CN110655143A - 一种固定式光催化旋流反应器及其构建方法和应用 - Google Patents
一种固定式光催化旋流反应器及其构建方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110655143A CN110655143A CN201911085746.6A CN201911085746A CN110655143A CN 110655143 A CN110655143 A CN 110655143A CN 201911085746 A CN201911085746 A CN 201911085746A CN 110655143 A CN110655143 A CN 110655143A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- reactor
- photocatalytic
- stationary
- sewage
- cyclone
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 title claims abstract description 77
- 238000010276 construction Methods 0.000 title claims abstract description 12
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 71
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 60
- 239000010865 sewage Substances 0.000 claims abstract description 48
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 claims abstract description 42
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 24
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 14
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000007743 anodising Methods 0.000 claims description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 8
- 239000002957 persistent organic pollutant Substances 0.000 claims description 8
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 claims description 7
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);titanium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Ti+4] SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 5
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 4
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011941 photocatalyst Substances 0.000 abstract description 15
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 11
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 23
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 6
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 6
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 5
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 5
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 5
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 5
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 229910017855 NH 4 F Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 3
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 238000013032 photocatalytic reaction Methods 0.000 description 3
- 238000004659 sterilization and disinfection Methods 0.000 description 3
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- RBTBFTRPCNLSDE-UHFFFAOYSA-N 3,7-bis(dimethylamino)phenothiazin-5-ium Chemical compound C1=CC(N(C)C)=CC2=[S+]C3=CC(N(C)C)=CC=C3N=C21 RBTBFTRPCNLSDE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004100 Oxytetracycline Substances 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- LDDQLRUQCUTJBB-UHFFFAOYSA-N ammonium fluoride Chemical compound [NH4+].[F-] LDDQLRUQCUTJBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002048 anodisation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000084 colloidal system Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 235000020188 drinking water Nutrition 0.000 description 2
- 239000003651 drinking water Substances 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- STZCRXQWRGQSJD-GEEYTBSJSA-M methyl orange Chemical compound [Na+].C1=CC(N(C)C)=CC=C1\N=N\C1=CC=C(S([O-])(=O)=O)C=C1 STZCRXQWRGQSJD-GEEYTBSJSA-M 0.000 description 2
- 229940012189 methyl orange Drugs 0.000 description 2
- 229960000907 methylthioninium chloride Drugs 0.000 description 2
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 2
- IWVCMVBTMGNXQD-PXOLEDIWSA-N oxytetracycline Chemical compound C1=CC=C2[C@](O)(C)[C@H]3[C@H](O)[C@H]4[C@H](N(C)C)C(O)=C(C(N)=O)C(=O)[C@@]4(O)C(O)=C3C(=O)C2=C1O IWVCMVBTMGNXQD-PXOLEDIWSA-N 0.000 description 2
- 229960000625 oxytetracycline Drugs 0.000 description 2
- 235000019366 oxytetracycline Nutrition 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 238000007146 photocatalysis Methods 0.000 description 2
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- PYWVYCXTNDRMGF-UHFFFAOYSA-N rhodamine B Chemical compound [Cl-].C=12C=CC(=[N+](CC)CC)C=C2OC2=CC(N(CC)CC)=CC=C2C=1C1=CC=CC=C1C(O)=O PYWVYCXTNDRMGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229940043267 rhodamine b Drugs 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 239000008399 tap water Substances 0.000 description 2
- 235000020679 tap water Nutrition 0.000 description 2
