新型光催化臭氧化流化床反应装置及水处理方法

摘要

一种新型光催化臭氧化流化床反应装置及水处理方法，可解决光催化臭氧化过程中催化剂易污染以及尾气臭氧浪费污染等问题。该光催化臭氧化流化床反应装置包括反应器和臭氧发生器，所述反应器的上部设置有排气口和废液进口，所述反应器的下部设置有进水口和排液口，所述反应器的内部设置有灯源和曝气头，其中，所述反应器至少为两个，所述反应器内部的曝气头设置有歧管，所述歧管的一端与所述臭氧发生器连接，所述歧管的另一端与另一反应器的排气口连接。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光催化臭氧化反应器的开发，尤其是涉及一种集污染物降解和催化剂分离再生于一体的新型光催化臭氧化流化床反应装置及采用该装置的水处理方法。

背景技术

高效实用的光催化反应器的开发是光催化氧化法降解水中有机污染物的技术迈向实用化的关键步骤之一。总体来说，光催化反应器的研制主要是沿着如何高效合理地利用光催化剂以及光源光强为思路来进行的。

按催化剂的使用方式可分为悬浮液型光催化反应器和固定床型光催化反应器。早期的研究多倾向于悬浮式光反应器，将TiO₂与有机物溶液组成悬浮液，通过搅拌使催化剂分散均匀。由于颗粒TiO₂比表面积大，对有机物具有较好的吸附作用以及对光子有较高的吸收，因此具有较好的降解作用。因此这类反应器仍然具有一定的应用前景。但水处理后期TiO₂的分离和回收过程较繁杂，而且由于悬浮液的溶剂及其他化学组分对光的吸收，使辐射深度受到影响。针对悬浮型光催化反应器的不足，近年来固定式光催化反应器得到了迅速发展。将TiO₂颗粒固定于载体或薄膜来处理废水，不需额外设备就可使TiO₂重复使用。TiO₂固定化的载体构成固定床，使吸附、催化、分离等过程有机结合在一起，其缺点是催化剂的表面积与体积比低，影响其有效作用面积，催化剂投加量大，对光的利用率低等。

现在，也有采用二氧化钛纳米管作为催化剂使其在臭氧状态下达到流化状态，形成了光催化臭氧化流化床反应器。但是，在实际使用中，催化剂易于污染，需要进行再生处理；另外，光催化臭氧化工艺中存在尾气臭氧浪费及二次污染的问题。目前，催化剂的再生方法主要有冲扫再生、光再生、热再生、化学清洗、超声波再生，均存在处理成本偏大的问题，而用尾气臭氧对催化剂进行再生的研究尚无。

发明内容

本发明的目的在于解决光催化臭氧化过程中催化剂易污染以及尾气臭氧浪费污染等问题，提供一种集污染物降解和催化剂分离再生于一体的新型光催化臭氧化流化床反应装置及采用该装置的水处理方法。

本发明是通过以下技术方案而得以实现的。

一种光催化臭氧化流化床反应装置，包括反应器和臭氧发生器，所述反应器的上部设置有排气口和废液进口，所述反应器的下部设置有进水口和排液口，所述反应器的内部设置有灯源和曝气头，其中，所述反应器至少为两个，所述反应器内部的曝气头设置有歧管，所述歧管的一端与所述臭氧发生器连接，所述歧管的另一端与另一反应器的排气口连接。

所述灯源为紫外灯或可见光灯。

一种水处理方法，其中，采用权利要求1所述的光催化臭氧化流化床反应装置，包括如下步骤：废液处理步骤，使废液从反应器的废液进口进入，关闭该反应器，利用从臭氧发生器经歧管、曝气头而进入该反应器的臭氧和分布于该反应器内部的催化剂，对该反应器内的废液进行处理，反应结束后将处理后液体排出；催化剂再生步骤，使清洗水从所述反应器的进水口进入，利用从与另一反应器的排气口连接的歧管通入的另一反应器的尾气臭氧对催化剂进行再生。

进行两次所述废液处理步骤后进行一次催化剂再生步骤。

所述催化剂再生步骤中还采用灯源发出的光与尾气臭氧结合对催化剂进行再生。

所述灯源为紫外灯或可见光灯。

所述催化剂为柱状二氧化钛纳米管。

采用本发明的光催化臭氧化流化床反应装置，使反应器的排气口与另一反应器的曝气头连接，利用另一反应器的尾气臭氧来进行催化剂再生，从而降低了催化剂再生成本，同时降低了尾气臭氧的浪费及二次污染问题。

而且，本发明采用柱状二氧化钛纳米管作为催化剂，与以往使用的催化剂相比，提高了催化剂的表面积与体积比，提高了催化剂的有效作用面积，从而提高了催化效率。

按照本发明的水处理方法进行处理，提高了处理效率，并且可降低处理成本。

附图说明

图1为表示本发明的光催化臭氧化流化床反应装置的结构的示意图。

图2为表示该光催化臭氧化流化床反应装置的运行情况的示意图。

图3为表示比较例的催化剂的催化性能变化的图。

图4为表示实施例的采用不同再生方式催化剂再生时对催化性能的影响的图。

图中，1、臭氧发生器；2、12、反应器；3、曝气头；4、废液进口；5、排气口；6、进水口；7、排液口；8、歧管；9、灯源。

具体实施方式

针对催化剂易污染失活、尾气臭氧浪费及产生二次污染增加处理成本等一系列问题，结合上述试验结果即尾气臭氧具有可单独对污染催化剂进行再生的优势，将上述问题有效结合，设计出新型一体化光催化臭氧化流化床反应装置，集污染物降解和催化剂再生于一体，本发明的光催化臭氧化流化床反应装置如图1所示。

