一體式光電催化-膜分離流化床反應(yīng)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種集成式光催化和電催化反應(yīng)裝置，特別是一種一體式光電催化-膜分離流化床反應(yīng)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國的環(huán)境遭到嚴(yán)重的污染、生態(tài)遭到不可逆破壞。其中，水資源的匱乏更加成為制約我國國民經(jīng)濟(jì)向前發(fā)展的重要因素，而工業(yè)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐相對(duì)滯后，導(dǎo)致水資源消耗較大、利用效率低、水體污染。因此，在加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)水資源合理高效利用、實(shí)現(xiàn)工農(nóng)業(yè)廢水有效處理減輕對(duì)水體環(huán)境的污染等顯得尤為必要。廢水的傳統(tǒng)處理方法按原理可分為物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法以及生物法四大類。常規(guī)的物理化學(xué)方法及傳統(tǒng)的生物處理法在可生化較好的生活廢水、農(nóng)業(yè)廢水處理中有廣泛應(yīng)用且處理效果較好。然而，對(duì)于難降解、可生化性差的工業(yè)廢水和醫(yī)藥廢水其處理效率低，不能徹底消除難降解污染物，而且容易造成二次污染，使用范圍窄，能耗高。目前，利用光催化氧化技術(shù)、電催化氧化技術(shù)或光電催化氧化技術(shù)等高級(jí)氧化技術(shù)降解污染物的方法得到了人們的廣泛關(guān)注。
[0003]光催化氧化技術(shù)以其氧化能力強(qiáng)、二次污染小、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)成為處理難降解廢水的有效方法，其中尤以Ti02光催化技術(shù)的研究和應(yīng)用較多，并且開發(fā)出了多種Ti02光催化反應(yīng)裝置，以Ti02在反應(yīng)裝置中的存在狀態(tài)，將Ti02光催化反應(yīng)裝置分為懸浮型和固定型兩類，這兩種光催化反應(yīng)裝置具有各自的優(yōu)、缺點(diǎn)。
[0004]1)懸浮式光催化反應(yīng)裝置:這類反應(yīng)裝置通常是將光催化劑粉末加到所要處理的溶液中，它的優(yōu)點(diǎn)是在反應(yīng)中污染物容易和光催化劑接觸，不存在質(zhì)量傳輸?shù)南拗疲泊嬖诓蛔?，即處理效率不高；?dāng)提高催化劑的濃度時(shí)會(huì)造成懸浮液渾濁，影響光的穿透，降低光效率;并且難以實(shí)現(xiàn)催化劑的分離、回收和重復(fù)利用，廢水處理成本昂貴。
[0005]2)固定式光催化反應(yīng)裝置:固定型光催化反應(yīng)器普遍存在能耗高、傳質(zhì)限制以及催化劑裝載困難等缺點(diǎn)。但由于其存在的可能性，眾多研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)出了不同種類的固定型光催化反應(yīng)器，其中以實(shí)用性固定膜太陽光催化反應(yīng)器最典型，該反應(yīng)器具有成本低、易建造、光利用率高、催化劑易分離等優(yōu)點(diǎn)。但仍然存在許多問題，由于催化劑是以固定形式存在的，這就必須保證廢水的流速不能過快，雷諾數(shù)較小，從而使得催化劑與水的接觸不夠，催化劑的利用效率會(huì)相對(duì)較低，必然會(huì)導(dǎo)致廢水降解的效率低。
[0006]由于，懸浮型Ti02光催化反應(yīng)裝置與固定型相比具有吸附和反應(yīng)的表面積大、無傳質(zhì)限制、高的降解率、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。但懸浮型Ti02光催化反應(yīng)裝置存在3個(gè)比較普遍的問題，一是在機(jī)理和實(shí)際廢水催化氧化動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上開發(fā)新型集成式光催化反應(yīng)器以及對(duì)所開發(fā)的反應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);二是在以Ti02粉末作為光催化劑的懸浮體系中，粉末催化劑在使用后很難和溶液分離;三是光催化劑在受到光照射后產(chǎn)生的電子-空穴復(fù)合概率較大，導(dǎo)致光子利用率較低，光催化活性不高。