- IWVCMVBTMGNXQD-UHFFFAOYSA-N terramycin dehydrate Natural products C1=CC=C2C(O)(C)C3C(O)C4C(N(C)C)C(O)=C(C(N)=O)C(=O)C4(O)C(O)=C3C(=O)C2=C1O IWVCMVBTMGNXQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N Methyl methacrylate Chemical compound COC(=O)C(C)=C VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920005372 Plexiglas® Polymers 0.000 description 1
- 238000005273 aeration Methods 0.000 description 1
- 238000007605 air drying Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000010170 biological method Methods 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 1
- 238000013329 compounding Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000003933 environmental pollution control Methods 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 1
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 238000013033 photocatalytic degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001782 photodegradation Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 238000009991 scouring Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/30—Treatment of water, waste water, or sewage by irradiation
- C02F1/32—Treatment of water, waste water, or sewage by irradiation with ultraviolet light
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J21/00—Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
- B01J21/06—Silicon, titanium, zirconium or hafnium; Oxides or hydroxides thereof
- B01J21/063—Titanium; Oxides or hydroxides thereof
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
- B01J35/20—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their non-solid state
- B01J35/23—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their non-solid state in a colloidal state
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
- B01J35/30—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their physical properties
- B01J35/39—Photocatalytic properties
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
- B01J37/34—Irradiation by, or application of, electric, magnetic or wave energy, e.g. ultrasonic waves ; Ionic sputtering; Flame or plasma spraying; Particle radiation
- B01J37/348—Electrochemical processes, e.g. electrochemical deposition or anodisation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/72—Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation
- C02F1/725—Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation by catalytic oxidation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2101/00—Nature of the contaminant
