專利名稱：一種太陽能固定膜光催化氧化水處理裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種太陽能TiO2光催化氧化水處理裝置，具體是指可廣泛用于飲用水的深度處理和高純水的制備，同時也可推廣應用到有毒有害高濃度難降解有機廢水的處理的新型的太陽能固定膜光催化氧化水處理裝置。
背景技術：
太陽光是取之不盡、用之不竭的清潔能源。將太陽能用作光催化氧化水處理的能源，具有降低能耗，減輕環(huán)境負荷的社會效益和降低處理成本的經(jīng)濟效益。以太陽能為光源的TiO2光催化氧化水處理裝置具有氧化能力強、對污染物沒有選擇性等特點，受到水處理行業(yè)的高度關注。經(jīng)研究，可用于TiO2光催化氧化水處理的太陽能(λ＜400nm)約為太陽能輻射總量的3％-4％。目前，根據(jù)聚光板的不同，太陽能TiO2光催化氧化水處理裝置可分為聚光型反應器和非聚光型反應器兩種。
聚光型反應器的代表拋物槽型反應器(PTR)通過跟蹤裝置追蹤太陽光，將直射光聚集到位于拋物槽焦線上的由多組互相連接的反應管組成的反應單元，管內(nèi)裝有懸浮型TiO2光催化。根據(jù)跟蹤裝置的不同，PTR可分為單軸(方位角或仰角)和雙軸(方位角和仰角)跟蹤兩類。該太陽能光催化反應器用于處理工業(yè)廢水已有實驗性工程應用。但是，它存在著催化劑難以與水分離、回收困難、運行費用高等問題?？傊?，聚光型反應器由于存在著光利用率較低、對天氣條件變化的適應性較差、初期投資和運行成本高等問題，有逐漸被非聚光型反應器所取代的趨勢。
非聚光型反應器主要有平板型反應器和復合拋物面反應器(CPC)。平板型反應器的主體是涂覆催化膜的平板。反應液以薄膜狀流經(jīng)催化膜，能夠達到較高的反應速率。但這種反應器的明顯缺點是水力負荷低，摩爾流速慢，隨著溶液摩爾流速的增加，污染物的降解率呈指數(shù)級降低。反應溶液深度不能太大、傳質(zhì)受到限制，反應器液膜厚度的增加，會阻礙溶液組分的擴散，要想提高反應器的處理能力，只能擴大光照面積，這將導致反應器占地面積大，難以大規(guī)模推廣。
復合拋物面型(CPC)反應器是當前聚光效率最高的太陽能反應器，它可將集光角范圍內(nèi)的所有直射和散射光均勻地反射在反應管的圓周上，這個特點使其對于天氣條件變化的適應性較強，即使在紫外輻射很弱的陰天，也能達到較好的聚光效果。此外，這種反應器不需要太陽光跟蹤裝置，結構簡單。但目前這種CPC反應器多采用懸浮態(tài)催化劑，催化劑分離回收不便，這限制了它的進步推廣應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設計一種太陽能TiO2固定膜光催化氧化水處理裝置，該裝置具有結構簡單、成本低廉、反應速率高，處理量大、操作方便、運行穩(wěn)定和應用廣泛的優(yōu)點。
為了達到上述目的，本發(fā)明是這樣進行的包括清水儲存箱、待處理水貯槽、泵、流量計和光反應器，光反應器由聚光板和光反應管組成，其特點是聚光板由按照設計要求確定數(shù)量的平截式復合拋物面構成，每組拋物面的中心設有一根光反應管，光反應管并排放置，并通過端部設有的彎頭串聯(lián)連接成一體。光反應管內(nèi)裝有以玻璃纖維網(wǎng)為載體的TiO2固定膜光催化劑。TiO2固定膜光催化劑由兩端的支架和與光反應管長度相應、并與支架固結的支桿，以及圍繞并包裹在支桿上催化膜組成，支架中心頂端上設有掛鉤，掛鉤與固結在彎頭端部的橫桿連接，使催化膜在光反應管內(nèi)撐開。光反應器底端設有通過鉸鏈連接的支撐板，支撐板的另一端與光反應器頂端之間固結有角度調(diào)節(jié)機構，該角度調(diào)節(jié)機構由帶有螺紋的支撐軸以及分別與支撐板和光反應器固結的調(diào)節(jié)螺母組成。通過旋轉支撐軸，使其兩端相對稱的羅紋移動，調(diào)節(jié)光反應器的傾斜位置，達到最佳采光效果。待處理水流經(jīng)催化膜時，在太陽光能的作用下，水中的有機污染物被氧化分解。