因此，高效多功能集成式實(shí)用光催化反應(yīng)器系光催化技術(shù)、電催化技術(shù)和膜分離技術(shù)的耦合反應(yīng)器的開發(fā)，將會(huì)實(shí)現(xiàn)Ti02粉末的有效分離回收和循環(huán)利用、降低電子-空穴復(fù)合概率從而顯著提高反應(yīng)過程的量子效率，同時(shí)將光催化功能、電催化功能于一體，不僅可以單獨(dú)進(jìn)行光催化、電催化，還可以電催化降低光催化劑的電子-空穴復(fù)合概率促進(jìn)光催反應(yīng)效率，最終推進(jìn)懸浮型Ti02光電催化技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用，特別是在難降解有機(jī)廢水處理及飲用水中三致物質(zhì)的去除方面具有重要的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決Ti02光催化技術(shù)中存在Ti02粉末難以分離、Ti02電子-空穴復(fù)合概率較大、反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，本發(fā)明提供一種一體式光電催化-膜分離流化床反應(yīng)裝置，其具有光催化功能、電催化功能和膜分離功能，且傳質(zhì)性能良好、催化劑可循環(huán)回收利用、量子效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省能耗等優(yōu)點(diǎn)。
[0008]為此，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]—種一體式光電催化-膜分離流化床反應(yīng)裝置，包括殼體、紫外光源、電極板、膜組件和曝氣裝置，所述殼體底部設(shè)有進(jìn)水口、排水口，所述曝氣裝置、紫外光源、電極板和膜組件分別設(shè)置于所述殼體內(nèi)部，所述膜組件的出水口與殼體的出水口相連接;所述紫外光源和膜組件之間的距離大于等于紫外光的穿透距離;所述電極板與膜組件的距離大于等于電極反應(yīng)距離。
[0010]紫外光的穿透距離一般為一厘米左右。當(dāng)紫外光源與膜組件的距離設(shè)置為的1厘米以上，就可以避免紫外光對(duì)膜的分解；當(dāng)膜組件不設(shè)置在陰陽電極板之間，就可避免電流對(duì)膜的破壞。
[0011]所述膜組件為浸沒式膜組件，優(yōu)選U型膜組件或簾式膜組件。
[0012]所述曝氣裝置設(shè)置于所述殼體底部，優(yōu)選曝氣板或曝氣管。
[0013]優(yōu)選，所述紫外光源、電極板和膜組件在殼體內(nèi)部呈左右中(右左中)、左右上(右左上)分布或者紫外光源環(huán)繞電極板而膜組件居于二者下方分布。
[0014]優(yōu)選，所述紫外光源包括紫外燈或?yàn)樽贤鉄艏捌渫饷嬲钟械氖⑻谆蚴⒗溱逄住?br>[0015]優(yōu)選，所述電極板為陰陽電極板，其中陽極可以是不銹鋼、鈦板或以導(dǎo)電基材如活性炭、鈦板、泡沫鎳、半導(dǎo)體氧化物ΙΤ0膜、導(dǎo)電玻璃、不銹鋼片等作載體的負(fù)載催化劑的Ti〇2薄膜電極等，陰極可以是金屬電極或石墨電極等。
[0016]優(yōu)選，所述殼體的形狀為長(zhǎng)方體、正方體或圓柱。
[0017]優(yōu)選，所述曝氣裝置是曝氣板或曝氣管，分別設(shè)置于紫外光源、電極板和膜組件的下部，并根據(jù)需要控制曝氣板或曝氣管上面曝氣孔孔徑的大小來調(diào)節(jié)紫外光源、電極板和膜組件所需要的曝氣量的大小。
[0018]優(yōu)選，所述殼體底部還設(shè)有排水口，用于排除反應(yīng)裝置內(nèi)的廢水和催化劑。
[0019]優(yōu)選，所述殼體中間有內(nèi)殼體，用于隔離紫外光源、電極板和膜組件。
[0020]優(yōu)選，所述殼體有側(cè)邊進(jìn)氣口和底部進(jìn)氣口，側(cè)邊進(jìn)氣口用于曝氣裝置采用曝氣管的進(jìn)氣，底部進(jìn)氣口用于曝氣裝置采用曝氣板的進(jìn)氣和采用曝氣板時(shí)漏液的排空。
[0021]采用本發(fā)明提供的一體式光電催化-膜分離流化床反應(yīng)裝置處理廢水時(shí)具有以下效果:
[0022]1)在曝氣氣流的作用下，催化劑、廢水、氣泡、電極板在反應(yīng)裝置中可實(shí)現(xiàn)充分的混合與接觸，在光催化反應(yīng)區(qū)，污染物與被光子的激發(fā)的催化劑發(fā)生光催化氧化反應(yīng)而被礦化成小分子物質(zhì)；在電催化反應(yīng)區(qū)，污染物與電極板充分接觸直接或間接被氧化還原成小分子物質(zhì)，同時(shí)在曝氣氣流的作用下，廢水在反應(yīng)裝置中循環(huán)流動(dòng)帶動(dòng)被光子激發(fā)的催化劑流經(jīng)電催化反應(yīng)區(qū)而促進(jìn)光生載流子的分離。在光電協(xié)同作用下，污染物被有效地分解，能夠達(dá)到較高的光電催化氧化反應(yīng)效率。
[0023]2)紫外光源、電極板和膜組件均設(shè)置于同一反應(yīng)器且之間僅用內(nèi)殼體隔離，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作和維修等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)膜組件有內(nèi)殼體保護(hù)或者其設(shè)置距離大于光的穿透距離和電極反應(yīng)距離，避免了膜被紫外光源分解和電流作用破壞。