- C02F2101/30—Organic compounds
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
本发明公开一种固定式光催化旋流反应器及其构建方法和应用，由产生旋流的反应器和安装于反应器中央位置的固定式光催化系统构建；当污水通过进水泵持续进入反应器底部的进水口；进水口污水以切向方式进入反应器做圆心运动产生旋流流体直至反应器顶部出水口并流出；以反应器中心为主轴做旋流流动的污水能通过有效的混合效果和停留时间被固定在反应器中央位置的固定式光催化系统净化；固定式光催化系统是由TiO2纳米管式网环绕内置紫外灯的石英管外围构成；本发明中的旋流方法和固定式光催化体系可以有效地提高污水中各组分之间的接触机会，延长水利停留时间，进而达到高效的深度处理效果，同时实现光催化剂有效固定并应用于实际污水处理。
Description
技术领域
本发明涉及环境污染治理和保护，涉及一种固定式光催化旋流反应器及其构建方法和应用，具体涉及一种去除水中难降解有机污染物的反应器，更具体地说是对经过前处理之后的污水中SS和COD浓度小于0.1mg/L和300mg/L的污水进一步深度处理并最终提高水质的反应器。
背景技术
基于紫外线的高级氧化技术在去除水中有机污染物及消毒等方面应用尤为突出，这些工艺往往通过添加额外的催化剂(液体，固体)产生具有强氧化能力的羟基自由基来实现。但是反应水体中的催化剂的存在形式，水动力学及高效的反应器设计都会对水中降解条件产生极大的影响，而且处理不当还会增加运行成本和工序。
按照不同的分类原则，还可将光催化反应器划分为几种不同的类型。其中，按催化剂在反应器中的存在状态可分为悬浮型反应器和固定型反应器。悬浮型反应器的主要特点是将粉末催化剂直接与待处理废水混合，通过曝气或搅拌使之维持悬浮状态，在入射光的作用下催化降解水中有机污染物。固定型反应器是指将催化剂直接固定或以其前驱体形式负载于载体上制成薄膜使用。由于悬浮型光催化反应器存在催化剂回收难、活性成分损失较大、反应后需要离心分离等缺点，可以在效率高且催化剂分离回收简单或不需额外分离过程的固定型光催化反应器上找到突破口。对于固定型光催化反应器而言，具有光源的利用率高、催化剂易分离、成本低、易建造等优点，但由于催化剂颗粒的固载，导致其只有一半的表面能够接受光的辐射，反应器单位体积内催化剂有效比表面积较小，催化剂的利用率较低；同时也存在污染物向催化剂扩散的传质限制问题，导致光催化效率普遍不高。
光催化氧化方法在处理水中生物难降解物质，油性物质以及有毒有害的污染物质时比传统的生物法表现出多方面的优势。但是，光反应器中催化剂的存在方式，水中各反应物质之间的接触机会以及水力停留时间等都是多年来困扰光催化研究者们的主要难题。
中国专利CN201120143617.0公开了一种具有二氧化钛光催化剂层污水处理部件，包括一个圆柱石英玻璃棒，所述圆柱石英玻璃棒内部开有与其同轴的通孔，还包括固定在所述圆柱石英玻璃棒外表面及内表面的二氧化钛光催化剂层；该专利公开了采用了石英玻璃作为二氧化钛光催化剂的载体，但是该固定方式是需要通过胶体或者粘附剂进行粘附固定，但是胶体或者粘附剂一般都是有机化合物，使用有机类化合物的粘附剂非常容易被光催化剂进行氧化失去粘附效果，同时粘附的二氧化钛光催化剂层长期在污水的冲刷下也容易失去粘附效果而脱落，导致二氧化钛光催化剂层失去固定。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种固定式光催化旋流反应器及其构建方法和应用；本发明构建的固定式光催化旋流反应器对污水进一步深度处理以致达到排放标准或中水回用。
本发明克服了现有技术中生化处理工艺流程复杂，处理周期长，管理维护不便，运行效率低，总投资较大，不能有效满足当前水处理工艺的不足，提供了一种可移动，模块化，不产生二次污染的污水深度处理装置。最重要的一点是本发明的固定式光催化旋流反应器可以实现光催化剂的固定化方法并应用于实际污水处理，克服了悬浮型光催化反应器催化剂回收难、活性成分损失较大、反应后需要离心分离等缺点。本发明的优点是全自动运转方式，占地面积小，设备投资少，出水水质好，可大大减少二次污染。
技术方案：为了实现上述目的，如本发明所述的一种固定式光催化旋流反应器的构建方法，主要由产生旋流的反应器和安装于反应器中央位置的固定式光催化系统构建而成；当污水通过进水泵持续进入反应器底部的进水口；进水口污水以切向方式进入反应器底部的结构使进入反应器的污水自然做圆心运动产生旋流流体直至反应器顶部出水口并流出；以反应器中心为主轴做旋流流动的污水能通过混合和停留被固定在反应器中央位置的固定式光催化系统氧化和降解；所述固定式光催化系统是以TiO2纳米管式网(TNTM)环绕内置紫外灯的石英管外围构成。本发明中的旋流方法和固定式光催化系统可以有效地提高污水中各组分之间的接触机会，延长水利停留时间，进而达到高效的深度处理效果。
其中，所述污水为SS浓度小于0.1mg/L和COD浓度小于等于300.0mg/L的污水，所述污水通过进水泵持续进入反应器底部的进水口时进水泵进水流量范围在1.9～7.9L/min，对应的停留时间为120～10sec，所述停留时间为在整个反应器中的时间。
其中，所述TiO2纳米管式网是以纯度高于99.99％的钛丝网经阳极氧化方法在其表面氧化生成了大量TiO2纳米管，再经过热处理晶化为锐钛矿和金红石的混晶型半导体光催化材料。
