專利名稱：一種用于水處理的徑向超聲協(xié)同光催化反應(yīng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于水處理的徑向超聲協(xié)同光催化反應(yīng)裝置。
背景技術(shù)：
隨著以二氧化鈦為代表的光催化材料和各種光催化反應(yīng)器的研究深入，作為一種高級(jí)氧化技術(shù)，光催化日益在水處理領(lǐng)域得到了更為廣泛的應(yīng)用。[Braham， RowanJ. ， Harris, Andrew T. ， Review of Major Design and Scale—up Considerations forSolar PhotocatalyticReactors， Industrial&Engineering chemistry research,48(2009) ，8890-8905]，
催化劑在光催化反應(yīng)器中有懸浮態(tài)和固定態(tài)兩種存在形式。以懸浮態(tài)存在時(shí)，催化劑與污染物接觸面積大，但催化劑容易團(tuán)聚、失活且回收困難。以固定態(tài)存在時(shí)，催化劑負(fù)載在載體上，這樣雖然可減少聚集、方便分離和回收，但只有與液相接觸部分催化劑參加反應(yīng)，活性也會(huì)降低。最先在水體中有機(jī)物光降解研究和實(shí)際水處理中得以應(yīng)用的是固定態(tài)的平板型或淺池型光催化反應(yīng)器(Hoffmann R M et al. Eviro騰ntalApplicationsof Semiconductor Photocatalysis. Chem. Rev. ， (95) 1995， 69_96)，但該類光催化反應(yīng)器存在水力負(fù)荷較低或占地面積大的缺陷，限制了其在大規(guī)模污水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用。懸浮態(tài)的異相光催化漿式反應(yīng)器的深入研究并逐漸投入應(yīng)用克服了上述缺陷，有效地提高了水力負(fù)荷與效會(huì)g比，[Alberto E. Cassano， Orlando M. Alfano， Reactionengineeringof suspended solid heterogeneous photocatalytic reactors, CatalysisToday58(2000) 167-197)]，隨著能滿足懸浮態(tài)漿式反應(yīng)要求的新型光催化劑的開發(fā)，[XiaoboChen，Samuel S. Mao，Titanium Dioxide Nanomaterials :Synthesis，Properties,Modifications, and Applications, Chem. Rev. 107 (2007) ， 2891—2959]，該類反應(yīng)器表I見出良好的應(yīng)用前景。 新型多項(xiàng)光催化反應(yīng)器的研究與設(shè)計(jì)是推動(dòng)光催化技術(shù)進(jìn)一步實(shí)用化和提高效能的過程中需要解決的關(guān)鍵問題之一，基于協(xié)同效應(yīng)的原理，采用多種技術(shù)的聯(lián)用是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑，其中，超聲與光催化的聯(lián)合降解的水處理方法表現(xiàn)出顯著的增強(qiáng)效應(yīng)。[Collin G.Joseph et a， Sonophotocatalysis in advanced oxidation process :Ashortreview. Ultrasonics Sonochemistry 16(2009)583-589] 所謂超聲光催化技術(shù)，就是光輻射和超聲輻射條件下，半導(dǎo)體光敏催化劑(如二氧化鈦)被光激發(fā)出電子一空穴對(duì)，而吸附在半導(dǎo)體表面的水及污染物的分子接受光電子對(duì)一空穴對(duì)，同時(shí)超聲對(duì)光催化劑表面起到活化作用，也能直接分解水分子產(chǎn)生羥基自由基，從而對(duì)水體中的有毒有害污染物發(fā)生氧化還原作用，實(shí)現(xiàn)降解或者完全去除的——禾中水處理方法。[Yusuf G. Adewuyi， Sonochemistry in EnvironmentalRemediation. 1. Combinative and Hybrid Sonophotochemical Oxidation Processes for