[0024]3)底部設(shè)置有保證催化劑在反應(yīng)體系中處于懸浮狀態(tài)的曝氣裝置，上升的氣泡通過膜表面時(shí)產(chǎn)生縱向剪切力，使膜絲發(fā)生抖動(dòng)，從而能有效的避免催化劑在膜表面的附著進(jìn)而減輕膜污染。
[0025]4)光催化反應(yīng)區(qū)、電催化反應(yīng)區(qū)和膜分離區(qū)在反應(yīng)裝置內(nèi)呈現(xiàn)左右中(右左中)結(jié)構(gòu)形式的布置時(shí)，反應(yīng)裝置底部曝氣裝置可根據(jù)需要在不同的區(qū)域設(shè)置不同孔徑的曝氣孔以調(diào)節(jié)出氣量，降低了因設(shè)置多個(gè)曝氣裝置和同等曝氣孔徑而帶來的高能耗。同時(shí)曝氣裝置在不同區(qū)域曝氣量孔徑的不同，使廢水在光催化反應(yīng)區(qū)、電催化反應(yīng)區(qū)和膜分離區(qū)之間循環(huán)流動(dòng)而具有高的廢水處理效率。且反應(yīng)裝置底部曝氣裝置的曝氣氣流可加強(qiáng)膜絲的抖動(dòng)作用，進(jìn)一步避免或減輕膜污染。
[0026]5)光催化反應(yīng)區(qū)、電催化反應(yīng)區(qū)和膜分離區(qū)在反應(yīng)裝置內(nèi)呈現(xiàn)光催化反應(yīng)區(qū)環(huán)繞電催化反應(yīng)區(qū)、膜分離區(qū)居于二者下方結(jié)構(gòu)形式的布置時(shí)，若在反應(yīng)裝置底部曝氣裝置的光催化反應(yīng)區(qū)設(shè)置大孔徑的曝氣孔，在電催化反應(yīng)區(qū)設(shè)置小孔徑的曝氣孔，可使光催化反應(yīng)區(qū)曝氣量大于電催化反應(yīng)區(qū)導(dǎo)致二者之間產(chǎn)生壓力差，促使廢水形成由光催化反應(yīng)區(qū)—電催化反應(yīng)區(qū)—膜分離區(qū)—光催化反應(yīng)區(qū)的循環(huán)流動(dòng)，使光催化反應(yīng)區(qū)被光子激發(fā)的催化劑在電催化反應(yīng)區(qū)電極作用下避免電子-空穴的復(fù)合而提高廢水處理效率。若曝氣量相同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)就不存在內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。
[0027]6)光催化反應(yīng)區(qū)、電催化反應(yīng)區(qū)和膜分離區(qū)在反應(yīng)裝置內(nèi)呈現(xiàn)左右上(右左上)結(jié)構(gòu)形式的布置時(shí)，若底部曝氣裝置在光催化反應(yīng)區(qū)孔徑大于電催化反應(yīng)區(qū)孔徑，可使二者之間產(chǎn)生壓力差而形成光催化反應(yīng)區(qū)—膜分離區(qū)—電催化反應(yīng)區(qū)—光催化反應(yīng)區(qū)的循環(huán)流動(dòng)，使光催化反應(yīng)區(qū)被光子激發(fā)的催化劑在電催化反應(yīng)區(qū)電極作用下避免電子-空穴的復(fù)合而提高廢水處理效率，廢水得到充分的降解，提高了出水水質(zhì);若曝氣量相同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)就不存在內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。
[0028]7)反應(yīng)裝置中的膜組件可以將催化劑截留在該反應(yīng)裝置中，同時(shí)通過采用適當(dāng)類型的膜組件(如采用可截留廢水中某一污染組分的膜組件)亦可將未被降解的污染物截留。
[0029]8)反應(yīng)裝置底部?jī)H設(shè)置一個(gè)多功能曝氣裝置，可根據(jù)需要在不同的區(qū)域設(shè)置不同孔徑的曝氣孔以調(diào)節(jié)出氣量，降低了因設(shè)置多個(gè)曝氣裝置而帶來的高能耗。
【附圖說明】
[0030]圖1為實(shí)施例1中一體式光電催化-膜分離流化床反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0031]圖2為實(shí)施例2中一體式光電催化-膜分離流化床反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0032]圖3為實(shí)施例3中一體式光電催化-膜分離流化床反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0033]圖4為圖2中Z-Z面剖示圖；
[0034]圖5為圖2中S-S面剖示圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]以下結(jié)合附圖1和具體實(shí)施對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0036]實(shí)施例1