本發(fā)明的優(yōu)點如下1.由于本發(fā)明的光反應管內(nèi)裝有特制的TiO2固定膜光催化劑，而且通過支架支桿組件將其撐開，以保持理想的空間位置，因此本發(fā)明結構簡單、反應速率高、運行費用低廉、操作方便、運行穩(wěn)定。消除了使用懸浮性催化劑反應器所存在的催化劑分離、回收困難的固有缺點。
2.由于構成本發(fā)明的平截式復合拋物面型聚光板是傾斜放置，其傾斜角可通過由帶有螺紋的支撐軸和調(diào)節(jié)螺母組成的角度調(diào)節(jié)機構調(diào)節(jié)，因此能夠適合不同緯度地區(qū)的運行需要，達到非常好的處理效果，具有簡單實用的優(yōu)點。
3.由于本發(fā)明的TiO2固定膜光催化劑是在柔性基材玻璃纖維網(wǎng)上制作的，比表面積大、裝填方便、質(zhì)輕、透光率高、耐久性好，在重復使用多次后，處理效果降低很少，穩(wěn)定性好，因此在采光面積不變的情況下，最大化的利用了反應器的容積，提高了催化劑的有效催化面積。
4.本發(fā)明的反應器的傳質(zhì)性能較一般使用剛性載體的固定膜反應器優(yōu)越，在不高的流速條件下，就可基本消除傳質(zhì)對反應速率的限制?？筛鶕?jù)處理水量、水質(zhì)要求靈活選擇多組光反應器串連或并聯(lián)連接，使裝置規(guī)模放大不影響基本設計參數(shù)，制造簡單。
5.由于本發(fā)明的組成光反應器的光反應管和聚光板的數(shù)量可以按照不同的水質(zhì)設計，因此本發(fā)明的裝置可廣泛用于飲用水的深度處理和高純水的制備，同時也可推廣應用到有毒有害高濃度難降解有機廢水的處理和其他技術聯(lián)用。


圖1為本發(fā)明的太陽能光催化氧化水處理裝置示意2為本發(fā)明的光反應器放置方式示意3為光反應器的A向示意4為光反應器的B-B示意5為光反應管和催化劑的C-C示意6為光反應管和催化劑的D-D示意圖附圖中的標號說明如下1-清水儲存箱，2-待處理水貯槽，3-預處理器，4-泵，5-流量計，6-聚光板，7-光反應管，8-鉸鏈，9-調(diào)節(jié)螺母，10-支撐軸，11-支撐板，12-彎頭，13-支架，14-支桿，15-外層催化膜，16-內(nèi)層催化膜，17-掛鉤，18-橫桿。
具體實施例方式
請參閱附圖1-6。本發(fā)明的預處理器3視待處理水性質(zhì)選擇若水樣中不存在Fe2+、Mn2+離子，可不設置預處理器3。相反則在待處理水貯槽2之前，先進入前處理器3，同時可根據(jù)水樣的污染物濃度和處理規(guī)模大小，選擇是否添加O2或H2O2或O3等助氧化劑。水樣通過泵4、流量計5進入光反應器，達到處理要求的出水存放在清水儲存箱1。光反應器由聚光板6和光反應管7組成，聚光板6按照設計要求確定由12組平截式復合拋物面構成，每組拋物面的中心設有一根光反應管7，光反應管7可采用在300-400nm波譜段紫外光透射率較高的高硅氧玻璃、含氟聚合物、石英等作為材質(zhì)，優(yōu)選為用高硅氧玻璃管，其直徑為10～80mm，優(yōu)選為20～50mm，壁厚為0.8～6mm，優(yōu)選為1～4mm，長度為300～3000mm，優(yōu)選為800～2000mm。