作为优选，所述TiO2纳米管式网的具体制备方法为：
(1)将钛丝网的前处理：钛丝网表面封装，依次用丙酮、无水乙醇超声清洗，蒸馏水清洗晾干，化学抛光，蒸馏水清洗，吹干后备用；
(2)构建制备TiO2纳米管陈列的阳极氧化装置：电源采用直流稳压稳流电源，前处理后的钛丝网为阳极，铂片为阴极，两极间距离4-5cm，于室温下进行阳极氧化反应；
(3)阳极氧化后的产物进行高温热处理晶化形成为锐钛矿和金红石的混晶型半导体光催化材料即为TiO2纳米管式网；具体是一种TiO2纳米管式网催化剂。
进一步地，制备TiO2纳米管式网光催化剂可以通过复合石墨烯来提高其催化性能。
作为优选，可以将制备得到的TiO2纳米管式网通过钢丝紧密固定在内设置有紫外灯的石英管周围形成固定式光催化系统，
本发明所述一种固定式光催化旋流反应器，包括产生旋流的反应器和安装于反应器中央位置的固定式光催化系统；所述产生旋流的反应器包括进水泵、反应器本体、进水口、出水口；所述固定式光催化系统包括TiO2纳米管式网、石英管、紫外灯，由TiO2纳米管管式网环绕内置有紫外灯的石英管外围构成；所述TiO2纳米管式网与反应器本体之间形成旋流层，进水口以切向方式进入旋流层与反应器本体连接，进水口另一端连接水泵，旋流层顶部设置有出水口。
其中，所述进水口长度为10-15cm，而且在反应器低端向上2-3cm处以切向方式进入反应器本体。作为优选，进水口长度为10cm，而且在反应器低端向上2cm处以切向方式进入反应器。
其中，所述TiO2纳米管式网的宽度稍大于内置紫外灯的石英管的周长，使得TiO2纳米管式网可以紧密围绕在石英管外围，而TiO2纳米管式网的长度等于石英管的长度，而紫外灯灯管的长度略长于反应器的总长度；紫外灯一端连接有电源。
作为优选，所述TiO2纳米管式网由的钛网丝制备而成，钛网丝直径为0.5mm，目数为150～200目。
进一步地，所述安装于反应器中央位置的固定式光催化系统中的紫外灯为真空紫外灯，其波长为185～365nm。
本发明一种固定式光催化旋流反应器在高效去除水中难降解有机污染物中的应用。
所述反应器可以应用于现场实际污水处理，还可以进行间歇或连续式光催化反应实验；也可以用于自来水及饮用水的消毒处理。
所述反应器还可以应用于现场实际挥发性有机污染物(VOCs)的处理和有关大气污染物质的光催化降解反应实验。
所述反应器应用于现场污水处理时可根据污水深度处理的指标要求重复安装多个相同反应器。
工作原理：通过进水泵将对经过一系列前处理之后的SS浓度小于0.1mg/L和COD浓度小于等于300.0mg/L的污水，按流速1.9～7.9L/min持续泵入进水管，进水管连接光催化旋流反应器的进水口以切向方式与进入外旋流层与反应器本体连接，污水从进水口进入后做圆心流动产生旋流；进水口以切向方式进入反应器底部的结构可以使进入反应器的污水自然做圆心运动产生旋流流体直至反应器顶部出水口并流出；以反应器中心为主轴做旋流流动的污水能通过有效的混合效果和停留时间被固定在反应器中央位置的光催化体系净化，使得污水中的有机污染物氧化和降解。本发明中的旋流方法和固定式光催化体系可以有效地提高污水中各组分之间的接触机会，延长水利停留时间，进而达到高效的深度处理效果。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明构建的固定式光催化旋流反应器采用旋流方法和固定式光催化系统相结合可以有效地提高污水中各组分之间的接触机会，延长水利停留时间，进而达到高效的深度处理效果。
2、本发明固定式光催化旋流反应器中采用全新的固定式光催化系统，以纯度高于99.99％的钛丝网经阳极氧化方法在钛丝网表面氧化生成了大量TiO2纳米管，经过高温热处理形成TiO2纳米管式网(TNTM)催化剂，全新的固定式光催化系统由网状TiO2纳米管式网(TNTM)环绕内置有紫外灯的石英管构成，使得光催化剂表面积大，催化剂的利用率较高，并且可以有效地固定在反应器中连续使用不用回收，不会导致催化剂扩散的传质限制问题；克服了悬浮型光催化反应器催化剂回收难、活性成分损失较大、反应后需要离心分离等缺点；同时也可克服了常规固定型光催化反应器中由于催化剂颗粒的固载，导致其只有一半的表面能够接受光的辐射，反应器单位体积内催化剂有效比表面积较小，催化剂的利用率较低等问题；同时也存在污染物向催化剂扩散的传质限制问题，导致光催化效率普遍不高。
3、本发明构建的固定式光催化旋流反应器克服了现有技术中生化处理工艺流程复杂，处理周期长，管理维护不便，运行效率低，总投资较大，不能有效满足当前水处理工艺的不足，提供了一种可移动，模块化，不产生二次污染的污水深度处理装置，最重要的一点是可以实现光催化剂的固定化方法并应用于实际污水处理。本发明的优点是全自动运转方式，占地面积小，设备投资少，出水水质好，可大大减少二次污染。不仅可以对污水进一步深度处理并最终提高水质；还可以应用在自来水及饮用水的消毒处理以及大气污染物(例如：VOCs等)的降解。
附图说明
图1为本发明的固定式光催化旋流反应器示意图；
图2为本发明的固定式光催化旋流反应器的构建流程图；