3the Treatment ofPollutants in Water, Environ. Sci. Technol. (39)2005，3409-3420 ;Yusuf G. Adewuyi， Sonochemistry in Environmental Remediation. 2. HeterogeneousSonophotocatalyticOxidation Processes for the Treatment of Pollutants in Water,Environ. Sci. Technol. (39)2005,8557-8570] 超聲技術(shù)在水處理中的應(yīng)用也有了很長(zhǎng)的一段歷史，主要的超聲源是平板型超聲換能器和探頭式軸向功率超聲，前者在清洗行業(yè)已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，后者主要用于細(xì)胞破碎、材料制備超聲化學(xué)反應(yīng)等實(shí)驗(yàn)室研究領(lǐng)域。選擇能與光催化產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)的的超聲發(fā)生裝置主要應(yīng)考慮聲強(qiáng)大小、頻率范圍和超聲場(chǎng)的分布均勻性等幾個(gè)因素，而上述兩種超聲發(fā)生設(shè)備均不能很好的滿足與光催化聯(lián)用的要求。隨著超聲換能器件的發(fā)展，近年來出現(xiàn)了徑向超聲換能器，并在中藥萃取等領(lǐng)域取得了良好的應(yīng)用效果。目前，單獨(dú)徑向超聲降解有機(jī)物以及徑向超聲協(xié)同光催化降解有機(jī)物在水處理領(lǐng)域上均未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于水處理的徑向超聲協(xié)同光催化反應(yīng)裝置。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)
單，能耗小，對(duì)污染物的催化降解效率高。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下 —種用于水處理的徑向超聲協(xié)同光催化反應(yīng)裝置，它的主體是一個(gè)圓桶狀的不銹鋼曝氣池，曝氣池內(nèi)，底部有曝氣管和進(jìn)水管，曝氣管通過U形管與曝氣池外的風(fēng)機(jī)相連，進(jìn)水管與曝氣池外的水泵相連，曝氣池底部有排空管和排空閥門，曝氣池有一曝氣池蓋，曝氣池蓋上中央有超聲探頭安裝孔，垂直安裝有超聲探頭，使超聲徑向輻射，在曝氣池蓋上，超聲探頭的周圍均勻分布有3-6個(gè)紫外燈套管安裝溝槽，垂直地安裝紫外燈套管。 上述的反應(yīng)裝置，所述的曝氣池池底為光滑錐底，以減少反應(yīng)液的流動(dòng)死角，并有助于檢修維護(hù)階段的排泥清淤。 上述的反應(yīng)裝置，所述的曝氣管可以是主管上有多個(gè)支管均勻地分布在曝氣池底部，支管上分布有多個(gè)朝下的出氣孔，以保證曝氣均勻并對(duì)懸浮體系提供足夠的攪拌分散力。 上述的反應(yīng)裝置，所述的曝氣管可以由聚氯乙烯材料制成。 上述的反應(yīng)裝置，所述的曝氣管與風(fēng)機(jī)相連的U形管路上可以安裝有氣體流量計(jì)。 上述的反應(yīng)裝置，所述的進(jìn)水管與水泵相連的管路上可以安裝有進(jìn)水流量計(jì)。 上述的反應(yīng)裝置，所述的紫外燈與超聲探頭間的距離可通過調(diào)整紫外燈套管在蓋
子上的溝槽中的位置，在100mm 400mm的范圍內(nèi)可調(diào)。 上述的反應(yīng)裝置，所述的徑向超聲的功率在200-600w圍內(nèi)可調(diào)。 上述的反應(yīng)裝置，所述的紫外燈的總功率為60-300w。 上述的反應(yīng)裝置，所述的曝氣池，在其上部高于超聲探頭的輻射桿部分的側(cè)壁上有溢流槽，便于以連續(xù)方式進(jìn)行水處理。 上述的反應(yīng)裝置，所述的溢流槽底部可以安裝有磁分離裝置，以滿足磁性光催化劑的在線分離的要求。 上述的反應(yīng)裝置，所適用的光催化劑可以是顆粒狀二氧化鈦，也可以是內(nèi)含磁核的磁性光催化劑或其他負(fù)載型復(fù)合光催化劑，懸浮態(tài)光催化劑可以采用過濾、沉淀或磁分