光反應管7中裝填2～8層特制的固定膜催化劑，優(yōu)選為2～5層。特制的固定膜催化劑采用價廉易得、耐高溫、比表面積大、透光性好、裝填簡單、質(zhì)量輕的柔性基材高硅氧玻璃纖維網(wǎng)作為催化劑載體，采用設備簡單、操作方便、易于批量生產(chǎn)、制得的膜純度高的溶膠-凝膠法薄膜制備工藝，將玻璃纖維網(wǎng)以程序升溫焙燒的方式進行預處理后，采用鈦酸丁酯、乙醇、蒸餾水和硝酸配制的溶膠-凝膠液和浸潤提拉法進行鍍膜，重復涂覆、焙燒過程制得活性高、穩(wěn)定性好的納米的TiO2固定膜。12根光反應管7并排放置，并通過端部設有的彎頭12互相串聯(lián)連接成一體。光反應器底端設有支撐板11，通過固定在支撐板11上的鉸鏈8活動連接。光反應器頂端與支撐板11之間設有角度調(diào)節(jié)機構，角度調(diào)節(jié)機構由帶有螺紋的支撐軸10和調(diào)節(jié)螺母9組成。兩個調(diào)節(jié)螺母9分別與支撐板11和光反應器頂端固結，通過旋轉支撐軸10，使其兩端相對稱的羅紋移動，調(diào)節(jié)光反應器的傾斜角度達到最佳采光位置。光反應管7內(nèi)裝有特制的TiO2固定膜光催化劑組件。TiO2固定膜光催化劑組件由兩端的支架13和與光反應管長度相應并與支架13固結的支桿14，以及圍繞并包裹在支桿14上催化膜15和16組成，支架13和支桿14采用不銹鋼絲，做成直徑大小不一的內(nèi)外兩層圓柱型框架，在不同直徑的兩層圓柱型框架上各包裹特制的固定膜?；蛘卟捎门こ陕菪隣钣袕椥缘牟讳P鋼絲或聚四氟乙烯或聚乙烯或ABS耐氧化類塑料作為支架。支架13中心頂端上設有掛鉤17，掛鉤17與固結在彎頭12內(nèi)端的橫桿18連接，當兩端掛鉤17同時拉緊鉤住橫桿18時，固定膜被撐開，TiO2固定膜光催化劑在光反應管7內(nèi)撐開達到去除有機污染物的目的。
工作原理請參閱圖1。待處理水樣通過進水管進入待處理水貯槽2之前，先進入由濾芯過濾與去除鐵、錳的單元組成的前處理裝置，以去除進水中的Fe2+、Mn2+離子和攔截膠體，從而避免催化劑中毒。若水樣中不存在Fe2+、Mn2+離子，可不設置前處理裝置。水樣進入水貯槽2后，可根據(jù)水樣的污染物濃度和處理規(guī)模大小，選擇是否添加O2或H2O2或O3等助氧化劑。水樣通過泵4和流量計5進入光反應管7進行光催化反應，待污染物降解后排入清水貯水箱1?？刹捎眠B續(xù)流運行，停留時間可通過回流比來控制。如果處理規(guī)模較小，光反應管7可并排放置串聯(lián)連接，水樣依次流過光反應管后回到待處理水貯槽2，待完成一反應周期排出，反應采用序批式的運行方式。在處理規(guī)模大的場合，光反應管可并排放置若干根成為一組，再將若干組反應管串聯(lián)成有足夠流程和停留時間的處理裝置。
用初始濃度為5.5mg/L的苯酚作為待處理水樣，泵4流量為4.5L/min，反應過程中太陽光的平均光強為17.8W/m2，反應的總體積為20L，80min后苯酚的降解率達到99％。選擇在天氣晴朗，光強差別不超過10％的時間段進行取4mg/L的苯酚溶液20L，在流量計量程范圍1.8～12L/min內(nèi)分別選定泵流量為1.8、4.5、7.5、12L/min進行實驗，100min后苯酚的降解率分別為90％，99％，97％，99％。本發(fā)明的傳質(zhì)性能優(yōu)越。另外，本發(fā)明的催化膜的穩(wěn)定性。