专利名称：高新太阳能固定膜双层薄板光催化氧化水处理装置技术
技术领域：
本发明涉及一种新型的太阳能固定膜光催化氧化水处理装置，本发明的装置可广泛用于饮用水的深度处理和高纯水的制备，同时也可推广应用到有毒有害高浓度难降解有机废水的处理或和其他水处理技术联用。
背景技术：
太阳能是一种资源丰富的新型能源，研究表明，可用于TiO2光催化氧化水处理的太阳紫外辐射(λ <387. 5nm)约为太阳能辐射总量的39Γ4%，可高达约50W/m2，且太阳能环境友好，不会产生环境污染，所以，将太阳能用作光催化氧化水处理的能源，除了可以减少能耗，降低处理成本，具有良好的经济效益外，还可以减轻环境负荷，从而具有良好的社会效益。由于采用太阳能设计的TiO2光催化氧化水处理装置具有氧化能力强、对污染物没有选择性等特点，所以，被广泛应用于降解水中有毒有害物质。目前，根据对太阳紫外辐射利用不同，太阳能TiO2光催化氧化水处理装置可分为聚光型反应器和非聚光型反应器两种。聚光型反应器通常指抛物槽反应器(PTCR)，该类型反应器通过跟踪装置追踪太阳光，将直射光聚集到位于抛物槽焦线上的由多组互相连接的反应管单元组成，管内装有悬浮型TiO2光催化剂。但是，PTCR需要太阳跟踪装置，建造成本高，且只能利用直射太阳紫外辐射，故光能利用效率较低。另外，抛物槽反应器采用的催化剂为悬浮型，存在分离回收难题，更不适于饮用水的深度处理和高纯水的制备。随着技术的发展，聚光型反应器已逐渐为非聚光型反应器所取代。非聚光型反应器既可利用直射太阳紫外光又可利用散射太阳紫外光，光能利用效率高。非聚光型多为静态装置，不需要太阳跟踪设备，大多面向赤道放置，并根据当地纬度而和水平面成一定倾斜角，以达到年最大光能利用效率。非聚光型反应器主要有薄膜固定床反应器(TFFBR)、复合抛物面反应器(CPCR)和双层薄板反应器(DSSR)。薄膜固定床反应器的主体是涂覆催化膜的平板，反应液以薄膜状流经固定化催化剂，在太阳紫外辐射的作用下，使水中污染物得到降解去除。但这种反应器的明显缺点是水力负荷低，水流通常为层流，存在传质限制问题，反应器效率偏低。复合抛物面型反应器可将集光角范围内的所有直射和散射光较均勻地反射到反应管的周边上，具有较高的光能采集效率；水力条件好，不存在传质限制问题。采用悬浮态催化剂的CPCR反应器，催化剂分离回收不便。为了提高太阳紫外辐射的利用效率，消除传质限制，并克服悬浮态催化剂分离回收困难的缺点，专利CN1699200 (申请号CN200510026138. X)采用复合抛物面采光板作为集光装置，将负载于玻璃纤维网上TiO2装填在反应管内。虽然固定膜催化剂可以省去悬浆体系催化剂回收工序，但由于载体为柔性材料，在反应管狭小空间内进行布设存在一定难度。 且装置对复合抛物面采光板的制作精度与安装精度要求高。双层薄板反应器采用悬浮态催化剂，其主要结构是由隔成多个互连廊道，顶盖能透紫外光的盒子组成，混有悬浮型光催化剂的反应液循环流过这些廊道，在紫外光照射下发生光催化反应。这种反应器可以采用较高的流速，有利于反应物混合传质，提高反应速率用泵使催化剂处于悬浮状态。但由于该类反应器采用悬浮型催化剂，因而存在催化剂分离回收难题。
发明内容
技术问题本发明的目的是设计一种太阳能TiO2固定膜光催化氧化水处理装置。该装置具有结构简单、建造和运行成本低、反应速率高，处理水量大、操作方便、运行稳定，可广泛用于饮用水的深度处理和高纯水的制备。技术方案本发明的太阳能固定膜光催化氧化水处理装置包括清水储存箱、待处理水贮存箱、预处理器、泵、流量计和光催化反应器；该处理装置由预处理器、待处理水储槽、泵、流量计、光催化反应器、清水储存箱顺序链接所构成；其中光催化反应器主体为顶盖能透紫外光的光反应器盒体，光反应器盒体内部被分隔成多个互连廊道，廊道的侧壁和底部平板装填固定膜催化剂，透光板置于光反应器盒体上面。在透光板上设有固定压片。在透光板与光反应器盒体之间，以及透光板与固压片之间分别放置一层硅胶材料密封片。固定膜催化剂的装填是由不锈钢丝网制成的骨架固定，装填时将固定膜催化剂包覆于预先根据廊道尺寸做成的不锈钢丝网骨架上。光催化剂可以方便拆换。光催化剂组件
