申请日2005.11.16
公开(公告)日2008.10.22
IPC分类号C02F9/04; C02F1/32; C02F1/72; C02F1/48
摘要
一种使用磁性光催化剂的水处理技术领域，涉及磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理方法及其装置。它采用具有磁性的光催化剂颗粒与待处理水的混合形成悬浮光催化剂的混合液，在气体作用下于光催化反应区内进行循环，增强反应区床层内各相混合效果;将光源直接置入光催化反应内，其产生的光可被光催化剂有效利用;在光催化反应区出口设置磁分离区，使经处理后的水与光催化剂颗粒分离后被排出该水处理装置，光催化剂从磁分离区底部返回光催化反应区内循环使用。本发明具有污染物降解速率快、水处理量大、装置设计和操作简单，催化剂能在线回收利用，可以间歇或连续运行等优点，有利于与其他水处理技术相配合，达到提高水处理能力和效率的目的。
权利要求书
1.一种磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理方法，其特征在于：采用具有磁性的光催化剂颗粒与待处 理水的混合形成悬浮光催化剂的混合液;将所述的混合液送入光催化反应区内，在气体作用下进行循环， 以增强反应区床层内各相混合效果;将光源按照特定方式直接置入光催化反应内，其产生的光可被光催化 剂有效利用;在光催化反应区出口设置磁分离区，使经处理后的水与光催化剂颗粒分离后被排出该水处理 装置，光催化剂从磁分离区底部返回光催化反应区内循环使用，水处理过程实现连续运行。
2.采用如权利要求1所述方法的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置，其特征在于：包括光催化 反应区(1)和磁分离区(2)，所述的光催化反应区(1)由外筒体(3)、与外筒体(3)同心安装的导流 筒(4)、光源(5)和气体分布器(6)组成，所述的磁分离区(2)由外筒体(7)、与外筒体(7)同心安 装的叶轮(8)和设置于外筒体(7)下部外围的磁场发生器(9)组成，所述的外筒体(3)上设有气体入 口(10)、液体入口(11)、气体出口(12)、上连接口(13)和下连接口(14)，所述的外筒体(7)由上 部的直形筒体和下部的锥形筒体组成，该筒体上设有上连接口(15)、下连接口(16)、液体出口(17)和 气体出口(18)，所述的外筒体(3)的上连接口(13)和下连接口(14)通过管道分别与外筒体(7)的 上连接口(15)、下连接口(16)相连接。
3.如权利要求2所述的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置，其特征在于：在所述的外筒体(3) 与其同心安装的导流筒(4)之间形成环形缝隙，液固混合液在气体作用下于导流筒和环形缝隙之间形成 循环，所述的导流筒截面积与环形缝隙截面积之比为1-10倍。
4.如权利要求2所述的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置，其特征在于：所述的光源(5)采用 底端封口的石英套管(19)与反应物料隔离，以特定分布方式置于导流筒(4)内，其产生的光可以是紫 外光和可见光，光源之间以及光源与导流筒内壁之间的间距为2-15mm。
5.如权利要求2所述的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置，其特征在于：所述的气体分布器(6) 采用开孔的基板(20)和安装在孔内的气体分布管(21)组成，该气体分布管(21)由不锈钢管(22)和 金属烧结头(23)两部分连接而成，所述基板(20)上的孔与不锈钢管(22)另一端连接，不锈钢管内径 3-10mm。
6.如权利要求2所述的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置，其特征在于：在所述的外筒体(3) 与其同心安装的导流筒(4)之间所形成的环形缝隙中安装用以移出或导入热量的换热管(24)，该换热管 为蛇形管，均匀分布于环形缝隙内。
7.如权利要求2所述的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置，其特征在于：所述的外筒体(7)由 上部的直形筒体和下部的锥形筒体组成，该筒体的上连接口(15)为长方形口，与筒体(7)上部直形筒 体切向相接，所述的上连接口(15)截面积与导流筒截面积之比为0.1-0.5。
