專利名稱：新型光催化臭氧化流化床反應(yīng)裝置及水處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光催化臭氧化反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)，尤其是涉及一種集污染物降解和催化劑 分離再生于一體的新型光催化臭氧化流化床反應(yīng)裝置及采用該裝置的水處理方法。
背景技術(shù)：
高效實(shí)用的光催化反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)是光催化氧化法降解水中有機(jī)污染物的技術(shù)邁向?qū)?用化的關(guān)鍵步驟之一?？傮w來(lái)說(shuō)，光催化反應(yīng)器的研制主要是沿著如何高效合理地利用光 催化劑以及光源光強(qiáng)為思路來(lái)進(jìn)行的。
按催化劑的使用方式可分為懸浮液型光催化反應(yīng)器和固定床型光催化反應(yīng)器。早期的 研究多傾向于懸浮式光反應(yīng)器，將Ti02與有機(jī)物溶液組成懸浮液，通過(guò)攪拌使催化劑分散 均勻。由于顆粒Ti02比表面積大，對(duì)有機(jī)物具有較好的吸附作用以及對(duì)光子有較高的吸收， 因此具有較好的降解作用。因此這類反應(yīng)器仍然具有一定的應(yīng)用前景。但水處理后期Ti02 的分離和回收過(guò)程較繁雜，而且由于懸浮液的溶劑及其他化學(xué)組分對(duì)光的吸收，使輻射深 度受到影響。針對(duì)懸浮型光催化反應(yīng)器的不足，近年來(lái)固定式光催化反應(yīng)器得到了迅速發(fā) 展。將Ti02顆粒固定于載體或薄膜來(lái)處理廢水，不需額外設(shè)備就可使TiOz重復(fù)使用。Ti02 固定化的載體構(gòu)成固定床，使吸附、催化、分離等過(guò)程有機(jī)結(jié)合在一起，其缺點(diǎn)是催化劑 的表面積與體積比低，影響其有效作用面積，催化劑投加量大，對(duì)光的利用率低等。
現(xiàn)在，也有采用二氧化鈦納米管作為催化劑使其在臭氧狀態(tài)下達(dá)到流化狀態(tài)，形成了 光催化臭氧化流化床反應(yīng)器。但是，在實(shí)際使用中，催化劑易于污染，需要進(jìn)行再生處理； 另外，光催化臭氧化工藝中存在尾氣臭氧浪費(fèi)及二次污染的問(wèn)題。目前，催化劑的再生方 法主要有沖掃再生、光再生、熱再生、化學(xué)清洗、超聲波再生，均存在處理成本偏大的問(wèn) 題，而用尾氣臭氧對(duì)催化劑進(jìn)行再生的研究尚無(wú)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決光催化臭氧化過(guò)程中催化劑易污染以及尾氣臭氧浪費(fèi)污染等 問(wèn)題，提供一種集污染物降解和催化劑分離再生于一體的新型光催化臭氧化流化床反應(yīng)裝 置及采用該裝置的水處理方法。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案而得以實(shí)現(xiàn)的。
一種光催化臭氧化流化床反應(yīng)裝置，包括反應(yīng)器和臭氧發(fā)生器，所述反應(yīng)器的 上部設(shè)置有排氣口和廢液進(jìn)口，所述反應(yīng)器的下部設(shè)置有進(jìn)水口和排液口，所述反 應(yīng)器的內(nèi)部設(shè)置有燈源和曝氣頭，其中，所述反應(yīng)器至少為兩個(gè)，所述反應(yīng)器內(nèi)部 的曝氣頭設(shè)置有歧管，所述歧管的一端與所述臭氧發(fā)生器連接，所述歧管的另一端 與另一反應(yīng)器的排氣口連接。所述燈源為紫外燈或可見(jiàn)光燈。