可以多层叠置。光催化反应器内装填固定膜催化剂也可以采用长柱型骨架进行固定，长柱型骨架采用不锈钢、聚四氟乙烯、聚乙烯、ABS或PVC-U等耐氧化类塑料制成，在长柱型骨架上围绕并包裹多层催化膜组成光催化剂组件；与廊道长度相应的长柱型框架由两端的支架和固结的支杆组成。在光反应器盒体、透光板、固定压片和密封片的相同位置设有固定孔，以固定螺栓和固定螺母对透光板进行密封紧固。有益效果1.本发明的光反应器组件内装有TiO2固定膜光催化剂，多层固定膜催化剂可以简单固定于不锈钢丝网等材料做成的骨架上，因此本发明结构简单、反应速率高、 运行费用低、操作方便、运行稳定。消除了使用悬浮型催化剂反应器所存在的催化剂分离、 回收困难的固有缺点。2.可充分利用太阳紫外辐射。在不需要特殊太阳紫外辐射采集系统情况下，既可以利用直射太阳紫外光又可以利用散射太阳紫外光。构成本发明的光催化反应器组件面向太阳倾斜放置，其倾斜角可通过由带有螺纹的支撑轴和调节螺母组成的角度调节机构调节，因此能够适合不同纬度地区的运行需要，既可利用太阳紫外辐射的直射部分又可利用散射部分，达到非常好的处理效果。3.本发明的TiO2固定膜光催化剂是在柔性基材玻璃纤维网上制作的，比表面积大、装填方便、质轻、透光率高、耐久性好，在重复使用多次后，处理效果降低很少，稳定性好，且可以多层布设，在采光面积不变的情况下，最大化的利用了反应器的容积，提高了催化剂的有效催化面积。4.本发明的反应器的传质性能较一般采用刚性载体的太阳能固定膜反应器优越。 在不高的流速条件下，就可基本消除污染物向催化剂转移的传质限制问题。
5.可根据处理水量、水质要求灵活选择反应器单元组件采用串连或并联连接方式，装置规模放大不影响基本设计参数，制造简单。因此本发明的装置可广泛用于饮用水的深度处理和高纯水的制备，同时也可推广应用到有毒有害高浓度难降解有机废水的处理或和其他技术联用。
图1为本发明的太阳能固定膜双层薄板光催化氧化水处理装置工艺示意图，
图2为本发明的装置平面放置示意图，
图3为本发明的装置侧面及图2中A-A剖面示意图，
图4为图2中B-B剖面示意图，
图5为图2中玻璃平板固定组装示意图，
图6为本发明的光催化反应器内催化剂固定示意图，
图7为本发明的催化剂固定用长柱型骨架。附图中的标号说明如下1_清水储存箱，2-待处理水贮存箱，3-预处理器，4-泵， 5-流量计，6-光催化反应器，7-廊道，8-固定膜催化剂，9-铰链，10-支撑板，11-调节螺母， 12-支撑杆，13-反应器支架，14-透光板，15-光催化反应器盒体，16-进水口，17-出水口， 18-固定压片，19-密封片，20-固定螺栓，21-固定螺母，22-不锈钢网状骨架，23-长柱型骨架，24-支架，25-支杆。
