻两块可拆卸隔板之间的距离为6 30厘米(本发明中均 是以可拆卸隔板的中心计算两可拆卸隔板之间的距离)。本发明所述的光源排架上安装的所述的灯管，相邻两根灯管的排布方式可以是 平行排列方式，也可是交错排列方式。本发明所述的灯管外有石英套管保护，所述的灯管为汞灯、钨灯或氙灯光源， 优选所述的光源排架上的灯管与灯管之间的垂直距离为5 20厘米(本发明中均是以灯 管的中心计算两灯管之间的距离)；相邻的所述的光源排架之间的距离为5 20厘米(本 发明中均是以光源排架的中心计算两光源排架之间的距离)，最下面的灯管优选距离接触 池底部为5 15厘米。本发明的利用多级连续式光催化水净化反应器处理污染水的方法将污染水由 接触池底部的进水口泵入反应器中，污染水沿着由可拆卸隔板所形成的水流方向逐级流 过每一级由光源模块、光源排架和灯管构成的光催化反应处理系统，经处理完的水由反 应器的出水口排出。
本发明的利用多级连续式光催化水净化反应器处理污染水的方法中，光催化水 净化反应器中可使用本领域通用的异相半导体光催化体系或均相金属及其配合物光催化 体系。所述的异相半导体光催化体系是以Ti02、ZnO或WO3等半导体光催化材料及其金 属(如Pt、Ag或Cu等)或非金属(C、S、F等)掺杂改性后的材料(如Pt掺杂ZnO、 C掺杂TiO2等)为光催化剂；所述的均相金属及其配合物光催化体系是以FeIlAn或Cuiai 等过渡金属离子及其配合物(如联吡啶铁、酞菁铜、磺基水杨酸铁等)为催化剂。所述 的异相半导体光催化体系的固相催化剂可以悬浮，也可以负载在所述的可拆卸隔板上、 所述的石英套管外侧上、所述的接触池的内池壁上、或是上述几种方式的任意组合。所 述的均相金属及其配合物光催化剂可预先加入到待处理的污染水中。本发明的多级连续式光催化水净化反应器可用于被污染饮用水、工业废水及城 市生活污水中高毒性低浓度的有毒有机污染物及一般有机污染物的深度净化处理。


图1.本发明的一种多级连续式光催化水净化反应器的剖面结构示意图。附图标记1.接触池外壁2.光源模块3.光源模块支架4.光源排架 5.灯管6.水位控制器探头7.可拆卸隔板8.曝气管路及曝气石 9.出水口10.进水口 11.接触池内的液面位置12.光强监控探头13.在线取样口及排污口
具体实施例方式实施例1请参见图1，多级连续式光催化水净化反应器主要包括接触池、光源模块、开关 控制系统三部分；在以不锈钢为材质的一长方型的接触池的内池壁的9个卡槽内分别对应固定安 装有9块以聚四氟乙烯为材质的可拆卸隔板7，可拆卸隔板的厚度均为3厘米，且相邻的 两块所述的可拆卸隔板7之间的距离为10厘米，并被定义为单级处理系统，共8级处理 系统；第一块所述的可拆卸隔板7与所述的接触池的池壁之间的空间定义为首级处理系 统，最后一块所述的可拆卸隔板7与所述的接触池的池壁之间的空间定义为末级处理系 统。在所述的首级处理系统中的接触池的底部开有进水口 10，在所述的末级处理系 统中的接触池的底部开有出水口 9，在位于出水口 9旁边的所述的可拆卸隔板上安装有水 位控制器探头6，用于控制水位不低于最上面一只所述的灯管5，防止灯管烧坏。所述的9块可拆卸隔板7的安装方式是在每两块固定安装于接触池的底部的卡 槽内的可拆卸隔板之间，安装一块与接触池的底部之间留有空隙的所述可拆卸隔板，且 位于进水口和出水口旁边的可拆卸隔板是固定安装于接触池的底部的卡槽内；安装完的 所述的可拆卸隔板的水平高度是相邻的两块所述的可拆卸隔板的水平高度有10厘米的落 差，使前一级处理系统中的水可以自然流入相邻的下一级处理系统中。
