申请日2006.04.21
公开(公告)日2006.11.22
IPC分类号B01J8/18; C02F1/72; C02F1/30; B01J19/12
摘要
迷宫式错流鼓泡光催化反应装置及其有机废水处理方法，其特点是在反应器中垂直设置有平行折流板形成液相迷宫式通道，含氧气体由反应器底部进入通过分布板向上鼓入反应区，有机废水由分布板上方反应器侧面进液管流入，沿折流板间隙在迷宫式反应区内流动并与上升气泡呈错流接触，颗粒光催化剂悬浮分散于气液混合相中。在反应器上方外部平行紫外光源照射下气液固三相进行光催化反应，有机物被催化降解，反应器出水经外部固液分离器分离，在泵作用下循环连续进行光催化反应。本发明结构简单、操作方便、液体停留时间长而液固相能够充分接触，传质效率和光催化反应效率高，反应器设计放大不受光源限制，易于实现工业应用。
权利要求书
1.迷宫式错流鼓泡光催化反应装置，包括光催化反应器主体、外部固液分 离器和循环系统，其特征在于反应器(1)内：下部设置有气体分布板(2)，在其 上垂直设置有平行折流板(3)构成液相迷宫式通道;底部设置有反应器进气口 (6);气体分布板(2)上方的反应器侧壁设置有反应器进液口(4)和反应器溢流口 (5);在反应器(1)的上方设置有平行光源(12)。
2.如权利要求1所述的迷宫式错流鼓泡光催化反应装置，其特征在于反应 器(1)的横截面是圆形横截面或者矩形横截面。
3.如权利要求1所述的迷宫式错流鼓泡光催化反应装置，其特征在于平行 折流板(3)是三块或三块以上的平行折流板(3)。
4.如权利要求1所述的迷宫式错流鼓泡光催化反应装置，其特征在于气体 分布板(2)是双层多孔布气板或烧结板，其孔径<0.5mm，开孔率为0.5%～5.0%。
5.如权利要求1所述的迷宫式错流鼓泡光催化反应装置，其特征在于平行 光源(12)是紫外光或者近紫外光。
6.如权利要求1所述的迷宫式错流鼓泡光催化反应装置，其特征在于固液 分离器(7)是圆锥形结构，其上部设有分离器进料口(8)和分离器出水口(9)，底 部设有分离器排料口(10)，其分离器进料口(8)与反应器溢流口(5)连通。
7.用于迷宫式错流鼓泡光催化反应装置处理有机废水的方法，其特征在于 该方法是将粒径为0.3mm～0.8mm的颗粒光催化剂加入反应器(1)中，待处理有 机废水从反应器进液口(4)通入迷宫式反应区内，同时从反应器进气口(6)通入 含氧气体并通过气体分布板(2)向上鼓入反应区;沿折流板间隙流动的液体与上 升气泡呈错流接触，颗粒光催化剂悬浮分散于气液混合相中，在平行紫外光(12) 光源照射下进行光催化反应，有机物被催化降解，出水经固液分离器(7)、循环 水槽(11)达标可直接排放或经循环计量水泵(13)循环返回反应器(1)中。
8.如权利要求7所述的迷宫式错流鼓泡光催化反应装置处理有机废水的方 法，其特征在于经固液分离器(7)分离的颗粒光催化剂从其底部的分离器排料口 (10)利用密度差自动进入反应器(1)的进水管线中，与通过循环计量水泵(13)的 有机废水一起循环到反应器(1)中再循环。
9.如权利要求7所述的迷宫式错流鼓泡光催化反应装置处理有机废水的方 法，其特征在于经固液分离器(7)分离的颗粒光催化剂从其底部的分离器排料口 (10)排出进行催化剂的再生。
10.如权利要求7所述的迷宫式错流鼓泡光催化反应装置处理有机废水的方 法，其特征在于调节反应器(1)的进水流速实现颗粒光催化剂在反应器(1)中的 停留时间和出水中催化剂的带出量。
说明书
迷宫式错流鼓泡光催化反应装置及其有机废水处理方法
技术领域
本发明涉及一种高效光催化反应装置及其有机废水处理方法，尤其是利用 迷宫式错流鼓泡光催化反应装置及其有机废水处理方法
技术背景
光催化氧化技术是利用紫外光或近紫外光激活半导体(通常使用TiO2)价带 上的光生空穴，在水中产生氧化能力极强的氢氧自由基，使水中难于降解的有 机污染物完全矿化，降解过程可在常温常压下进行且作用物几乎无选择性，加 之该法毋须添加化学试剂，无二次污染，故成为当前水净化技术在国内外的研 究前沿和开发热点。
反应器、光源和光催化剂是实现光催化过程的三要素。粉末悬浮态半导体 光催化剂存在分离与回收困难，因此固定化光催化反应体系越来越受到重视， 制备高活性和高稳定性催化剂和开发传质效率高和分离能力好的新型光反应器 是光催化技术实用化的关键。与一般反应器相比，光催化反应器的设计除了要 考虑混合和传质过程、反应物和催化剂的接触、流体的流动状况、反应动力学、 催化剂的安装及温度的控制等问题外，还必须考虑光源的配置，光辐射、光照 的均匀性、高透性以及光利用率等。目前研究人员普遍采用内置光源的环形流 化床反应器来实现这一目的，但这类反应器需设置内部冷却系统散热，在设计 放大时必须考虑光源(紫外灯)和冷却系统的组合，结构复杂且减小了反应器的 有效容积，光能需穿越多层冷却套才能到达催化剂表面，光效率仍未得到最大 发挥，见专利公开号为CN1261056;此外也有将光催化剂固定在反应器底部利用 外部光源的平板形反应器，但这种反应器存在废水处理量小、光能利用率低、 反应器效率不高和催化剂难以回收再生等问题，见专利公开号为CN1431155和 CN1508073。