图3为20V电压，0.25wt％NH4F/乙二醇电解液中氧化时间对纳米管长度的影响。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种固定式光催化旋流反应器，包括产生旋流的反应器和安装于反应器中央位置的固定式光催化系统；产生旋流的反应器包括进水泵1、反应器本体2、进水口3、出水口4；固定式光催化系统包括TiO2纳米管式网5、石英管6、紫外灯7，由TiO2纳米管式网5环绕内置有紫外灯7的石英管6外围的构成；TiO2纳米管网5与反应器本体2之间形成旋流层8并与进水口3一端连接，进水口3以切向方式进入旋流层8与反应器本体1连接，旋流层8与反应器顶部的出水口4连接，出水口4位于旋流层8顶部。进水管3长度为10cm，而且在反应器低端向上2cm处以切向方式进入反应器本体1。
TiO2纳米管式网5的宽度稍大于内置紫外灯7的石英管的周长，而TiO2纳米管式网5的长度等于石英管6的长度，而紫外灯7灯管的长度略长于反应器的总长度；紫外灯7一端连接有电源9。TiO2纳米管式网5由钛网丝制备而成，钛网丝直径为0.5mm，目数为150～200目。安装于反应器中央位置的固定式光催化系统中的紫外灯7是波长为185～254nm的真空紫外灯。
实施例2
固定式光催化材料TiO2纳米管式网(TNTM)的制备方法
固定式光催化剂通过以下材料组合实现：高纯钛丝网试样片(纯度99.99％，厚度为0.5mm、目数为150～200目)、铂片(纯度为99.99％，厚度为0.25mm)，0.25wt％NH4F/乙二醇溶液。
钛丝网试样片的前处理流程如下：表面封装→丙酮、无水乙醇超声清洗→蒸馏水清洗晾干→化学抛光→蒸馏水清洗→冷风吹干后备用。化学抛光在体积比为1:1:2的HF、HNO3和蒸馏水的混合溶液中进行。抛光采用浸渍法，过程中伴随剧烈搅拌，当抛光液的颜色由无色变为绿色时，应及时更换抛光液。
固定式光催化材料制备的具体实验方法：首先自构建一组制备TiO2纳米管陈列的阳极氧化装置，阳极氧化装置的电源采用直流稳压稳流电源，钛丝网试样片为阳极，铂片为阴极，两极间距离4cm，于室温下进行反应；为防止F离子对玻璃仪器的侵蚀，所用电解槽为有机玻璃电解槽，电解槽中的电解液为0.25wt％NH4F/乙二醇溶液；在20V的电压下进行阳极氧化30min；再将阳极氧化的TiO2纳米管网在550℃的高温马弗炉中煅烧3h，形成为锐钛矿和金红石的混晶型半导体光催化材料即为TiO2纳米管式网(TNTM)。
在相同的试验条件下进行，对阳极的钛丝网试样片进行阳极氧化处理，考察20V电压，0.25wt％NH4F/乙二醇电解液中氧化时间对纳米管长度的影响，在30min时TiO2纳米管的长度达到500nm左右，继续延长氧化时间TiO2纳米管的长度基本保持不变，所以0.25wt％NH4F/乙二醇溶液；在20V的电压下进行阳极氧化30min效果最好，同时图3中可以看出20V电压，0.25wt％NH4F/乙二醇电解液中氧化时间30min得到TiO2纳米管式网催化剂比表面积大，结构稳定，孔隙大(管径大)，管径长，具有更强的吸附性能和高效的电子传输通道，作为有效的光催化剂。
实施例3
固定式光催化旋流反应器的构建
采用真空紫外灯为反应光源置于石英管内部，安装于反应器的中央位置，与反应器顶部的电源连接。以加大光反应器中流体的混合效果和延长停留时间为前提，以提高光反应器中降解效率为目标，设计的旋流反应器系统如下：进水口以切向方式进入反应器内并从底端向上做旋流流动，同时流体在反应器内围绕光源进行光催化反应，当旋流层流体到达反应器顶端时通过出水口流出。石英管外缠绕的光催化剂是以阳极氧化方法制备而成的TiO2纳米管网(TNTM)固定在反应器中央位置构成的新型固定式光催化旋流反应装置。其光催化剂的组装过程如图2所示，为新型固定式光催化旋流反应器的构建过程图。
如图2中所示，通过使用阳极氧化方法制备了TiO2纳米管网(TNTM)，并将其环绕于内置紫外线灯管的石英管外壁面安装于新型旋流反应器中央位置，具体可以将制备得到的TiO2纳米管式网通过钢丝丝紧密固定在内设置有紫外灯的石英管周围形成固定式光催化系统，而新型旋流反应器可以使污水以切向方式进入反应器并自然产生旋流直至反应器顶端出口处，同时受到光源与TNTM之间光催化反应产生的活性自由基的攻击实现净化污水的目的。
固定式光催化旋流反应器通过进水管连接到进水泵和污水储存装置，通过进水泵将对经过一系列前处理之后的SS浓度为SS浓度小于0.1mg/L和COD浓度小于等于300.0mg/L的污水，按流速在1.9～7.9L/min持续泵入进水管，对应的停留时间为120～10sec，进水管连接反应器的进水口以切向方式与进入外旋流层与反应器本体连接，污水从进水口进入后做圆心流动产生旋流；污水通过旋流作用在旋流层与固定式光催化系统进行光催化作用，污水中的有机物物被氧化和降解；光降解后的污水逐渐向反应器顶部流动通过旋流层连接的出水口排出反应器。
试验例1
采用本发明固定式光催化旋流反应器以间歇式反应对污水进行处理，污水由出水口出来后继续泵入固定式光催化旋流反应器进行处理，分别将4种污水进行分别间歇式反应处理，4种污水分别含有土霉素、甲基橙、亚甲基蓝、罗丹明B各10mg/L，结果如表1所示；由表1可见处理30min后土霉素、甲基橙、亚甲基蓝、罗丹明B的处理率均到达90％以上。
表1.对各种有机污染物的处理效率(％)
| 5min | 10min | 20min | 30min | |
| 土霉素 | 27.9 | 53.7 | 69.8 | 94.3 |
| 甲基橙 | 35.8 | 63.0 | 80.5 | 99.6 |
| 亚甲基蓝 | 36.4 | 60.4 | 73.3 | 96.3 |