在上述的多级(8级)处理系统、首级处理系统中安装有所述的光源模块2，所述 的光源模块包括一个光源排架4和光源排架4上安装的数量大于1根的氙灯灯管5，并在 氙灯灯管外有石英套管保护；所述的光源模块2固定于所述的接触池内部上方的光源模 块支架3上，在光源模块支架3上固定安装有用于监控光强度的光强监控探头12;光源 排架4上安装的氙灯灯管是以水平方式排列安装，灯管之间的垂直距离均为12厘米，每 级处理系统最下面一支灯管距接触池底部均为8厘米；相邻的所述的光源排架之间的距 离也均为10厘米。在所述的光源排架4下方的接触池的底部固定安装有曝气管路及曝气石8用于鼓 气泡搅拌并补充空气；所述的接触池的底部有在线取样口及排污口 13。所述的开关控制系统可以根据光强监控探头和水位控制器探头提供的信号及操 作者设定值自动反馈独立控制每一个所述灯管的开关。利用上述多级连续式光催化水净化反应器处理污染水，在反应器中使用Fe3+离 子均相光催化体系，以含罗丹明B染料的溶液为模拟污染水，浓度为0.05毫摩尔/升， 色度大于100度，处理量50吨/日；将污染水由接触池底部的进水口 10泵入反应器中， 污染水沿着由可拆卸隔板7所形成的水流方向逐级流过每一级由光源模块2、光源排架4 和灯管5构成的光催化反应处理系统，经处理完的水由反应器的出水口9排出，经处理的 水检测不到罗丹明B，色度小于1度。实施例2多级连续式光催化水净化反应器的基本结构如实施例1，主要包括接触池、光源 模块、开关控制系统三部分；只是接触池的内池壁的5个卡槽内分别对应固定安装有5块以有机玻璃为材质的可拆 卸隔板7，可拆卸隔板的厚度均为1厘米，且相邻的两块所述的可拆卸隔板7之间的距离 为28厘米，并被定义为单级处理系统，共4级处理系统；第一块所述的可拆卸隔板7与 所述的接触池的池壁之间的空间定义为首级处理系统，最后一块所述的可拆卸隔板7与 所述的接触池的池壁之间的空间定义为末级处理系统。安装完的所述的5块可拆卸隔板7的水平高度是相邻的两块所述的可拆卸隔板的 水平高度有7厘米的落差，使前一级处理系统中的水可以自然流入相邻的下一级处理系 统中。所述的光源排架4上安装的钨灯灯管是以水平方式排列安装，灯管之间的垂直 距离均为10厘米，每级处理系统最下面一支灯管距接触池底部均为10厘米；相邻的所述 的光源排架之间的距离均为28厘米。利用上述多级连续式光催化水净化反应器处理污染水，在反应器中使用异相 TiO2光催体系，催化剂固定在每块可拆卸隔板上，以含2，4-二氯酚的溶液为模拟废水， 浓度为0.5毫摩尔/升，处理量200吨/日。将污染水由接触池底部的进水口 10泵入反 应器中，污染水沿着由可拆卸隔板7所形成的水流方向逐级流过每一级由光源模块2、光 源排架4和灯管5构成的光催化反应处理系统，经处理完的水由反应器的出水口 9排出， 经处理的水检测不到2，4- 二氯酚。实施例3多级连续式光催化水净化反应器的基本结构如实施例1，主要包括接触池、光源模块、开关控制系统三部分；只是接触池的内池壁的8个卡槽内分别对应固定安装有8块以不锈钢为材质的可拆 卸隔板7，可拆卸隔板的厚度均为0.5厘米，且相邻的两块所述的可拆卸隔板7之间的的 距离为15厘米，并被定义为单级处理系统，共7级处理系统；第一块所述的可拆卸隔板 7与所述的接触池的池壁之间的空间定义为首级处理系统，最后一块所述的可拆卸隔板7 与所述的接触池的池壁之间的空间定义为末级处理系统。安装完的所述的可拆卸隔板的水平高度是相邻的两块所述的可拆卸隔板的水平 高度有6厘米的落差，使前一级处理系统中的水可以自然流入相邻的下一级处理系统 中。所述的光源排架4上安装的汞灯灯管是以交错方式排列安装，灯管之间的垂直 距离均为8厘米，每级处理系统最下面一支灯管距接触池底部均为5厘米；相邻的所述的 光源排架之间的距离均为15厘米。利用上述多级连续式光催化水净化反应器处理污染水，在反应器中使用均相磺 基水杨酸铁光催体系，催化剂溶解于待处理废水中，使用含苯酚的实际工厂处理后废 水，COD值150ppm，其中含苯酚12ppm，处理量50吨/日。将污染水由接触池底部的 进水口 10泵入反应器中，污染水沿着由可拆卸隔板7所形成的水流方向逐级流过每一级 由光源模块2、光源排架4和灯管5构成的光催化反应处理系统，经处理完的水由反应器 的出水口 9排出，经处理的水COD值16ppm，检测不到苯酚，满足国家相关排放标准。
权利要求