離的方法分離后循環(huán)利用。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn) 1.將徑向超聲引入到水處理領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了徑向超聲和紫外光輻射的聯(lián)用。
2.工藝參數(shù)可調(diào)易控，便于實(shí)現(xiàn)水處理工藝的自動(dòng)運(yùn)行。 3.即可間歇運(yùn)轉(zhuǎn)又可連續(xù)運(yùn)行，反應(yīng)停留時(shí)間可以通過進(jìn)水閥調(diào)節(jié)流量得以實(shí) 現(xiàn)，可以滿足不同水質(zhì)條件的污染物的處理要求。 4.采用懸漿式多相催化反應(yīng)體系，合理的曝氣裝置的設(shè)計(jì)，以及超聲對(duì)懸浮體系 的分散與活化作用，最大程度保證了光催化效應(yīng)。 5.徑向超聲對(duì)紫外催化處理難降解有機(jī)物表現(xiàn)出顯著的協(xié)同效應(yīng)。


圖1為本發(fā)明用于水處理的徑向超聲協(xié)同光催化反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖la為 曝氣池蓋示意圖，圖lb為曝氣管示意圖，其中1為曝氣池；2為曝氣管；3為風(fēng)機(jī)；4為進(jìn)水 管；5為水泵；6為氣體流量計(jì)；7為進(jìn)水流量計(jì)；8為溢流槽；9為電控箱；10為曝氣池蓋；
11為紫外燈套管安裝溝槽；12為超聲探頭安裝孔，13為池蓋手柄，14為池蓋掛鉤。15為徑 向超聲發(fā)生器，16為紫外光觸發(fā)鎮(zhèn)流器。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的用于水處理的徑向超聲協(xié)同光催化反應(yīng)裝置如圖1所示，本發(fā)明裝置適 用于廢水的深度凈化，可按照間歇和連續(xù)兩種方式運(yùn)行。 間歇方式即預(yù)處理后的廢水經(jīng)由磁力驅(qū)動(dòng)泵，由進(jìn)水調(diào)節(jié)槽(圖1中省略)泵入 徑向超聲協(xié)同光催化反應(yīng)器，液位浸沒超聲探頭的輻射桿部分后停止進(jìn)水，催化劑和其它 輔助藥劑根據(jù)所需投加量配制一定濃度在加藥槽(圖1中省略)中，攪拌分散，由計(jì)量泵自 反應(yīng)器頂部直接投加，開啟曝氣泵，在較大曝氣量(1. 5 2. 5mVmin)下充分?jǐn)嚢柚链呋瘎?在水相中分散均勻。調(diào)節(jié)曝氣量至0. 2 1. OmVmin，設(shè)置超聲功率和掃頻工作方式，設(shè)置 光源的波長(zhǎng)和功率，開啟超聲和紫外光源，開始反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，依次關(guān)閉進(jìn)氣閥、超聲、 光源和氣泵，處理后廢水自反應(yīng)器底部閥門排放。 連續(xù)方式預(yù)處理后的廢水經(jīng)由磁力驅(qū)動(dòng)泵，按照一定流量，由進(jìn)水調(diào)節(jié)槽中泵入 徑向超聲協(xié)同光催化反應(yīng)器，催化劑和其它輔助藥劑根據(jù)所需投加量配制一定濃度在加藥 槽中，攪拌分散，按照與進(jìn)水流量相應(yīng)比例，由計(jì)量泵連續(xù)泵入反應(yīng)器底部，的高度調(diào)節(jié)至 低于溢流槽出口位置。開啟曝氣泵，調(diào)節(jié)曝氣量至0.2 l.OmVmin，設(shè)置超聲功率和掃頻 工作方式，設(shè)置光源的波長(zhǎng)和功率，開啟超聲和紫外光源，開始反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，依次關(guān)閉 進(jìn)氣閥、超聲、光源和氣泵，處理過的廢水溢流排放。 在直徑為300mm，高度為400mm的上述曝氣池中，以典型難降解染料亞甲基藍(lán)(MB) 為模擬廢水，配制20升含有10ppm亞甲基藍(lán)的水溶液，以德固賽二氧化鈦P25為催化劑， 每升亞甲基藍(lán)MB水溶液投加催化劑量為0. 05g，以波長(zhǎng)為254nm，功率為60W的四支紫外 燈作為光源，徑向超聲功率設(shè)定在200W，超聲工作方式為掃頻(20kHz 23kHz)，曝氣量為 0. 2mVmin，反應(yīng)時(shí)間為lh，紫外吸收光譜表征其降解率，徑向超聲對(duì)紫外催化降解表現(xiàn)出顯著的協(xié)同效應(yīng)，降解率由單獨(dú)光催化的50%提高到徑向超聲協(xié)同光催化的85%,