| 罗丹明B | 35.6 | 63.0 | 80.5 | 98.2 |
Claims (10)
1.一种固定式光催化旋流反应器的构建方法，其特征在于，主要由产生旋流的反应器和安装于反应器中央位置的固定式光催化系统构建而成；当污水通过进水泵持续进入反应器底部的进水口；进水口污水以切向方式进入反应器底部的结构使进入反应器的污水自然做圆心运动产生旋流流体直至反应器顶部出水口并流出；以反应器中心为主轴做旋流流动的污水能通过混合和停留被固定在反应器中央位置的固定式光催化系统氧化和降解；所述固定式光催化系统是以TiO2纳米管式网环绕内置紫外灯的石英管构成。
2.根据权利要求1所述的固定式光催化旋流反应器的构建方法，其特征在于，所述污水为SS浓度小于0.1mg/L和COD浓度小于等于300.0mg/L的污水，所述污水通过进水泵持续进入反应器底部的进水口时进水泵进水流量范围在1.9～7.9L/min，对应的停留时间为120～10sec。
3.根据权利要求1所述的固定式光催化旋流反应器的构建方法，其特征在于，所述TiO2纳米管式网优选是以纯度高于99.99％的钛丝网经阳极氧化方法在其表面氧化生成了TiO2纳米管，再经过热处理晶化为锐钛矿和金红石的混晶型半导体光催化材料。
4.根据权利要求1所述的固定式光催化旋流反应器的构建方法，其特征在于，所述TiO2纳米管式网的具体制备方法为：
(1)将钛丝网的前处理：钛丝网表面封装，依次用丙酮、无水乙醇超声清洗，蒸馏水清洗晾干，化学抛光，蒸馏水清洗，吹干后备用；
(2)构建制备TiO2纳米管陈列的阳极氧化装置：电源采用直流稳压稳流电源，前处理后的钛丝网为阳极，铂片为阴极，两极间距离4-5cm，于室温下进行阳极氧化反应；
(3)阳极氧化后的产物进行高温热处理晶化形成为锐钛矿和金红石的混晶型半导体光催化材料即为TiO2纳米管式网。
5.一种固定式光催化旋流反应器，其特征在于，包括产生旋流的反应器和安装于反应器中央位置的固定式光催化系统；所述产生旋流的反应器包括进水泵(1)、反应器本体(2)、进水口(3)、出水口(4)；所述固定式光催化系统包括TiO2纳米管式网(5)、石英管(6)、紫外灯(7)，由TiO2纳米管管式网(5)环绕内置有紫外灯(7)的石英管(6)外围构成；所述TiO2纳米管式网(5)与反应器本体(2)之间形成旋流层(8)，进水口(3)以切向方式进入旋流层(8)与反应器本体(2)连接，进水口(3)另一端连接水泵(1)，旋流层(8)顶部设置有出水口(4)。
6.根据权利要求5所述的固定式光催化旋流反应器，其特征在于，所述进水口(3)长度为10-15cm，而且在反应器低端向上2-3cm处以切向方式进入反应器本体(2)。
7.根据权利要求5所述的固定式光催化旋流反应器，其特征在于，所述TiO2纳米管式网(5)的宽度大于内置紫外灯(7)的石英管(6)的周长，而TiO2纳米管式网(5)的长度等于石英管(6)的长度，而紫外灯(7)灯管的长度长于反应器的总长度；紫外灯(7)一端连接有电源(9)。
8.根据权利要求5所述的固定式光催化旋流反应器，其特征在于，所述TiO2纳米管式网(5)由的钛网丝制备而成，钛网丝直径为0.5mm，目数为150～200目。
9.根据权利要求5所述的固定式光催化旋流反应器，其特征在于，所述安装于反应器中央位置的固定式光催化系统中的紫外灯(7)是真空紫外灯。
10.一种固定式光催化旋流反应器在高效去除水中难降解有机污染物中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911085746.6A CN110655143A (zh) | 2019-11-07 | 2019-11-07 | 一种固定式光催化旋流反应器及其构建方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911085746.6A CN110655143A (zh) | 2019-11-07 | 2019-11-07 | 一种固定式光催化旋流反应器及其构建方法和应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110655143A true CN110655143A (zh) | 2020-01-07 |
Family
ID=69043121
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911085746.6A Pending CN110655143A (zh) | 2019-11-07 | 2019-11-07 | 一种固定式光催化旋流反应器及其构建方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110655143A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112499723A (zh) * | 2020-12-18 | 2021-03-16 | 上海市环境工程设计科学研究院有限公司 | 一种用于降解污染地下水中氯代烃的装置及方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080179178A1 (en) * | 2007-01-31 | 2008-07-31 | Pablo Arturo Venegas Cabello | Photocatalytic Reactor and Process for Treating Wastewater |