選取早期的次實驗，與之后經(jīng)過2個月，運行過25次反應周期后的實驗對比，前者的實驗是3.8mg/L的苯酚溶液20L，泵流量為4.5L/min，反應過程中太陽光的平均光強為11.6W/m2，在80min內(nèi)苯酚的降解率達到99％，后者的實驗是4.0mg/L的苯酚溶液20L，泵流量為1.8L/min，反應過程中太陽光的平均光強為17.1W/m2，在80min內(nèi)苯酚的降解率達到82％的降解率。結果說明催化膜活性略有下降。對應的再生實驗表明，經(jīng)使用后活性下降的催化膜可通過適當?shù)拇胧┗貜推浠钚浴１景l(fā)明對于不同天氣條件的適應性強取4mg/L的苯酚溶液20L，分別選擇在陰天、多云和晴天三種不同的天氣條件下進行實驗，對應的平均光強分別為8，17，22W/m2。泵流量為12L/min。對于多云和晴天這兩種條件下，苯酚的降解速率差別不大，前者在90min內(nèi)降解了91％的苯酚，后者在80min內(nèi)降解了97％的苯酚，而在陰天不見太陽的情況時仍有相當?shù)奶幚硇Ч?20min的苯酚去除率可達到83％。
權利要求
1.一種太陽能固定膜光催化氧化水處理裝置，包括清水儲存箱(1)、待處理水貯槽(2)、預處理器(3)、泵(4)、流量計(5)和光反應器；光反應器由聚光板(6)和光反應管(7)組成，其特征在于聚光板(6)由平截式復合拋物面構成，每組拋物面的中心設有一根光反應管(7)，光反應管(7)中裝填2～8層以玻璃纖維網(wǎng)為載體的TiO2固定膜催化劑，優(yōu)選為2～5層；光反應管(7)并排放置，并通過端部設有的彎頭(12)互相串聯(lián)連接成一體；光反應器底端設有支撐板(11)，通過固定在支撐板(11)上的鉸鏈(8)活動連接；光反應器頂端與支撐板(11)之間設有角度調(diào)節(jié)機構，角度調(diào)節(jié)機構由帶有螺紋的支撐軸(10)和調(diào)節(jié)螺母(9)組成；兩個調(diào)節(jié)螺母(9)分別與支撐板(11)和光反應器頂端固結，通過旋轉支撐軸(10)，使其兩端相對稱的羅紋移動，調(diào)節(jié)光反應器的傾斜位置達到最佳采光。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種太陽能固定膜光催化氧化水處理裝置，其特征在于光反應管(7)內(nèi)裝填的固定膜催化劑是由兩端的支架(13)和與光反應管(7)長度相應并與支架(13)固結的支桿(14)，以及圍繞并包裹在不同直徑的兩層圓柱型框架支桿(14)上的內(nèi)外催化膜(15)和(16)組成的TiO2固定膜光催化劑，支架(13)中心頂端上設有掛鉤(17)，掛鉤(17)與固結在彎頭(12)端部的橫桿(18)連接，當兩端掛鉤(17)同時拉緊鉤住兩端橫桿(18)時，固定膜可均勻展開。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種太陽能固定膜光催化氧化水處理裝置，其特征在于光反應管(7)內(nèi)裝填的固定膜催化劑的支架(13)采用扭成螺旋狀有彈性的不銹鋼絲或聚四氟乙烯或聚乙烯或ABS耐氧化類塑料作為框架，框架上圍繞并包裹大小不一的內(nèi)外層催化膜(15)和(16)。
全文摘要
一種太陽能固定膜光催化氧化水處理裝置涉及一種太陽能TiO
文檔編號C02F1/30GK1699200SQ200510026138
公開日2005年11月23日 申請日期2005年5月24日 優(yōu)先權日2005年5月24日
發(fā)明者李田, 段小平, 仇雁翎 申請人:同濟大學