申请日2005.12.27
公开(公告)日2006.06.21
IPC分类号C02F103/04; C02F1/32
摘要
全天候太阳能固定膜光催化氧化水处理装置，涉及一种不受天气影响的太阳能水处理装置。包括清水储存箱(1)、待处理水储水槽(2)、预处理器(3)、泵(4)、流量计(5)、采光板(6)和光反应器(7)。光反应器(7)由内管(16)、外管(15)构成同心圆结构，其中装填2层固定膜催化剂和冷阴极紫外灯(20)。固定膜催化剂的外层(17)是由弹簧型支架(21)固定，内层(18)直接包覆于内管(16)的外壁上。本发明利用太阳能及辅助光源适应天气变化，实现全天候高效运转。具有结构简单、光能利用率高、运行费用低、操作方便、可长期稳定运行的特点。可广泛用于饮用水的深度处理和高纯水的制备，也可推广应用到有毒有害难降解有机废水的处理等。
权利要求书
1.一种全天候太阳能固定膜光催化氧化水处理装置，包括清水储存箱(1)、 待处理水储槽(2)、预处理器(3)、泵(4)、流量计(5)和光催化反应器组件; 光催化反应器组件由采光板(6)、光反应器(7)和光源自控装置(8)组成，采 光板(6)由平截式复合抛物面构成，每组抛物面的中心设有一个光反应器(7)， 光反应器(7)并排放置，并通过端部设有的弯头(9)互相串联连接成一体;其 特征在于：光反应器(7)由外管(15)和内管(16)通过特制弯头(9)进行连 接成同心圆结构，内管(16)内装有作为辅助光源的双端冷阴极低压汞灯(20); 在内、外管之间的密闭空间中装填有两～三层固定化催化剂。
2.根据权利要求1所述的全天候太阳能固定膜光催化氧化水处理装置，其 特征在于：所述的光反应器(7)内安装的冷阴极低压汞灯(20)的两端以可透 气的固定套箍(19)进行固定，可以通风防止光源过热;灯(20)的启闭通过感 光元件触发的自控装置控制。
3.根据权利要求1所述的全天候太阳能固定膜光催化氧化水处理装置，其 特征在于：所述的光反应器(7)的外管(15)和内管(16)通过橡胶密封圈(24)、 外密封螺母(22)和内密封螺母(23)与弯头(9)进行固定成同心圆结构，便 于拆卸，装填或去除催化膜。
4.根据权利要求1所述的全天候太阳能固定膜光催化氧化水处理装置，其 特征在于：所述的光反应器(7)中装填的2层固定膜催化剂中的外层(17)是 由不锈钢制成的弹簧型支架(21)固定，装填时因两端拉紧径向变小，两端松开 时固定膜被自动撑开的支架张紧在光反应器外管(15)的内壁，固定膜催化剂的 内层(18)直接包覆于光反应器的内管(16)的外壁上，用卡箍固定。
说明书
全天候太阳能固定膜光催化氧化水处理装置
技术领域
本发明涉及一种不受天气影响的太阳能固定膜光催化氧化水处理装置，该装 置可广泛用于饮用水的深度处理和高纯水的制备，同时也可推广应用到有毒有害 难降解有机废水的处理或和其他技术联用。
背景技术
太阳能是一种资源丰富的新型能源，经研究，可用于TiO2光催化氧化水处理 的太阳能(λ<400nm)约为太阳能辐射总量的3%-4%，可高达约50W/m2，且太 阳能环境友好，不会产生环境污染，所以，将太阳能用作光催化氧化水处理的能 源，可以减少能耗，降低处理成本，具有良好的经济效益与社会效益。利用太阳 能的TiO2光催化氧化水处理装置具有氧化能力强、对污染物没有选择性等特点， 在处理水中毒有害物质方面具有广阔的应用前景。
目前，根据采光元件的不同，太阳能TiO2光催化氧化水处理装置可分为聚光 型反应器和非聚光型反应器两种。聚光型反应器通常指抛物槽反应器(PTCR)， 该类型反应器通过跟踪装置追踪太阳光，将直射光聚集到位于抛物槽焦线上的由 多组互相连接的反应管单元组成，管内装有悬浮型TiO2光催化。虽然，这类太 阳能光催化反应器用于处理工业废水在技术上是可行的，但是，PTCR需要太 阳跟踪装置，建造成本高，且只能利用直射太阳紫外辐射，光能利用效率较低。 另外，该类反应器还存在对天气条件变化的适应性较差、催化剂从水中分离回收 困难、初期投资和运行成本高等问题。
随着技术的发展，聚光型反应器已逐渐为既可利用直射光又可利用散射光的 非聚光型反应器所取代。非聚光型反应器主要有平板型反应器(TFFBR)和复合 抛物面反应器(CPCR)。平板型反应器的主体是涂覆催化膜的平板，反应液以薄 膜状流经固定化催化剂，在太阳紫外辐射的作用下，水中污染物得到降解去除。 但这种反应器的明显缺点是水力负荷低，水流通常为层流，存在传质限制问题， 反应器效率偏低。