權(quán)利要求
一種用于水處理的徑向超聲協(xié)同光催化反應(yīng)裝置，其特征是它的主體是一個(gè)圓桶狀的不銹鋼曝氣池(1)，曝氣池(1)內(nèi)，底部有曝氣管(2)和進(jìn)水管(4)，曝氣管(2)通過U形管與曝氣池外的風(fēng)機(jī)(3)相連，進(jìn)水管(4)與曝氣池外的水泵(5)相連，曝氣池(1)底部有排空管和排空閥門，曝氣池(1)有一不銹鋼的曝氣池蓋(10)，曝氣池蓋(10)的中心位置有超聲探頭安裝孔(12)，垂直安裝有超聲探頭，在曝氣池蓋(10)上，超聲探頭的周圍均勻分布有3-6個(gè)紫外燈套管安裝孔(11)，垂直地安裝紫外燈套管。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)裝置，其特征是所述的曝氣池(1)池底為光滑錐底。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)裝置，其特征是所述的曝氣管(2)是主管上有多個(gè)支管均勻地分布在曝氣池底部，支管上分布有多個(gè)開孔朝下的曝氣孔。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的反應(yīng)裝置，其特征是所述的曝氣管(2)由聚氯乙烯材料制成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)裝置，其特征是所述的紫外燈與超聲探頭間的距離通過調(diào)整紫外燈套管在蓋子上的溝槽中的位置，在100mm 400mm的范圍內(nèi)可調(diào)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)裝置，其特征是徑向超聲的功率在200 600W的范圍內(nèi)可調(diào)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)裝置，其特征是所述的紫外燈的總功率為60-300w。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的反應(yīng)裝置，其特征是所述的曝氣池(l)，在其上部高于超聲探頭的輻射桿部分的側(cè)壁上有溢流槽(8)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的反應(yīng)裝置，其特征是所述的溢流槽(8)底部安裝有磁分離裝置，以滿足磁性光催化劑的在線分離的要求。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)裝置，其特征是所適用的光催化劑是顆粒狀二氧化鈦、內(nèi)含磁核的磁性光催化劑或其他負(fù)載型復(fù)合光催化劑，懸浮態(tài)光催化劑采用過濾、沉淀或磁分離的方法分離后循環(huán)利用。
全文摘要
一種用于水處理的徑向超聲協(xié)同光催化反應(yīng)裝置，它的主體是一個(gè)圓桶狀的不銹鋼曝氣池，曝氣池內(nèi)，底部有曝氣管和進(jìn)水管，曝氣管通過U形管與曝氣池外的風(fēng)機(jī)相連，進(jìn)水管與曝氣池外的水泵相連，曝氣池底部有放水管和放水閥門，曝氣池有一曝氣池蓋，曝氣池蓋上中央有超聲探頭安裝孔，垂直安裝有超聲探頭，使超聲徑向輻射，在曝氣池蓋上，超聲探頭的周圍均勻分布垂直地安裝有紫外燈套管。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是將徑向超聲引入到水處理領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了徑向超聲和紫外光輻射的一體化聯(lián)用；工藝參數(shù)可調(diào)易控，便于實(shí)現(xiàn)水處理工藝的自動(dòng)運(yùn)行；徑向超聲對(duì)紫外催化降解表現(xiàn)出顯著的協(xié)同效應(yīng)。
文檔編號(hào)C02F1/32GK101786690SQ20101012752
公開日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2010年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月18日
發(fā)明者朱俊杰, 石建軍 申請(qǐng)人:南京大學(xué)