一種水處理方法，其中，采用權(quán)利要求1所述的光催化臭氧化流化床反應(yīng)裝置，包括 如下步驟廢液處理步驟，使廢液從反應(yīng)器的廢液進(jìn)口進(jìn)入，關(guān)閉該反應(yīng)器，利用從臭氧 發(fā)生器經(jīng)歧管、曝氣頭而進(jìn)入該反應(yīng)器的臭氧和分布于該反應(yīng)器內(nèi)部的催化劑，對(duì)該反應(yīng) 器內(nèi)的廢液進(jìn)行處理，反應(yīng)結(jié)束后將處理后液體排出；催化劑再生步驟，使清洗水從所述 反應(yīng)器的進(jìn)水口進(jìn)入，利用從與另一反應(yīng)器的排氣口連接的歧管通入的另一反應(yīng)器的尾氣 臭氧對(duì)催化劑進(jìn)行再生。
進(jìn)行兩次所述廢液處理步驟后進(jìn)行一次催化劑再生步驟。
所述催化劑再生步驟中還采用燈源發(fā)出的光與尾氣臭氧結(jié)合對(duì)催化劑進(jìn)行再生。
所述燈源為紫外燈或可見(jiàn)光燈。
所述催化劑為柱狀二氧化鈦納米管。
采用本發(fā)明的光催化臭氧化流化床反應(yīng)裝置，使反應(yīng)器的排氣口與另一反應(yīng)器的曝氣 頭連接，利用另一反應(yīng)器的尾氣臭氧來(lái)進(jìn)行催化劑再生，從而降低了催化劑再生成本，同 時(shí)降低了尾氣臭氧的浪費(fèi)及二次污染問(wèn)題。
而且，本發(fā)明采用柱狀二氧化鈦納米管作為催化劑，與以往使用的催化劑相比，提高 了催化劑的表面積與體積比，提高了催化劑的有效作用面積，從而提高了催化效率。
按照本發(fā)明的水處理方法進(jìn)行處理，提高了處理效率，并且可降低處理成本。


圖1為表示本發(fā)明的光催化臭氧化流化床反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2為表示該光催化臭氧化流化床反應(yīng)裝置的運(yùn)行情況的示意圖。 圖3為表示比較例的催化劑的催化性能變化的圖。
圖4為表示實(shí)施例的采用不同再生方式催化劑再生時(shí)對(duì)催化性能的影響的圖。 圖中，1、臭氧發(fā)生器；2、 12、反應(yīng)器；3、曝氣頭；4、廢液進(jìn)口； 5、排氣口； 6、 進(jìn)水口； 7、排液口； 8、歧管；9、燈源。
具體實(shí)施例方式
針對(duì)催化劑易污染失活、尾氣臭氧浪費(fèi)及產(chǎn)生二次污染增加處理成本等一系列問(wèn)題， 結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果即尾氣臭氧具有可單獨(dú)對(duì)污染催化劑進(jìn)行再生的優(yōu)勢(shì)，將上述問(wèn)題有效 結(jié)合，設(shè)計(jì)出新型一體化光催化臭氧化流化床反應(yīng)裝置，集污染物降解和催化劑再生于一 體，本發(fā)明的光催化臭氧化流化床反應(yīng)裝置如圖1所示。
光催化臭氧化流化床反應(yīng)裝置主要包括臭氧發(fā)生器和至少兩個(gè)光催化臭氧化反應(yīng)器， 其中每個(gè)反應(yīng)器的尾氣臭氧均可當(dāng)作另一個(gè)反應(yīng)器的氣源用來(lái)再生催化劑。作為例示，圖 1中表示兩個(gè)獨(dú)立并聯(lián)的反應(yīng)器，反應(yīng)器2的上部設(shè)置有排氣口 5和廢液進(jìn)口 4，反應(yīng)器2 的下部設(shè)置有進(jìn)水口 6和排液口 7,反應(yīng)器2的內(nèi)部設(shè)置有燈源9和曝氣頭3,反應(yīng)器內(nèi) 部2的曝氣頭3設(shè)置有歧管8，歧管8的一端與臭氧發(fā)'生器1連接，歧管8的另一端與另
4一反應(yīng)器12的排氣口 15連接。反應(yīng)器12的結(jié)構(gòu)與反應(yīng)器2的結(jié)構(gòu)相同，其歧管的一端 與臭氧發(fā)生器1連接，另一端與反應(yīng)器2的排氣口 5連接，從而兩反應(yīng)器的尾氣臭氧均可 互作另一反應(yīng)器的氣源用來(lái)再生催化劑。.