复合抛物面(CPC)反应器可将集光角范围内的所有直射和散射光均匀地反 射在反应管的圆周上，具有较高的光学效率;且结构简单，水力条件好，不存在 传质限制问题;另外，装置不需要太阳跟踪装置，建造和运行维护费用低。但目 前这种CPC反应器多采用悬浮态催化剂，催化剂分离回收困难。
为了提高对太阳紫外辐射的利用效率，消除传质限制，并克服悬浮态催化剂 分离回收困难的缺点，发明专利CN1699200(申请号CN200510026138.X)采用 复合抛物面采光板作为集光装置，可以利用太阳紫外辐射的直射部分与散射部 分;使用固定膜催化剂可以省去悬浆体系催化剂分离回收工序，装置还具有良好 的传质作用。但是，如同所有的太阳能利用装置一样，该装置在太阳紫外辐射 低的阴雨天等天气条件下，处理效率低下，不能实现全天候高效运转，难以满足 实际工程应用需要。
发明内容
本发明的目的是设计一种能够适应天气变化，可全天候高效运转的太阳能 TiO2固定膜光催化氧化水处理装置。该装置具有结构简单、建造和运行成本低、 反应速率高，处理水量大、操作方便、运行稳定并能实现自动控制的优点，可广 泛用于饮用水的深度处理和高纯水的制备。
为了达到上述目的，本发明是这样实现的：整个系统包括储水箱、光催化反 应器组件、泵、流量计、清水储存箱。光催化反应器组件由采光板、光反应器和 固定化催化剂组成，光催化反应器组件底端通过与之匹配的固定在支撑板上的铰 链与支撑板连接，支撑板的另一端固结了由带有螺纹的支撑轴和调节螺母组成的 角度调节机构，使采光板的倾斜位置达到最佳采光效果。采光板由根据设计需要 确定数量的平截式复合抛物面构成，每组抛物面的中心设有一个光反应器，所有 的光反应器并排放置，并通过端部弯头连接成一体，成为串联形式。其特点是： 光反应器由内管和外管组成双层同心圆结构，外管采用对太阳紫外辐射具有很高 透射率、价格便宜的高硅氧玻璃材料，内套管采用能透过人工光源远紫外光的石 英套管，套管内装有作为辅助光源的双端冷阴极低压汞灯。人工光源可手工启闭 或通过感光元件触发的自控装置启闭。在晴天或者多云天气，装置利用太阳紫外 辐射为反应光源，在阴雨天气自动开启电光源，采用混和光源，以实现全天候高 效运转。在内、外管之间的密闭空间中装填有两层固定化催化剂。待处理水流经 催化膜时，在太阳紫外辐射或电光源紫外辐射的作用下，水中的污染物被氧化分 解。
本发明的优点如下：
1.由于本发明设有的人工光源采用寿命长、光衰减小的双端冷阴极低压汞 灯作为太阳紫外辐射的辅助光源，并能根据光强变化自动控制电光源的启闭，因 此能实现全天候运转，使装置在阴雨天也保持很高的处理效率。冷阴极灯置于反 应器内套管中，使用安全且光能利用率高。
2.本发明可充分利用太阳紫外辐射。构成本发明的平截式复合抛物面型采 光板是倾斜放置，其倾斜角可通过由带有螺纹的支撑轴和调节螺母组成的角度调 节机构调节，因此能够适合不同纬度地区的运行需要，既可利用太阳紫外辐射的 直射部分又可利用散射部分，达到非常好的处理效果。
3.本发明通过特制的接头将光反应器的内、外套管以同心圆形式固定，形 成水流可通过的连续的密闭空间。按照设计规模的大小可以并联或串连拼接放 大。光反应器内装有特制的TiO2固定膜光催化剂，内层直接包覆于石英管上， 外层通过简单的特制支架将其撑开，使其保持理想的空间位置，消除了使用悬浮 性催化剂反应器所存在的催化剂分离、回收困难的固有缺点。本发明结构紧凑合 理、水流流态好、反应速率高、运行费用低、操作方便、运行稳定。
4.本发明的TiO2固定膜光催化剂是在柔性基材玻璃纤维网上制作的，比表 面积大、装填方便、质轻、耐久性好，在重复使用多次后，处理效果降低很少， 稳定性好;透光率高。在采光面积不变的情况下，最大化的利用了反应器的容积， 提高了催化剂的有效催化面积。
5.本发明的反应器的传质性能较一般使用刚性载体的固定膜反应器优越， 在较低的流速条件下，就可基本消除传质对反应速率的限制。可根据处理水量、 水质要求灵活选择反应器单元组件采用串连或并联连接方式，装置规模放大不影 响基本设计参数，制造简单。