| CN107522256A (zh) * | 2017-09-08 | 2017-12-29 | 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 | 高效去除水中有机污染物的光催化旋流反应器及其应用 |
| CN109110868A (zh) * | 2018-09-01 | 2019-01-01 | 广州霖诺环保科技有限公司 | 一种丝网型TiO2纳米材料光电催化处理有机废水的工艺 |
-
2019
- 2019-11-07 CN CN201911085746.6A patent/CN110655143A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080179178A1 (en) * | 2007-01-31 | 2008-07-31 | Pablo Arturo Venegas Cabello | Photocatalytic Reactor and Process for Treating Wastewater |
| CN107522256A (zh) * | 2017-09-08 | 2017-12-29 | 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 | 高效去除水中有机污染物的光催化旋流反应器及其应用 |
| CN109110868A (zh) * | 2018-09-01 | 2019-01-01 | 广州霖诺环保科技有限公司 | 一种丝网型TiO2纳米材料光电催化处理有机废水的工艺 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张振华: "《基于双螺旋和三维网组件的光催化反应器的构建及性能评估》", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112499723A (zh) * | 2020-12-18 | 2021-03-16 | 上海市环境工程设计科学研究院有限公司 | 一种用于降解污染地下水中氯代烃的装置及方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103482720B (zh) | 一种介质阻挡放电水处理装置 | |
| CN102180556B (zh) | 一种吸附再生-光催化高级氧化水处理设备 | |
| CN104609500B (zh) | 一种臭氧光催化反应器及水处理方法 | |
| CN204661354U (zh) | 用于有机污染物降解的光催化反应装置 | |
| CN103420452B (zh) | 复极性固定床三维电极光电催化反应器 | |
| CN107930364A (zh) | 一种针对微颗粒和挥发性有机气体的混合物的净化系统 | |
| CN107522256A (zh) | 高效去除水中有机污染物的光催化旋流反应器及其应用 | |
| CN103073150A (zh) | 一种光催化后置的内循环厌氧流化膜生物反应器及其工作方法 | |
| CN107500382A (zh) | 新型三维电极光电催化降解工业废水反应器的构建及其催化材料的制备方法 | |
| CN204778967U (zh) | 一种光电催化氧化复合式水处理装置 | |
| CN102716666B (zh) | 多相光催化处理废气的净化系统 | |
| CN201080442Y (zh) | 纳米TiO2光催化氧化难生物降解有机废水反应器 | |
| CN207619091U (zh) | 一种光催化氧化反应装置 | |
| CN105130045B (zh) | 用于处理有机废水的气升式光催化膜分离耦合反应器 | |
| CN203922793U (zh) | 一种光催化氧化废水处理装置 | |
| CN106946313A (zh) | 一种利用光催化降解有机污染物的废水处理装置 | |
| CN1600697A (zh) | 有机废水的均相光化学－电化学氧化处理装置及方法 | |
| CN107176647B (zh) | 一种微波光催化-陶瓷膜耦合净水装置 | |
| CN110655143A (zh) | 一种固定式光催化旋流反应器及其构建方法和应用 | |
| CN205953613U (zh) | 一种流化床光催化三维电解反应器 | |
| CN101811750B (zh) | 一种磁助-光解复合水净化装置及应用 | |
| CN210085171U (zh) | 一种微波紫外污水处理装置 | |
| CN210973987U (zh) | 一种纳米光催化废水处理装置 | |
| CN114180687A (zh) | 一种光电耦合高级氧化处理难降解有机废水的装置及方法 | |
| CN1390788A (zh) | TiO2薄膜光催化水质净化装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200107 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |