专利名称：光催化反应器和使用该反应器处理气体污染物的方法
技术领域：
本发明涉及一种光催化反应器。更具体地，本发明涉及一种光催化反应器和使用该反应器处理气体污染物的方法，其中所述方法使用环境友好的光催化反应来分解和除去例如挥发性有机化合物(VOCs)、气味等的气体污染物，以及液体污染物。
背景技术：
随着全球工业的快速发展，环境污染问题变得更加严重，需要对污染治理进行严厉调控。而且，污染源种类的多样化和新污染物的持续产生已经引发各种途径来更加有效地解决污染问题。一个近来发展起来的方法包括使用光催化反应来处理污染物的方法，其相对不受 温度、PH等的影响，而且不需要严格的处理条件。此外，使用光催化反应来处理污染物的方法可以使用例如太阳光等的清洁能源，因此具有环境友好和能量高效的优势。当前使用的光催化反应将在后面做简单地论述。当来自太阳或任何其它光源的光能被施加到光催化剂时，电子和空穴在光催化剂中产生并迁移到光催化剂的表面。移动到光催化剂表面的电子和空穴与待处理的污染物接触，并引发化学氧化-还原反应，从而分解污染物分子。使用光催化反应的有机污染物分解装置是环境友好的污染减轻装置，并具有巨大的发展潜力，因此对于光催化反应器的兴趣日益增加。将常规的光催化反应器分为如图I所示的悬浮型光催化反应器和如图2所示的固定型光催化反应器。悬浮型光催化反应器10是用于分解液体污染物的装置，如图I所示，其包括用于提供光能的光源11、用于容纳待进行污染物除去处理的流体14例如废水、染料溶液等的光反应处理罐12、和引入并分散在将要在光反应处理罐12中处理的流体14中的光催化粉末13。悬浮型光催化反应器10可以在光催化反应中利用光催化粉末13的要大很多的表面积，从而与固定型光催化反应器相比具有高处理效率的优势。然而，在处理过程中，光催化粉末13并没有固定至例如挥发性有机化合物(VOCs)、气味等的气体污染物。因此，用悬浮型光催化反应器10来处理气体污染物是不可行的。固定型光催化反应器20是一种分解液体和气体污染物的装置，并如图2所示包括用于供应光能的光源21、光反应处理罐22、和涂布且固定有光催化剂的光催化剂涂布管25，其中待进行污染物去除处理的流体26通过所述光反应处理罐22，且所述流体26包括例如VOCs、气味等的气体污染物和例如废水、染料溶液等的液体污染物。光反应处理罐22包括进口 23和出口 24，其中将待处理的流体26经所述进口 23引入，与光催化剂接触的流体26经所述出口 24最终排出，使得经进口 23弓丨入的流体26与固定在光催化剂涂布管25上的光催化剂进行接触以被分解，然后经出口 24排出。由于在固定型光催化反应器20中，将光催化剂固定在光催化剂涂布管25上，不需要对光催化剂进行单独的回收。而且，即使在用于保持光催化剂与待处理的气体污染物之间的接触的密闭空间很小或待处理的流体26的流量很小的情况下，也可以处理气体污染物。但是，相比于悬浮型光催化反应器10，光催化剂的反应面积限制于光催化剂涂布管25的涂布面积。因此，当处理具有高流量和高流速的液体污染物和气体污染物时(例如，在工厂中)，光催化剂与气体污染物之间的反应时间很短，这使得污染物的处理困难，从而降低处理效率。本发明通过以有效的、有效率的且环境友好的方式提供处理气体污染物的设备来克服当前的不足之处。
发明内容
本发明提供光催化反应器和使用该反应器处理气体污染物的方法，其中所述方法 可以通过溶解气体污染物并使溶解的气体污染物与光催化剂反应来分解和除去气体污染物及液体污染物。一方面，本发明提供光催化反应器，其包括溶液罐，将待处理的含有气体污染物的流体通过进口供应到所述溶液罐中；安装在进口顶部的溶液注射器，其将气体污染物溶液注入到待处理的流体中，从而溶解流体的气体污染物；和接收气体污染物溶液的液体光催化处理装置，在其中溶解和液化来自溶液罐的流体的气体污染物，之后分解液化的气体污染物。在一个实施方式中，光催化反应器还包括设置在溶液注射器底部的多孔填充剂，其增加流体的气体污染物与气体污染物溶液之间的接触时间。在另一个实施方式中，光催化反应器还包括设置在液体光催化处理装置与溶液注射器之间的循环装置，其循环气体污染物溶液。