发明内容
本发明的目的是提供一种迷宫式错流鼓泡光催化反应装置，其特点是结构 简单、操作方便、可利用外部平行辐射光源、光催化反应效率高且催化剂易回 收再用，废水处理能力和降解深度可调控，既可间歇操作又可连续运行。本发 明的另一目的是提供利用这种迷宫式错流鼓泡光催化反应装置连续降解含有机 污染物废水的水处理方法。
本发明迷宫式错流鼓泡光催化反应装置包括光催化反应器主体、外部固液 分离器和循环系统，其结构特征在反应器内：下部设置有气体分布板，在其上 垂直设置有平行折流板构成液相迷宫式通道;底部设置有反应器进气口;气体 分布板上方的反应器侧壁设置有反应器进液口和反应器溢流口;在反应器的上 方设置有平行光源。
上述所述的反应器的横截面是圆形横截面或者矩形横截面;所述的平行折 流板是三块或三块以上的平行折流板;所述的气体分布板是双层多孔布气板或 烧结板，其孔径<0.5mm，开孔率为0.5%～5.0%;所述的平行光源是紫外光或者 近紫外光;所述的固液分离器是圆锥形结构，其上部设有分离器进料口和分离 器出水口，底部设有分离器排料口，其分离器进料口与反应器溢流口连通。
本发明用于迷宫式错流鼓泡光催化反应装置处理有机废水的方法，该方法 是将粒径为0.3mm～0.8mm的颗粒光催化剂加入反应器中，待处理有机废水从反 应器进液口通入迷宫式反应区内，同时从反应器进气口通入含氧气体并通过气 体分布板向上鼓入反应区;沿折流板间隙流动的液体与上升气泡呈错流接触， 颗粒光催化剂悬浮分散于气液混合相中，在平行紫外光光源照射下进行光催化 反应，有机物被催化降解，出水经固液分离器、循环水槽达标可直接排放或经 循环计量水泵循环返回反应器中。
其中：经固液分离器分离的颗粒光催化剂从其底部的分离器排料口利用密 度差自动进入反应器的进水管线中，与通过循环计量水泵的有机废水一起循环 到反应器中再循环;其中经固液分离器分离的颗粒光催化剂从其底部的分离器 排料口排出进行催化剂的再生;其中调节反应器的进水流速实现颗粒光催化剂 在反应器中的停留时间和出水中催化剂的带出量。
本发明通过实施上述技术方案的优点与积极效果在于：反应器底部通入含 氧气体的作用一方面是向体系提供光催化反应所需的氧气;另一方面是提供能 量使颗粒光催化剂悬浮分散于反应器物料中，气相、液相和固相三相呈流化状 态充分接触;同时气泡的存在可提供较高空隙率便于反应器上方入射光深入反 应器内与颗粒光催化剂充分、均匀接触，因而整个反应体系有较高的光催化反 应效率。
本发明的创新之处在于光催化反应器中有机废水在迷宫式通道中以平推流 方式流动，增加了液相在反应器中的停留时间;有机废水与上升气泡呈错流流 动，气相、液相和固相三相充分混合兼有流态化反应的优点;反应器中颗粒光 催化剂的停留时间和带出量可通过调节进水流量来得到控制，从而可控制催化 剂的再生速度;通过增加迷宫式通道的数量和长度可提高有机废水的处理能力 和降解深度。
本发明的光催化反应装置可利用太阳能等平行光源，无须冷却系统，光能 可直接进入三相混合液中与光催化剂接触，提高了光的有效利用率。
本发明采用的颗粒光催化剂粒径在0.3mm～0.8mm，分布板孔径小于0.5mm。 如颗粒粒径小于0.5mm，气体分布板可采用中间夹有100目尼龙网或金属丝网的 双层布气板或多孔烧结板。
本发明所说的颗粒光催化剂可直接采用半导体金属氧化物(通常为TiO2)颗 粒，也可采用负载型催化剂颗粒，常用的载体有活性炭、硅胶、石英砂及分子 筛等颗粒，可采用溶胶-凝胶法或粉末附着法等方法使半导体金属氧化物在载体 的表面成膜，制成负载型催化剂。
本发明中反应器的尺寸应根据物料处理量设计，以确保反应器内气、液、 固三相良好的混合和分离。
综上所述，本发明通过实施上述技术方案的优点与创新之处在于：(1)迷宫 式错流鼓泡光催化反应装置结构简单，操作方便，无须设置内部冷却系统;(2) 可利用外部平行辐射光源，光能利用率高;(3)有机废水在反应器中以平推流方 式流动，液相停留时间长，废水处理能力和降解深度可调控;(4)气、液两相错 流流动，气相、液相和固相三相呈流化状态，光催化反应效率高;(5)反应器出 水中的光催化剂经外部固液分离器分离可循环利用，也可回收再生;(6)通过进 水流量可调节颗粒光催化剂在反应器中的停留时间;(7)光催化反应系统可间隙 操作，也可连续运行;(8)反应器可单独设计放大，易于实现工业应用。