8.如权利要求2所述的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置，其特征在于：所述的叶轮(8)采用 推进式叶轮，设置于外筒体(7)底部锥形筒体内，与该锥形筒体有一定间距，由设置在顶部的电机(25) 驱动，该叶轮的对称轴与分离器(7)锥形筒体的对称轴重合。
说明书
磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种用于水处理的装置的技术领域，特别涉及适用于基于光催化技术的以磁性的光 催化剂为悬浮体系的水处理装置。
背景技术
随着工业和经济的发展，大量排放水不断进入环境，其中含有难以生物降解的有毒有害物质， 给工农业生产、人民生活和人体健康带来很大的危害.如何有效地处置这些被污染的水成为环境领域的热 点。目前通常采用吸附、紫外线氧化、臭氧氧化、化学降解、生物降解等技术进行处理.然而在常规水处 理方法中，物化法存在工艺流程复杂、费用昂贵、吸附剂再生困难、降解不彻底、容易产生二次污染等不 足;常规生物法难以实现对该类废水的彻底治理，而且通过筛选高效菌种降解的效果不稳定，生产周期长; 臭氧和过氧化氢等氧化法对这些有害物质的去除效率不高，易生成毒性更大的中间产物.因此这些技术目 前在排放水特别是含有难以生物降解的有毒有害物质工业废水的处理方面并未获得广泛的应用.光催化氧 化技术是一项刚兴起不久的高级氧化技术.大量的研究结果表明，光催化氧化技术可以有效地降解多种有 机污染物，特别是许多难降解或用其他方法难以去除的物质，并转化为无机小分子物质，达到完全矿质化， 对环境无任何危害;同时，具有能耗低、操作简便、反应条件温和、可以减少二次污染等优点;另外，光 催化氧化技术具有停留时间短的优势，相比较生化处理方法可节省当量的固定投资。因此光催化氧化技术 是处理有毒有害废水最有前途的方法之一，被称为“环境友好技术”。
目前高效光催化反应器的研究与设计是光催化氧化技术工业化过程中需要解决的焦点问题之一。根据 催化剂形式，可将光催化反应器分为两类：一类是采用催化剂固定化技术的固定床反应器;另一类是采用 粉末催化剂的悬浮式光催化反应器.据资料报道(Hoffmann R M，et al.Environmental Applications of Semiconductor Photocatalysis.Chem Rev，1995，95：69-96)，平板型或浅池型结构的光催化反应器已经被用于 光降解研究和实际水处理中，并且取得了一些成功，但同时催化剂易于污染和脱落，反应器制造及运行费 用高、操作复杂、难于放大，因而，很难推广应用。对于悬浮式光催化反应器，由于反应器中催化剂处于 悬浮状态，催化剂颗粒表面的利用效率，与污染物接触的机率大，光利用率高，使得其反应速率远远高于 固定床反应器，因此，此类反应器极其适合于大规模水处理过程。然而限制其工业化应用的重要原因在于 催化剂的分离和连续运行问题。在一些研究中曾尝试采用混凝沉淀的方法来使粉末催化剂与处理水分离， 但这种方法操作烦琐，而且催化剂难以回收再用。中国专利CN00103234.8(施汉昌，盂耀斌，王霞，王小任， 钱易.内置沉淀分离区的流化床型悬浮光催化氧化水处理方法及其装置.CN00103234.8，2000.3.17)公开了 一种内置沉淀分离区的流化床型悬浮光催化氧化水处理方法及其装置，但此类方法难以用于小颗粒光催化 剂体系.也有采用膜分离技术进行分离催化剂(黄霞，盂耀斌，施汉昌，王小任，钱易.与膜分离设备组合 的悬浮光催化氧化水处理方法及其装置.CN00103229.1，2000.3.17;Kamble S P，Sawant S B，Pangarkar V G. Batch and continuons photocatalytic degradation of benzenesulfonic acid using conceantrated solar radiation.Ind Eng Rea，2003，42：6705-6713)，实现催化回用和连续操作，然而膜分离设备通常会被污染物污染或催化剂 堵塞限制其长时间运转.正因为以上因素的存在，光催化氧化技术的实用化受到了很大的限制。
发明内容本发明的目的在于克服上述现有悬浮式光催化反应器的缺陷，提出一种气升式悬浮光催化水处 理方法及其装置，使其具有光催化效率高、处理量大、操作容易且催化剂能回收再用，可连续运行的优点， 可成为应用于工业化水处理的实用装置。
本发明采用如下技术方案来实现其发明目的：