在又一个实施方式中，气体污染物溶液可以包括过氧化氢或溶解氧。另一方面，本发明提供处理气体污染物的方法，该方法包括以下步骤(i)将待处理的含有气体污染物的流体加入到溶液罐中；(ii)将气体污染物溶液注入溶液罐使得气体污染物溶液与流体的气体污染物接触；和(iii)使溶解和液化有流体的气体污染物的步骤(ii)的气体污染物溶液与光催化剂反应，从而分解流体的液化的气体污染物。在一个实施方式中，方法还包括以下步骤，其中，在步骤(ii)中将气体污染物溶液注入溶液罐时,使注入到溶液罐中的气体污染物通过多孔填充剂来增加流体的气体污染物与气体污染物溶液之间的接触时间。在另一实施方式中，方法还包括以下步骤，其中，在步骤(iii)中，将流体的液化分解的气体污染物循环到溶液罐的注射器以被再次注入到溶液罐中。 在某些实施方式中，气体污染物溶液包括过氧化氢或溶解氧。本发明的其他方面和优选实施方式将在下文中进行讨论。
本发明的以上和其他特征将参考其某些示例性实施方式来做具体描述。附图仅为说明的目的，并不意在限制本发明。图I是示出常规悬浮型光催化反应器的示意图2是示出常规固定型光催化反应器的示意图；图3是示出根据本发明的优选实施方式的光催化反应器的构造的示意图；图4是示出根据本发明的优选实施方式的液体光催化处理装置的构造的示意图；且图5是图4的液体光催化处理装置的俯视图。列于附图中的附图标记包括对下面进一步讨论的以下元件的参考100:溶液罐101 :进口102:出口103:溶液注射器104 :多孔填充剂 105 :液体光催化处理装置106 :循环泵107 :管道110:光反应处理罐111 :进口112:出口120 :光纤130 :光源140 :不完全分隔物应当理解到，所附的附图并非必然是按比例的，其说明了本发明基本原理的各种优选特征的一定程度上简化的代表。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体大小、方向、位置和形状将部分取决于具体的既定用途和使用环境。在附图中，附图标记在几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。
具体实施例方式在下文中将详细参考本发明的各个实施方式，其实施例在所附附图中说明并在后面描述。尽管本发明结合示例性实施方式进行描述，但应理解的是本说明书并不意在将本发明限制于这些示例性实施方式。相反，本发明意在不仅包括示例性实施方式，还包括由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式和其它实施方式。本发明提供一种光催化反应器和使用该反应器处理气体污染物的方法，其中该反应器可以通过使用光能使流体(待进行污染物去除处理或气味去除处理)与光催化剂进行反应来分解和除去例如挥发性有机化合物(VOCs)、气味等的气体污染物，以及液体污染物。具体来说，本发明的光催化反应器部分地通过改进常规悬浮型光催化反应器(参见图I)而获得，其中所述常规悬浮型光催化反应器因为光催化剂没有被固定而不能容易地分解气体污染物。在某些实施方式中，本发明提供一种光催化反应器，其中待处理的流体的气体污染物在气体污染物溶液中溶解和液化，并用液体污染物去除效率高的液体光催化处理装置处理所得的溶液。本发明的反应器具有利用光催化剂与具有高流量和高流速的流体的气体污染物间的光催化反应的优势，用于气体的不可生物降解污染物的处理。如图3所示，本发明的光催化反应器包括溶液罐100、溶液注射器103和液体光催化处理装置105，其中将含有待去除的气体污染物和液体污染物的流体供应到所述溶液罐100中，所述溶液注射器103用于将气体污染物溶液注入溶液罐100中待处理的流体中，且流体的污染物与光催化剂在所述液体光催化处理装置105中反应并被分解。溶液罐100设置有进口 101和出口 102，其中待处理的流体通过所述进口 101引入，而通过与光催化剂的反应分解并除去气体污染物和液体污染物的流体通过所述出口102排出。溶液罐100是液化处理罐，在其中液化通过进口 101供应的流体中含有的气体污染物，并且将溶液注射器103安装在进口 101的顶部。