申请日2006.11.24
公开(公告)日2008.12.17
IPC分类号B01J8/22; C02F1/32; B01J19/12
摘要
多光源三相循环流化床光化学反应器及其处理废水的方法，涉及一种处理废水的光化学反应器及其处理难降解有机废水的方法。它解决了目前均相芬顿体系处理废水时，有机物矿化度低，反应过程中产生大量的含铁废泥，铁泥的处置成本高，且易造成二次污染的问题。上封头与筒体通过上封头法兰连接，筒体内横向安装了多只石英套管，石英套管的端面与筒体固定连接，石英套管内安装有紫外灯，本发明利用紫外辐射、固体催化剂和氧化剂的共同作用，产生羟基自由基，将废水中难降解的有机物分解和矿化的方法来处理废水。本发明具有有机污染物去除率高、矿化度高，不造成二次污染，操作简单，适合工业化生产的优点。
权利要求书
1、一种多光源三相循环流化床光化学反应器，其特征在于它的整体结构 为长方体，主要由筒体(1)、上封头(2)、上封头法兰(3)、下封头(4)、 下封头法兰(5)、带有进水阀(21)的进水管(6)、带有出水阀(20)的出 水管(7)、带有进气阀(18)和充气泵(17)的进气管(8)、带有出气阀(19) 的出气管(9)、多孔曝气板(10)、紫外灯(11)和石英套管(12)组成; 上封头(2)与筒体(1)通过上封头法兰(3)连接，出气管(9)的进气口与 上封头(2)的顶部连通，出水管(7)的进水口与筒体(1)的上部连通，筒 体(1)内横向安装了多只石英套管(12)，石英套管(12)的两个端面与筒 体(1)固定连接，石英套管(12)内安装有紫外灯(11)，下封头(4)与筒 体(1)通过下封头法兰(5)连接，进水管(6)的出水口与下封头(4)的上 部连通，进气管(8)的出气口与下封头(4)的下部连通，下封头4的底部安 装有多孔曝气板(10)，筒体(1)中装有Fe/无机载体催化剂。
2、根据权利要求1所述的多光源三相循环流化床光化学反应器，其特征 在于多光源三相循环流化床光化学反应器中增加了导流板(13)、扩大漏斗(14) 和出水挡板(15)，导流板(13)的两个端面与筒体(1)的内壁固定连接， 扩大漏斗(14)的下端与筒体(1)的上端固定连接，上封头(2)与扩大漏斗 (14)通过上封头法兰(3)连接，出水挡板(15)的两端与扩大漏斗(14) 的内壁固定连接。
3、根据权利要求1所述的多光源三相循环流化床光化学反应器，其特征 在于多光源三相循环流化床光化学反应器中增加了固相输送管，固相输送管 (16)被安装在筒体(1)的外面，固相输送管(16)的上端与筒体(1)的上 部固定连接，固相输送管(16)的下端与筒体的下部固定连接;固相输送管(16) 的进口与筒体(1)的上部连通，固相输送管(16)的出口与筒体(1)的下部 连通。
4、根据权利要求1所述的多光源三相循环流化床光化学反应器，其特征 在于催化剂采用无机多孔材料为载体的Fe/无机载体催化剂。
5、利用权利要求1所述的多光源三相循环流化床光化学反应器处理废水 的方法，其特征在于处理废水的方法如下：一、先在反应器内装入0.7～1.8g/L 的Fe/无机载体催化剂，然后接通紫外灯(11)，再将氧化剂和废水经进水管 (6)流入反应器内;二、通过调节进水管(6)上的进水阀(21)来控制废水 的流量;三、用充气泵(17)经进气管(8)向反应器鼓入空气，经多孔曝气 板(10)形成均匀分布的气泡，气泡及反应液夹带Fe/无机载体催化剂颗粒上 浮，形成气态、固态、液态三相流化态;四、在紫外灯(11)的照射下，废水 中大分子的有机物被降解成小分子无害物质，接着被氧化成二氧化碳和水;五、 经步骤四处理后的废水上升至筒体(1)上部废水速度减弱，催化剂颗粒由于 自身重力及流场作用全部回流至反应器底部，再重新上升参与新的反应;气泡 溢出水面，经固定在上封头(2)处的出气管(9)排出;处理后的废水一部分 由出水管(7)排出，另一部分流回至筒体(1)的底部继续参与新的反应。