作為催化劑，可采用通常使用的催化劑，如顆粒狀Ti02、負(fù)載型Ti02催化劑等，本發(fā) 明優(yōu)選使用柱狀二氧化鈦納米管，將二氧化鈦納米管做成柱狀設(shè)置于反應(yīng)器中，提高了催 化劑的表面積與體積比，提高了催化劑的有效作用面積，從而提高了催化效率。
作為燈源9，可選用紫外燈或可見(jiàn)光燈。
參照?qǐng)D2簡(jiǎn)要說(shuō)明利用該光催化臭氧化流化床反應(yīng)裝置進(jìn)行垃圾滲濾液處理的流程。 第一個(gè)小時(shí)反應(yīng)器一 (即圖1中附圖標(biāo)記2)進(jìn)垃圾滲濾液1L，反應(yīng)l個(gè)小時(shí)后排
空；
第二個(gè)小時(shí)反應(yīng)器一和反應(yīng)器二 (即圖1中附圖標(biāo)記12)各進(jìn)垃圾滲濾液1L，反
應(yīng)l個(gè)小時(shí)后排空；
第三個(gè)小時(shí)反應(yīng)器二進(jìn)垃圾滲濾液1L，反應(yīng)器一進(jìn)自來(lái)水0.5L，反應(yīng)器二尾氣臭 氧通入反應(yīng)器一曝氣頭，反應(yīng)器一關(guān)，燈源發(fā)出的光和臭氧曝氣，反應(yīng)l個(gè)小時(shí)后都排空；
第四個(gè)小時(shí)反應(yīng)器一進(jìn)垃圾滲濾液1L，反應(yīng)器二進(jìn)自來(lái)水0.5L，反應(yīng)器一尾氣臭 氧通入反應(yīng)器二曝氣頭，反應(yīng)器二關(guān)，燈源發(fā)出的光和臭氧曝氣，反應(yīng)l個(gè)小時(shí)后均排空；
以第二 四個(gè)小時(shí)內(nèi)容為一循環(huán)，此后重復(fù)該循環(huán)。 以下通過(guò)具體實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明的有益效果。 實(shí)施例1
采用如圖l所示的兩個(gè)反應(yīng)器并列設(shè)置的光催化臭氧化流化床反應(yīng)裝置，將制備好的 具有可見(jiàn)光激發(fā)功能的柱狀催化劑設(shè)于反應(yīng)器中，在燈源的可見(jiàn)光照射下，進(jìn)行光催化臭
氧化工藝對(duì)垃圾滲濾液深度處理。在臭氧(流速2L/min，投加量383. 46mg/h)曝氣條件下， 柱狀催化劑在反應(yīng)器中可達(dá)到流化狀態(tài)，形成可見(jiàn)光光催化臭氧化流化床反應(yīng)器。
可見(jiàn)光條件下運(yùn)行工藝參數(shù)分別為1L過(guò)濾后的垃圾滲濾液、COD濃度為 844. 9-1418. 3mg/L、柱狀摻鋁型二氧化鈦納米管(A1-TNTs)投加量為4g/L、臭氧投加量 為383. 46mg/h、反應(yīng)時(shí)間lh。第1次處理后產(chǎn)生的尾氣臭氧量為176. 778mg/h左右，作 為再生催化劑的臭氧投加量，再生過(guò)程均在1L蒸餾水中進(jìn)行l(wèi)h。而且，對(duì)于三次污染后 的催化劑進(jìn)行尾氣臭氧單獨(dú)再生。
實(shí)施例2
除了對(duì)于三次污染后的催化劑進(jìn)行尾氣臭氧和可見(jiàn)光聯(lián)合再生之外，其余與實(shí)施例1 相同。
比較例
采用單個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行水處理，尾氣臭氧排出，未對(duì)催化劑進(jìn)行再生，其余工藝條件與 實(shí)施例1相同。
鑒于催化劑易于污染，本發(fā)明主要針對(duì)柱狀A(yù)1-TNTs重復(fù)利用對(duì)垃圾滲濾液降解的影 響進(jìn)行了考察。如圖3所示，比較例中，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，COD去除率逐漸增大，但
5是當(dāng)催化劑第二次使用和第三次使用時(shí)的COD去除率隨著時(shí)間的上升幅度較第一次利用時(shí) 有所下降。同時(shí)，隨著催化劑的重復(fù)利用，對(duì)垃圾滲濾液的COD去除效果逐漸降低，60min 時(shí)，催化劑第一次使用時(shí)的C0D去除率為59.27。/。，第二次使用時(shí)的C0D去除率為35.91免， 較第一次下降24. 64%，而催化劑第三次使用時(shí)的COD去除率僅為11.4%。第三次使用時(shí)， C0D去除率基本保持在8。/。-12%范圍內(nèi)，說(shuō)明此時(shí)催化劑被嚴(yán)重污染失活，催化性能下降較 為明顯。本次試驗(yàn)所處理的垃圾滲濾液成分復(fù)雜，COD濃度較高等都決定了催化劑容易被 其污染失活。