溶液注射器103包括例如注射喷嘴，并将气体污染物溶液注入到从进口 101的顶部通过进口 101引入的流体中，使得待处理的流体的气体污染物与气体污染物溶液接触。因此，待处理的流体的气体污染物在气体污染物溶液中溶解和液化。在某些实施方式中，气体污染物溶液是含有可以产生OH根的化合物的液体。在某些实施方式中，液体是水。在其它实施方式中，产生OH根的化合物是过氧化氢、二烷基过氧化物、烷基芳基过氧化物、二芳基过氧化物、或溶解氧。在某些实施方式中，气体污染物溶液 是含有可以产生OH根的过氧化氢或溶解氧的液体。在另一实施方式中，气体污染物溶液是充氧水或富氧水。在某些实施方式中，充氧水包括约99. 00至约99. 99wt%的水和O. 01至I. 00wt%的过氧化氢。在某些实施方式中，充氧水包括约99. 00至约99. 25wt%的水和O. 75至I. OOwt %的过氧化氢。在某些实施方式中，充氧水包括约99. 25至约99. 50wt%的水和O. 50至O. 75wt%的过氧化氢。在某些实施方式中，充氧水包括约99. 50至约99. 75wt%的水和O. 25至O. 50wt%的过氧化氢。在某些实施方式中，充氧水包括约99. 75至约99. 99wt%的水和O. 01至O. 25wt%的过氧化氢。在其它实施方式中，富氧水可以含有99. 99至99. OOwt %的水和O. 01至I. OOwt %的溶解氧。在某些实施方式中，充氧水包括约99. 00至约99. 25wt %的水和O. 75至
I.OOwt%的溶解氧。在某些实施方式中，充氧水包括约99. 25至约99. 50wt%的水和O. 50至O. 75被％的溶解氧。在某些实施方式中，充氧水包括约99. 50至约99. 75wt%的水和O. 25至
O.50wt%的溶解氧。在某些实施方式中，充氧水包括约99. 75至约99. 99wt%的水和O. 01至O. 25wt%的溶解氧。在另一个实施方式中，OH根在液体光催化处理装置中引起连同光催化剂的氧化反应的另外的氧化反应。而且，当气体污染物溶液的过氧化氢或溶解氧产生OH根时，OH根起到光催化剂的电子接收体的作用，以抑制产生的电子和空穴的再结合。结果，空穴大大增加OH根的产生，而OH根显著地促进光催化剂的氧化反应。在各个实施方式中，在溶液罐100中，在溶液注射器103的底部设置多孔填充剂104。将多孔填充剂104布置在溶液注射器103与进口 101之间，使得从溶液注射器103注入的气体污染物溶液在与待处理的流体的气体污染物接触前通过多孔填充剂104，增加待处理的流体的气体污染物与气体污染物溶液间的接触时间。因为多孔填充剂104以上述方式增加待处理的流体的气体污染物与气体污染物溶液间的接触时间，气体污染物的溶解效率提高，从而提高待处理的流体的气体污染物的去除效率。在某些实施方式中，多孔填充剂104包括具有多个孔隙的典型填充材料。在另一实施方式中，通过液体光催化处理装置105处理置于溶液罐100底部的气体污染物溶液(待处理的流体在其中混合，且待处理的流体的气体污染物在其中溶解)以减少污染物。
在某些实施方式中，将液体光催化处理装置105通过管道等与溶液罐100连接以接收置于溶液罐100的底部的气体污染物溶液，或者可以将其安装在溶液罐100中以接收溶液罐100底部的溶液。此处，引入到液体光催化处理装置105的气体污染物溶液是在溶液中溶解和液化的气体污染物与引入到溶液罐100中的流体的混合溶液。如上所述，液体光催化处理装置105是一种通过与光催化剂的反应来分解待处理的流体的污染物的污染物去除装置，并且起到如下作用，即分解和减少在气体污染物溶液中溶解和液化的流体的气体污染物，以及待处理的流体的液体污染物。在本发明中，液体光催化处理装置105可以是任何能够减少待处理的流体的液体污染物的装置，并优选可为如图4所示的具有高效率的液体光催化处理装置。通过循环装置将气体污染物溶液循环至溶液注射器103，其中通过液体光催化处理装置105中的光催化剂将污染物从所述气体污染物溶液中除去。 