1.一种多级连续式光催化水净化反应器，其包括接触池、光源模块和开关控制系 统；其特征是在所述的接触池的内池壁的多个卡槽内分别对应固定安装有多块可拆卸隔板，且相 邻的两块所述的可拆卸隔板之间的空间定义为单级处理系统，第一块所述的可拆卸隔板 与所述的接触池的池壁之间的空间定义为首级处理系统，最后一块所述的可拆卸隔板与 所述的接触池的池壁之间的空间定义为末级处理系统；在所述的单级处理系统和首级处理系统中都安装有所述的光源模块，所述的光源模 块包括一个光源排架和光源排架上安装的数量大于1根的灯管；所述的光源模块固定于 所述的接触池内部上方的光源模块支架上；在所述的首级处理系统中的接触池的底部开有进水口，在所述的末级处理系统中的 接触池的底部开有出水口；在所述的光源排架下方的接触池的底部固定安装有曝气管路及曝气石用于鼓气泡；所述的接触池的底部有在线取样口及排污口；所述的开关控制系统独立控制每一个所述的光源模块中的所述的灯管的开启和关闭。
2.根据权利要求1所述的多级连续式光催化水净化反应器，其特征是所述的光源 模块支架上固定安装有用于监控光强度的光强监控探头。
3.根据权利要求1所述的多级连续式光催化水净化反应器，其特征是所述的出水 口上方的所述的接触池的池壁上或位于旁边的所述的可拆卸隔板上安装有水位控制器探 头。
4.根据权利要求1所述的多级连续式光催化水净化反应器，其特征是所述的多个 卡槽内分别对应固定安装有多块可拆卸隔板，所述的可拆卸隔板的安装方式是在两块固 定安装于接触池的底部的卡槽内的可拆卸隔板之间，安装一块与接触池的底部之间留有 空隙的所述可拆卸隔板。
5.根据权利要求1或4所述的多级连续式光催化水净化反应器，其特征是所述的多 个卡槽内分别对应固定安装有多块可拆卸隔板，安装完的相邻的两块所述的可拆卸隔板 的水平高度有5 15厘米的落差。
6.根据权利要求1所述的多级连续式光催化水净化反应器，其特征是所述的进水 口和出水口旁边的可拆卸隔板是固定安装于接触池的底部的卡槽内。
7.根据权利要求1所述的多级连续式光催化水净化反应器，其特征是所述的光源 排架上安装的所述的灯管，相邻两根灯管的排布方式是平行排列方式，或是交错排列方 式。
8.根据权利要求1和7所述的多级连续式光催化水净化反应器，其特征是所述的灯 管为汞灯、钨灯或氙灯。
9.根据权利要求1、7和8所述的多级连续式光催化水净化反应器，其特征是所述 的光源排架上的灯管与灯管之间的垂直距离为5 20厘米；相邻的所述的光源排架之间 的距离为5 20厘米。
10.一种利用权利要求1 9任意一项所述的多级连续式光催化水净化反应器处理污 染水的方法，其特征是将污染水由接触池底部的进水口泵入反应器中，污染水沿着由可拆卸隔板所形成的水流方向逐级流过每一级由光源模块、光源排架和灯管构成的光催 化反应处理系统，经处理完的水由反应器的出水口排出；在所述的多级连续式光催化水净化反应器中应用的是异相半导体光催化体系或均相 金属及其配合物光催化体系。
全文摘要
本发明涉及一种多级连续式光催化水净化反应器及其水处理方法。本发明的反应器包括接触池、光源模块和开关控制系统；所述接触池的内池壁的多个卡槽内分别对应固定安装有多块可拆卸隔板，可拆卸隔板之间的空间定义为单级处理系统，在每个单级处理系统中安装有包括一个光源排架和其上安装的数量大于1根的灯管的光源模块；在接触池的底部还分别开有进水口、出水口、在线取样口及排污口；在光源排架下方的接触池的底部固定安装有曝气管路及曝气石用于鼓气泡；开关控制系统独立控制每一个光源模块中的灯管的开启和关闭。本发明的反应器可用于被污染饮用水、工业废水及城市生活污水中高毒性低浓度的有毒有机污染物及一般有机污染物的深度净化处理。
文档编号C02F1/72GK102020333SQ20101057025
公开日2011年4月20日 申请日期2010年11月26日 优先权日2010年11月26日
发明者籍宏伟, 赵进才, 陈春城, 马万红 申请人:中国科学院化学研究所