6、根据权利要求5所述利用多光源三相循环流化床光化学反应器处理废 水的方法，其特征在于氧化剂为氧气、臭氧或双氧水。
7、根据权利要求5所述利用多光源三相循环流化床光化学反应器处理废 水的方法，其特征在于它处理废水方法的步骤一中使用的氧化剂为双氧水，在 步骤五中经步骤四处理后的废水上升至扩大漏斗(14)废水速度减弱。
8、根据权利要求5所述利用多光源三相循环流化床光化学反应器处理废 水的方法，其特征在于它处理废水方法的步骤一中使用的氧化剂为双氧水，在 步骤五中催化剂颗粒由于自身重力及流场作用沿着固相输送管(16)全部回流 至反应器底部。
说明书
多光源三相循环流化床光化学反应器及其处理废水 的方法
技术领域
本发明涉及一种处理废水的光化学反应器及其处理废水的方法，具体涉及 多光源三相循环流化床光化学反应器及其处理难降解有机污染物的废水方法。
背景技术
近些年来，许多学者对于光助均相芬顿体系降解难降解有机污染物做了许 多的研究。但是该体系最大的缺点是，在均相体系中的铁离子的存在使得溶液 带有颜色，随着反应结束pH值升高，反应过程中会产生大量的含铁废泥，铁 泥的处置成本较高，且易造成二次污染。同时，均相芬顿体系只有在较低的 pH下才能有效地进行。而光助非均相芬顿体系可以克服上述缺点，其主要优 点在于实现铁元素的重复利用，不产生铁泥，有机物矿化度高，但光助非均相 芬顿体系的关键在于高效、低成本的非均相催化剂的研究开发以及高效、适合 工业应用的光化学反应器的设计。近10年来，人们开始研究采用含铁的固体 物质或载体固定铁离子，构成非均相芬顿体系氧化降解有机污染物。
Kiwi.J等人(Langmuir 18(2002)9054-9066)和Parra.S等人(Phys.Chem.B 107(2003)7026-7035)研究利用离子交换树脂通过离子交换将离子固定化，但 此树脂必须避免被强氧化性的自由基腐蚀，所以使用的是Nafion离子交换树 脂，该催化剂处理效果比较好，但有机物的矿化度不高，并且由于Nafion的 价格昂贵，不适于工业化应用。也有研究使用无机载体固定铁离子，这类载体 有碳纤维、分子筛、活性Al2O3等。金等人研究制得Fe2O3/Al2O3催化剂(发 明专利公开号CN1562798A)，其对苯酚的处理效果好，催化活性高，但由于 其粒径较大，不宜流化，不适合于三相循环流化床反应体系。香港大学Jiyun Feng等人发表了数篇文章(Water Research 40(2006)641-646，Chemical Engineering Science 58(2003)679-685)将Fe负载在粘土上制备成催化剂用 于处理Orange II染料。其处理结果表明在90min内，染料的脱色率为100%， 总有机碳去除率为70%，Fe溶出很小，可忽略，结果满意。但由于此催化剂 粒径细小，为纳米级，不宜分离且强度不够，不适合用于三相循环流化床反应 体系。
对光反应器的报道也逐渐增多，但总体来说，光化学反应器的研究还基 本局限于实验室研究。光化学反应器设计的问题远比传统的化学反应器复杂， 除了涉及质量传递与混合、流动方式、反应动力学、催化剂的安装等问题外， 还必须考虑光辐射这一重要因素。光反应器必须能提供尽可能大的且能被照射 的催化剂比表面积且要宜于工业化放大。现有光化学反应器可以分为固定床和 流化床两种类型。固定床反应器中催化剂颗粒或催化剂膜在反应器内处于静止 状态，与光和气、液反应物接触面积小，使反应速度和处理量都受到很大限制; 流化床反应器中催化剂颗粒悬浮在气液混合物中，增加了催化剂与气、液反应 物的接触面积，也使有效光照面积得到提高，其中三相流化床反应器由于其独 特的结构，更适用于光化学反应体系，有着广泛的应用前景。但目前流化床光 催化反应器的研究还远远少于固定床，并且已有的流化床光化学反应器多为推 流式，反应液停留时间不够，而且化学反应与催化剂回收在同一反应区内进行， 催化剂分离回收不充分。