循环装置插在液体光催化处理装置105与溶液注射器103之间，且可以包括与液体光催化处理装置105 (的一个进口 )连接的循环泵106，并通过泵和管道107的运行来循环气体污染物溶液，其中所述管道107连接在循环泵106和溶液注射器103之间。将污染物减少的气体污染物溶液(与待处理的流体混合)通过循环装置来进行循环以再用于溶解气体污染物。结果，可以分解新近引入待处理的流体并同时再处理已处理的流体，而且因为循环过程进行数次(即，因为处理流体的过程是反复进行的)，可以增加用于减少污染物的流体与光催化剂间的反应时间，从而提高流体的污染物的去除效率。通过反复的污染物去除处理而充分除掉污染物的气体污染物溶液可以通过循环装置经溶液罐100的出口 102来进行回收并排出到外部，或者可以通过液体光催化处理装置105来处理并直接通过液体光催化处理装置105的出口 112排出到外部。否则，在气体污染物溶液通过液体光催化处理装置105处理而除去污染物后，其中污染物从所述气体污染物溶液中充分去除，气体污染物溶液的一部分可以通过液体光催化处理装置105的出口 112排出到外部，其它部分可以通过循环装置回收至溶液罐100的溶液注射器103以再利用和再处理。参考图4和图5,液体光催化处理装置105可以包括光反应处理罐110、通过支持装置固定在光反应处理罐110中的侧发光光纤120、涂布在侧发光光纤120表面上的光催化剂(未示出)、和用于向侧发光光纤120的内部供应光使得光从光纤120侧发出的光源130，其中经进口 111供应的流体经由所述光反应处理罐110通过内部空间并经出口 112排出。将光反应处理罐110的进口 111设置在一端，并将出口 112设置在另一端。将多个光纤120以一定间隔相互平行设置并固定在进口 111和出口 112之间。优选将多个侧发光光纤120以如下方式以一定间隔设置在光反应处理罐110中其中每一光纤的一端都朝向进口 111固定，而另一端朝向出口 112固定。将不完全分隔物140设置在光反应处理罐110中作为支持光纤120的支持装置。将不完全分隔物140延垂直于光纤120的轴向的方向设置在光反应处理罐110的进口 111和出口 112之间。优选将多个不完全分隔物140以一定间隔设置在光纤120的轴向上，从而光纤120通过不完全分隔物140的孔插入并固定。结果，光纤120侧向穿过不完全分隔物140。此处，每一不完全分隔物140的一端都固定于光反应处理罐110的一侧，而另一端具有通过待处理的流体的开口。优选地，不完全分隔物140的开口交替设置在光纤120的轴向上，从而在光反应处理罐110中形成锯齿形流径。结果，在光反应处理罐110的内部空间中从进口 111到出口 112形成锯齿形流径，且每一不完全分隔物140都起到如下作用支持光纤120的支持装置、分隔光纤120的分隔装置、和形成流径的流径形成装置，其中待处理的流体通过所述流径流动。当以上述方式将不完全分隔物140设置在垂直于光纤120的轴向的方向上时,待处理的流体延垂直于光纤120的轴向的方向通过光纤120，并沿着锯齿形流径在光反应处理罐110的内部空间中移动。因此，可以增加处理中的流体的流径并同时充分利用光纤120 的大面积，其中所述光纤120的大面积增加处理中流体与光催化剂之间的反应时间，从而使处理效率最大化。
因为光纤120纵向设置于进口 111与出口 112之间，通过进口 111引入的流体在光反应处理罐Iio中沿着预设的流径流向出口 112的同时，延轴向顺序通过光催化剂涂布的光纤120并与其接触，从而使反应面积最大化。接下来，将描述根据本发明的另一个优选实施方式的使用光催化反应器的气体污染物的处理方法。首先，将待处理的含有气体污染物的流体供应到溶液罐100。在将供应到溶液罐100的流体弓I入到液体光催化处理装置105之前或在将流体弓I入到溶液罐100的同时，使用溶液注射器103将气体污染物溶液注入到溶液罐100中。在与待处理的流体的气体污染物接触前，注入到溶液罐100中的气体污染物溶液通过多孔填充剂104，其中注入的气体污染物溶液与处理中的流体的气体污染物之间的接触时间增加，从而气体污染物在气体污染物溶液中高效地溶解和液化。