具体实施例方式光催化反应器主体为顶盖能透紫外光的盒子，内部被分隔成多个互连廊道，廊道侧壁和底部平板装填固定化催化剂。光催化反应器通过设有铰链与角度调节机构的支撑板和支架连接，由带有螺纹的支撑杆和调节螺母组成的角度调节结构，可自由调节光催化反应器倾斜角度而达到最佳采光效果。待处理水流经催化膜时，在太阳紫外辐射的作用下，水中的污染物被氧化分解。具体请参阅附图1-6。本发明包括清水储存箱1、待处理水贮存箱2、预处理器3、 泵4、流量计5、光催化反应器6。本发明的预处理器3可视待处理水性质选择若水样中不存在Fe2+、Mn2+离子，可不设置预处理器3。反之，则在待处理水贮存箱2之前，水样应先进入预处理器3，同时可根据水样的污染物浓度和处理规模大小，选择是否添加O2或H2O2或 O3等助氧化剂。水样通过泵4、流量计5进入光催化反应器6，达到处理要求的出水存放在清水储存箱1。光催化反应装置的核心为顶部可透紫外光，内部分割成首尾相互联通廊道的盒式光催化反应器6，按照设计要求，一组光催化反应器分割成12个廊道7，两侧边壁和底部布设有固定膜二氧化钛催化剂8。光催化反应器6放置于底端设有铰链9的支撑板10 上。撑板顶端设有角度调节机构，角度调节机构由调节螺母11和带有螺纹的支撑杆12组成。两个调节螺母11分别与反应器支架13和支撑板10顶端固结，通过旋转支撑杆12，使其两端相对称的螺纹移动，调节光反应装置的倾斜角度达到最佳采光位置。光催化反应器6顶部透光板14采用对30(T400nm波段紫外光透光较高的高硅氧玻璃、含氟聚合物、石英等作为材质，优选为高硅氧玻璃材料。光催化反应器盒体15材料可以采用不锈钢、聚四氟乙烯、聚乙烯或ABS耐氧化类塑料等。光反应器设有进水口 16和出水口 17。光催化反应器盒体15、透光板14、固定压片18和密封片19的相应位置设有一定直径固定孔，密封片19为硅胶材料。固定密封透光板时，将透光板14置于光催化反应器盒体15和固定压片18之间，并在透光板14与光催化反应器盒体15之间，透光板14与固定压片18之间分别放置一层密封片19，并以固定螺栓20和固定螺母21进行紧固。光催化反应器6的廊道中装填2飞层特制的固定膜催化剂8，催化剂8以特制不锈钢网骨架22或长柱型骨架将其支撑，紧贴在光反应器廊道两侧边壁和底面上。长柱型骨架由两端的支架23和支杆24组成，可以采用不锈钢或者聚四氟乙烯或聚乙烯或ABS或PVC-U 等耐氧化类塑料材料。本发明适用多种TiO2固定膜。特别适用于将玻璃纤维网以程序升温焙烧的方式进行预处理后，采用钛酸丁酯、乙醇、蒸馏水和硝酸配制的溶胶_凝胶液和浸润提拉法进行镀膜，重复涂覆、焙烧过程制得的TiO2固定膜。工作原理请参阅图1。待处理水样通过进水管进入待处理水贮水箱之前，先进入由外层滤芯过滤与内层阳离子交换树脂(或者锰砂)组成的预处理装置，以去除待处理水中的Fe2+、Mn2+和拦截胶体，从而避免催化剂中毒，若待处理水中不存在Fe2+、Mn2+离子，可不设置前处理装置。水样进入待处理水贮水箱后，可根据水样的污染物浓度和处理规模大小， 选择是否添加O2或H2O2或O3等助氧化剂。水样通过泵和流量计进入光反应器6进行光催化反应，待污染物降解后排入清水贮水箱。可采用连续流运行，停留时间可通过回流比来控制。如果处理规模较小，可选择一组光催化反应器，水样依次流过光反应廊道后回到清水贮水箱，待完成一个反应周期后排出，反应采用序批式的运行方式。如果水样是高浓度有机废水且处理规模大，可以采用多个光反应器串联形式进行放大。用初始浓度为2. lmg/L的苯酚作为待处理水样，泵流量为5L/min，反应过程中太阳光的平均光强为24. 3W/m2，反应的总体积为16L，120min后苯酚的降解率达到91%。选择在天气晴朗，光强差别不超过10%的时间段进行。取2mg/L的苯酚溶液16L，分别选定泵流量为2、5、7. 5、10L/min进行实验，120min后苯酚的降解率分别为84%, 90%, 92%, 93% 0 本发明的传质性能优越。另外，本发明的催化膜活性较稳定。选取早期的一次实验，与运行 20个反应周期后的实验进行对比，结果为前者初始浓度2. Omg/L的苯酚，溶液16L，泵流量为5L/min，反应过程中太阳光的平均光强为21. 3W/m2，经120min后苯酚降解率达到88%， 后者初始浓度1. 9mg/L的苯酚溶液16L，泵流量为5L/min，反应过程中太阳光的平均光强为 19.8W/m2，在120min内苯酚的降解率达到81%的降解率。结果说明催化膜活性较稳定。对应的再生实验表明，经使用后活性下降的催化膜可通过适当的措施恢复其活性。