陈爱平等人发明了列灯式填充床光反应装置(发明专利公开号 CN1528513A)，是一种多光源的固定床光反应器，由于紫外灯长度有限，紫外 灯必须在轴向方向通过串/并联组成紫外灯组件后置于套管中，才能在轴向进 行放大，灯管更换较为麻烦，并且此反应器为固定床反应器，催化剂与光和气、 液反应物接触面积小。周亚松等人发明的流化光催化反应器(发明专利公开 号CN1508073A)，该反应器主体为同轴套管结构，紫外灯置于反应器的内管 中，由于紫外灯光强衰减较快，这种反应器允许的环隙宽度很窄，很难实现工 业放大化。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前均相芬顿体系处理废水时，有机物矿化度 低，反应过程中产生大量的含铁废泥，铁泥的处置成本高，且易造成二次污染 的问题，提供了一种多光源三相循环流化床光化学反应器及其处理废水的方 法。
本发明中多光源三相循环流化床光化学反应器的整体结构为长方体，主要 由筒体、上封头、上封头法兰、下封头、下封头法兰、带有进水阀的进水管、 带有出水阀的出水管、带有进气阀和充气泵的进气管、带有出气阀的出气管、 多孔曝气板、紫外灯和石英套管组成;上封头与筒体通过上封头法兰连接，出 气管的进气口与上封头的顶部连通，出水管的进水口与筒体的上部连通，筒体 内横向安装了多只石英套管，石英套管的两个端面与筒体固定连接，石英套管 内安装有紫外灯，下封头与筒体通过下封头法兰连接，进水管的出水口与下封 头的上部连通，进气管的出气口与下封头的下部连通，下封头的底部安装有多 孔曝气板，筒体中装有Fe/无机载体催化剂。
利用本发明装置处理废水的方法如下：一、先在反应器内装入0.7～1.8g/L 的Fe/无机载体催化剂，然后接通紫外灯，再将氧化剂和废水经进水管流入反 应器内;二、通过调节进水管上的进水阀来控制废水的流量;三、用充气泵经 进气管向反应器鼓入空气，经多孔曝气板形成均匀分布的气泡，气泡及反应液 夹带Fe/无机载体催化剂颗粒上浮，形成气态、固态、液态三相流态;四、在 紫外灯的照射下，废水中大分子的有机物被降解成小分子无害物质，接着被氧 化成二氧化碳和水;五、经步骤四处理后的废水上升至筒体上部废水速度减弱， 催化剂颗粒由于自身重力及流场作用全部回流至反应器底部，再重新上升参与 新的反应;气泡溢出水面，经固定在上封头处的出气管排出;处理后的废水一 部分由出水管排出，另一部分流回至筒体的底部继续参与新的反应。
多光源三相循环流化床光化学反应器采用横向多光源平行布置的方式，反 应器内光分布均匀，光利用效率高，以上升的气泡为主要动力，使反应器内气、 固、液三相处于流动状态，充分接触，并有充分的水力停留时间，并且该反应 器易于工业化放大。本发明可在较短的时间内，使有机污染物达到较高的去除 率，并且矿化度高，不造成二次污染，运行简便，易于工业化。在含有紫外辐 射和固体催化剂的反应装置内，通过加入氧化剂(氧气、臭氧、双氧水等)， 在气、固、液三相循环流化状态下，通过紫外辐射、固体催化剂和氧化剂的共 同作用，产生羟基自由基，有效地实现对废水中难降解有机物特别是大分子有 机物的分解、矿化。本发明采用横向多光源平行布置紫外光源。首先将多只石 英套管横向贯穿于反应器内，紫外灯置于石英套管内，方便紫外灯的更换。这 种布置可以使反应器内任一点获得适当的光辐射强度并且分布均匀。同时，横 向布置可以容易地将反应器在宽度方向上和高度方向上进行放大，实现了光化 学反应器的工业化放大应用。
本发明具有有机污染物去除率高、矿化度高，不造成二次污染，操作简单， 适合工业化生产的优点。