在该步骤中，注入到溶液罐100的气体污染物溶液与待处理的流体的气体污染物接触，使得流体的气体污染物溶解和液化。将液化的气体污染物与气体污染物溶液和待处理的流体混合，并引入到液体光催化处理装置105中。液体光催化处理装置105通过使从溶液罐100供给的气体污染物溶液(与液化的气体污染物和待处理的流体混合)与光催化剂反应来分解液化的气体污染物，从而去除气体污染物和液体的污染物。经液体光催化处理装置105的出口排出的气体污染物溶液(从中去除污染物)可以通过循环装置从溶液注射器103回收并注入到另一引入到溶液罐100中的待处理的流体中，从而使相应流体中的气体污染物液化。通过重复污染物去除处理而充分去除气体污染物和液体污染物的流体，通过液体光催化处理装置105的出口 112或通过溶液罐100的排放口 102排出到外部。如上所述，根据本发明的光催化反应器和使用该反应器处理气体污染物的方法，可以显著提高污染物尤其是气体污染物的去除效率，因此可以从具有高流量和高流速的流体中高效地分解和除去气体不可生物降解污染物以及在流体中含有的液体污染物。本发明已经参考其优选实施方式进行了详细说明。然而，本领域技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行改变，本发明的范围由所附的权利要求及其等同方式限定。在本申请中全篇引用的所有参考内容(包括文献参考、授权专利、公开的专利申请和共同待决的专利申请)都已明确地整体并入本文以 供参考。
权利要求
1.一种光催化反应器，包括 溶液罐，待处理的含有气体污染物的流体通过进口供应到所述溶液罐中； 安装在所述进口的顶部的溶液注射器，其将气体污染物溶液注入到待处理的所述流体中以使所述流体的气体污染物溶解；和 接收所述气体污染物溶液的液体光催化处理装置，在其中溶解和液化来自所述溶液罐的所述流体的气体污染物，之后分解液化的气体污染物。
2.如权利要求I所述的光催化反应器，还包括设置在所述溶液注射器底部的多孔填充齐U，其增加所述流体的气体污染物与所述气体污染物溶液之间的接触时间。
3.如权利要求I所述的光催化反应器，还包括设置在所述液体光催化处理装置与所述溶液注射器之间的循环装置，其循环所述气体污染物溶液。
4.如权利要求I所述的光催化反应器，其中所述气体污染物溶液包括过氧化氢或溶解氧。
5.一种处理气体污染物的方法，所述方法包括以下步骤 (i)将待处理的含有气体污染物的流体加入到溶液罐中； ( )将气体污染物溶液注入所述溶液罐，使得所述气体污染物溶液与所述流体的气体污染物接触；和 (iii)使溶解和液化有所述流体的气体污染物的步骤(ii)的所述气体污染物溶液与光催化剂反应，从而分解所述流体的液化的气体污染物。
6.如权利要求5所述的方法，还包括以下步骤，其中在步骤(ii)中将所述气体污染物溶液注入到所述溶液罐时，使注入到所述溶液罐中的所述气体污染物溶液通过多孔填充物，以增加所述流体的气体污染物与所述气体污染物溶液之间的接触时间。
7.如权利要求5所述的方法，还包括以下步骤，其中在步骤(iii)中，将所述流体的液化分解的气体污染物循环至所述溶液罐的注射器以被再次注入到所述溶液罐中。
8.如权利要求5所述的方法，其中所述气体污染物溶液包括过氧化氢或溶解氧。
全文摘要
本发明提供一种光催化反应器和一种使用该反应器来处理气体污染物的方法，其中所述方法可以使用环境友好的光催化反应来分解和除去例如挥发性有机化合物(VOCs)、气味等的气体污染物，以及液体污染物。为此，本发明提供一种光催化反应器，其包括溶液罐，其中待处理的含有气体污染物的流体通过进口供应到该溶液罐中；溶液注射器，安装在进口顶部并将气体污染物溶液注入到待处理的流体中从而溶解流体的气体污染物；和液体光催化处理装置，从溶液罐接收气体污染物溶液并分解流体的液化的气体污染物，其中流体的气体污染物在所述气体污染物溶液中溶解和液化。
文档编号C02F1/30GK102895931SQ201110378790
公开日2013年1月30日 申请日期2011年11月24日 优先权日2011年7月26日
发明者裵臣泰, 河秀铉, 李愿培, 高大英 申请人:现代自动车株式会社