权利要求
1.一种太阳能固定膜光催化氧化水处理装置，包括清水储存箱(1)、待处理水贮存箱 (2)、预处理器(3)、泵(4)、流量计(5)和光催化反应器(6)；其特征在于该处理装置由预处理器(3)、待处理水储槽(2)、泵(4)、流量计(5)、光催化反应器(6)、清水储存箱(1)顺序链接所构成；其中光催化反应器(6)主体为顶盖能透紫外光的光反应器盒体(15)，光反应器盒体(15)内部被分隔成多个互连廊道(7)，廊道(7)的侧壁和底部平板装填固定膜催化剂 (8),透光板(14)置于光催化反应器盒体(15)上面。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能固定膜光催化氧化水处理装置，其特征在于在透光板(14)上设有固定压片(18)。
3.根据权利要求1或2所述的一种太阳能固定膜光催化氧化水处理装置，其特征在于在透光板(14)与光催化反应器盒体(15)之间，以及透光板(14)与固定压片(18)之间分别放置一层硅胶材料密封片(19)。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能固定膜光催化氧化水处理装置，其特征在于固定膜催化剂(8)的装填是由不锈钢丝网制成的骨架(22)固定，装填时将固定膜催化剂(8) 包覆于预先根据廊道尺寸做成的不锈钢丝网骨架上(22)。光催化剂可以方便拆换。光催化剂组件可以多层叠置。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能固定膜光催化氧化水处理装置，其特征在于光催化反应器(6)内装填的固定膜催化剂(8)的长柱型骨架(23)采用不锈钢、聚四氟乙烯、聚乙烯、ABS或PVC-U等耐氧化类塑料制成，在长柱型骨架上围绕并包裹多层催化膜(8)组成光催化剂组件；与廊道长度相应的长柱型框架(23)由两端的支架(24)和固结的支杆(25)组成。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能固定膜光催化氧化水处理装置，其特征在于在光反应器盒体(15)、透光板(14)、固定压片(18)和密封片(19)的相同位置设有固定孔，以固定螺栓(20 )和固定螺母(21)对透光板进行密封紧固。
全文摘要
一种太阳能固定膜光催化氧化水处理装置，由清水储存箱(1)、待处理水贮存箱(2)、预处理器(3)、泵(4)、流量计(5)和光催化反应器(6)组成。光反应器主体为顶盖能透紫外光的盒子，内部被分隔成多个互连廊道(7),廊道(7)侧壁和底部平板装填2~5层固定膜催化剂(8)。催化剂(8)以特制不锈钢丝网骨架(22)或长柱型骨架(23)将其支撑。该催化膜以部分透光的玻璃纤维网为载体，载体上负载永久性TiO2膜。本发明结构简单、处理量大、反应速率高、运行费用低廉、操作方便、运行稳定。可广泛用于饮用水的深度处理和高纯水的制备或有毒有害高浓度难降解有机废水
文档编号C02F9/04GK102180553SQ201110061859
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月15日 优先权日2011年3月15日
发明者孙芹菊, 李杰瑞, 林少华, 荆肇乾, 计汝茜, 顾宗梁 申请人:南京林业大学