如圖4所示，相比于催化劑未再生時(shí)11.4%的去除率，尾氣臭氧單獨(dú)再生過(guò)后的催化 劑的催化性能明顯提高，60min時(shí)COD去除率達(dá)到31. 3%，和催化劑第二次使用時(shí)的效果 相當(dāng)；催化劑經(jīng)尾氣臭氧和可見(jiàn)光聯(lián)合再生后，60min時(shí)COD去除率達(dá)到34. 22%,比未再 生時(shí)的COD去除率提高了 22. 82%。所以，光催化臭氧化中的尾氣臭氧對(duì)污染后柱狀A(yù)l-TNTs 的再生具有可行性，并且尾氣臭氧單獨(dú)再生能力也較強(qiáng)，從成本上考慮，可選擇光催化臭 氧化工藝中的尾氣臭氧單獨(dú)對(duì)污染后的柱狀催化劑進(jìn)行再生。
此外，尾氣臭氧和可見(jiàn)光聯(lián)合再生后的催化劑催化性能比尾氣臭氧單獨(dú)再生后的催化 劑催化性能略高，也可選擇尾氣臭氧和可見(jiàn)光聯(lián)合再生對(duì)污染后的柱狀催化劑進(jìn)行再生。
以上說(shuō)明了本發(fā)明的實(shí)施方式，但不言而喻，本發(fā)明不限于此，在不脫離本發(fā)明要旨 的范圍內(nèi)可以進(jìn)行各種變更。
權(quán)利要求
1. 一種光催化臭氧化流化床反應(yīng)裝置，包括反應(yīng)器和臭氧發(fā)生器，所述反應(yīng)器的上部設(shè)置有排氣口和廢液進(jìn)口，所述反應(yīng)器的下部設(shè)置有進(jìn)水口和排液口，所述反應(yīng)器的內(nèi)部設(shè)置有燈源和曝氣頭，其特征在于，所述反應(yīng)器至少為兩個(gè)，所述反應(yīng)器內(nèi)部的曝氣頭設(shè)置有歧管，所述歧管的一端與所述臭氧發(fā)生器連接，所述歧管的另一端與另一反應(yīng)器的排氣口連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光催化臭氧化流化床反應(yīng)裝置，其特征在于，所述燈源為 紫外燈或可見(jiàn)光燈。
3. —種水處理方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1所述的光催化臭氧化流化床反應(yīng)裝置，包括如下步驟廢液處理步驟，使廢液從反應(yīng)器的廢液進(jìn)口進(jìn)入，關(guān)閉該反應(yīng)器，利用從臭氧發(fā)生器 經(jīng)歧管、曝氣頭而進(jìn)入該反應(yīng)器的臭氧和分布于該反應(yīng)器內(nèi)部的催化劑，對(duì)該反應(yīng)器內(nèi)的 廢液進(jìn)行處理，反應(yīng)結(jié)束后將處理后液體排出； 催化劑再生步驟，使清洗水從所述反應(yīng)器的進(jìn)水口進(jìn)入，利用從與另一反應(yīng)器的排氣 口連接的歧管通入的另'一反應(yīng)器的尾氣臭氧對(duì)催化劑進(jìn)行再生。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的水處理方法，其特征在于，進(jìn)行兩次所述廢液處理步驟后 進(jìn)行一次催化劑再生步驟。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的水處理方法，其特征在于，所述催化劑再生步驟中還 采用燈源發(fā)出的光與尾氣臭氧結(jié)合對(duì)催化劑進(jìn)行再生。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的水處理方法，其特征在于，所述燈源為紫外燈或可見(jiàn)光燈。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的水處理方法，其特征在于，所述催化劑為柱狀二氧化鈦納 米管。
全文摘要
一種新型光催化臭氧化流化床反應(yīng)裝置及水處理方法，可解決光催化臭氧化過(guò)程中催化劑易污染以及尾氣臭氧浪費(fèi)污染等問(wèn)題。該光催化臭氧化流化床反應(yīng)裝置包括反應(yīng)器和臭氧發(fā)生器，所述反應(yīng)器的上部設(shè)置有排氣口和廢液進(jìn)口，所述反應(yīng)器的下部設(shè)置有進(jìn)水口和排液口，所述反應(yīng)器的內(nèi)部設(shè)置有燈源和曝氣頭，其中，所述反應(yīng)器至少為兩個(gè)，所述反應(yīng)器內(nèi)部的曝氣頭設(shè)置有歧管，所述歧管的一端與所述臭氧發(fā)生器連接，所述歧管的另一端與另一反應(yīng)器的排氣口連接。
文檔編號(hào)C02F1/30GK101497014SQ20091006772
公開(kāi)日2009年8月5日 申請(qǐng)日期2009年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月16日
發(fā)明者民 季, 潘留明 申請(qǐng)人:天津大學(xué)