本发明提出的一种磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理方法，其特征在于：采用具有磁性的光催化 剂颗粒与待处理水的混合形成悬浮光催化剂的混合液;将所述的混合液送入光催化反应区内，在气体作用 下进行循环，以增强反应区床层内各相混合效果;将光源按照特定方式直接置入光催化反应内，其产生的 光可被光催化剂有效利用;在光催化反应区出口设置磁分离区，使经处理后的水与光催化剂颗粒分离，处 理水经磁分离设备分离后被排出该水处理装置，光催化剂从磁分离区底部返回光催化反应区内循环使用， 水处理过程实现连续运行。
本发明提出的采用上述方法的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置，其特征在于：包括光催化 反应区1和磁分离区2，所述的光催化反应区1由外筒体3、与外筒体3同心安装的导流筒4、光源5和气体分 布器6组成，所述的磁分离区2由外筒体7、与外筒体7同心安装的叶轮8和设置于外筒体7下部外围的磁场发 生器9组成，所述的外筒体3上设有气体入口10、液体入口11、气体出口12、上连接口13和下连接口14，所 述的外筒体7由上部的直形筒体和下部的锥形筒体组成，该筒体上设有上连接口15、下连接口16、液体出 口17和气体出口18，所述的外筒体3的上连接口13和下连接口14通过管道分别与外筒体7的上连接口15、下 连接口16相连接。
所述的外筒体3与其同心安装的导流筒4之间形成环形缝隙，液固混合液在气体的气升作用下于导流 筒和环形缝隙之间形成循环，所述的导流筒截面积与环形缝隙截面积之比为1-10倍。
所述的光源5采用底端封口的石英套管19与反应物料隔离，以特定分布方式置于导流筒4内，其产 生的光可以是紫外光和可见光，光源之间以及光源与导流筒内壁之间的间距为2-15mm。
所述的气体分布器6采用开孔的基板20和安装在孔内的气体分布管21组成，该气体分布管21由不 锈钢管22和金属烧结头23两部分连接而成，所述基板20上的孔与不锈钢管22另一端连接，不锈钢管内 径3-10mm。
在所述的外筒体3与其同心安装的导流筒4之间所形成的环形缝隙中安装用以移出或导入热量的换热 管24，该换热构件为蛇形管，均匀分布于环形缝隙内。
所述的外筒体7由上部的直形筒体和下部的锥形筒体组成，该筒体的上连接口15为长方形口，与筒 体7上部直形筒体切向相接，所述的上连接口15截面积与导流筒截面积之比为0.1-0.5。
所述的叶轮8采用推进式叶轮，设置于外筒体7底部锥形筒体内，与该锥形筒体有一定间距，由设置 在顶部的电机25驱动，该叶轮的对称轴与外筒体7锥形筒体的对称轴重合。
本发明具有以下优点及突出性效果：
本发明提出的采用上述方法的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置采用空气作为一种能量携 带者，推动各相在床层内循环流动，与常用强制内循环或外循环式液固光催化反应器相比，具有结构简单， 能耗低的特点;同时，空气也作为反应物，为光催化氧化过程提供氧气和臭氧促进光催化氧化能力，从而 提高反应器处理水的能力。
与传统的鼓泡床式光催化反应器相比，本发明的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置中外筒体 3内设置有导流筒4，在气体的气升作用下，光催化剂和待处理水形成的混合液从导流筒底部与气体由下 而上流动，在光和催化剂的作用下进行光催化反应，流至导流筒顶端与气体分离，混合液在重力场作用下 沿着外筒体3与导流筒4之间环形缝隙流下形成循环流动，增强了各相在整个床层内混合尺度，具有良好 的气液固三相混合效果，即使在表观气速较低时，也可以避免固体光催化剂的聚集，从而提高了光催化剂 的利用效率。
本发明的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置将光催化反应过程磁分离过程相耦合，磁性的光 催化剂和待处理水形成的混合液经光催化氧化处理后在重力场作用下旋流式进入磁分离区内，在外加磁场 的作用下磁性的光催化剂与液体快速分离，在叶轮和旋流作用下从底部回到光催化反应区内，分离后的液 体由上部排出水处理装置，从而实现催化剂在线分离与回用，以及水处理过程连续运行，避免了在线膜分 离过程中膜的污染与堵塞，或后续采用混凝沉淀的方法进行催化剂分离与回收过程，大大简化了水处理工 艺流程和成本.
与传统光反应器相比，本发明的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理装置中光源按照一定方式分布 于导流筒内，一方面提高反应器内光利用率，另一方面，光源可以方便地从装置顶部取出，有利于反应器 加工、安装以及检修.
本发明的磁分离耦合的气升式悬浮光催化水处理方法简单，装置设计简单，易操作，有利于与其他水 处理技术相配合，达到提高水处理能力和效率的目的。