光催化臭氧化流化床反应装置主要包括臭氧发生器和至少两个光催化臭氧化反应器，其中每个反应器的尾气臭氧均可当作另一个反应器的气源用来再生催化剂。作为例示，图1中表示两个独立并联的反应器，反应器2的上部设置有排气口5和废液进口4，反应器2的下部设置有进水口6和排液口7，反应器2的内部设置有灯源9和曝气头3，反应器内部2的曝气头3设置有歧管8，歧管8的一端与臭氧发生器1连接，歧管8的另一端与另一反应器12的排气口15连接。反应器12的结构与反应器2的结构相同，其歧管的一端与臭氧发生器1连接，另一端与反应器2的排气口5连接，从而两反应器的尾气臭氧均可互作另一反应器的气源用来再生催化剂。

作为催化剂，可采用通常使用的催化剂，如颗粒状TiO₂、负载型TiO₂催化剂等，本发明优选使用柱状二氧化钛纳米管，将二氧化钛纳米管做成柱状设置于反应器中，提高了催化剂的表面积与体积比，提高了催化剂的有效作用面积，从而提高了催化效率。

作为灯源9，可选用紫外灯或可见光灯。

参照图2简要说明利用该光催化臭氧化流化床反应装置进行垃圾渗滤液处理的流程。

第一个小时：反应器一(即图1中附图标记2)进垃圾渗滤液1L，反应1个小时后排空；

第二个小时：反应器一和反应器二(即图1中附图标记12)各进垃圾渗滤液1L，反应1个小时后排空；

第三个小时：反应器二进垃圾渗滤液1L，反应器一进自来水0.5L，反应器二尾气臭氧通入反应器一曝气头，反应器一关，灯源发出的光和臭氧曝气，反应1个小时后都排空；

第四个小时：反应器一进垃圾渗滤液1L，反应器二进自来水0.5L，反应器一尾气臭氧通入反应器二曝气头，反应器二关，灯源发出的光和臭氧曝气，反应1个小时后均排空；

以第二～四个小时内容为一循环，此后重复该循环。

以下通过具体实施例说明本发明的有益效果。

实施例1

采用如图1所示的两个反应器并列设置的光催化臭氧化流化床反应装置，将制备好的具有可见光激发功能的柱状催化剂设于反应器中，在灯源的可见光照射下，进行光催化臭氧化工艺对垃圾渗滤液深度处理。在臭氧(流速2L/min，投加量383.46mg/h)曝气条件下，柱状催化剂在反应器中可达到流化状态，形成可见光光催化臭氧化流化床反应器。

可见光条件下运行工艺参数分别为：1L过滤后的垃圾渗滤液、COD浓度为844.9-1418.3mg/L、柱状掺铝型二氧化钛纳米管(Al-TNTs)投加量为4g/L、臭氧投加量为383.46mg/h、反应时间1h。第1次处理后产生的尾气臭氧量为176.778mg/h左右，作为再生催化剂的臭氧投加量，再生过程均在1L蒸馏水中进行1h。而且，对于三次污染后的催化剂进行尾气臭氧单独再生。

实施例2

除了对于三次污染后的催化剂进行尾气臭氧和可见光联合再生之外，其余与实施例1相同。

比较例

采用单个反应器进行水处理，尾气臭氧排出，未对催化剂进行再生，其余工艺条件与实施例1相同。

鉴于催化剂易于污染，本发明主要针对柱状Al-TNTs重复利用对垃圾渗滤液降解的影响进行了考察。如图3所示，比较例中，随着反应时间的延长，COD去除率逐渐增大，但是当催化剂第二次使用和第三次使用时的COD去除率随着时间的上升幅度较第一次利用时有所下降。同时，随着催化剂的重复利用，对垃圾渗滤液的COD去除效果逐渐降低，60min时，催化剂第一次使用时的COD去除率为59.27％，第二次使用时的COD去除率为35.91％，较第一次下降24.64％，而催化剂第三次使用时的COD去除率仅为11.4％。第三次使用时，COD去除率基本保持在8％-12％范围内，说明此时催化剂被严重污染失活，催化性能下降较为明显。本次试验所处理的垃圾渗滤液成分复杂，COD浓度较高等都决定了催化剂容易被其污染失活。

如图4所示，相比于催化剂未再生时11.4％的去除率，尾气臭氧单独再生过后的催化剂的催化性能明显提高，60min时COD去除率达到31.3％，和催化剂第二次使用时的效果相当；催化剂经尾气臭氧和可见光联合再生后，60min时COD去除率达到34.22％，比未再生时的COD去除率提高了22.82％。所以，光催化臭氧化中的尾气臭氧对污染后柱状Al-TNTs的再生具有可行性，并且尾气臭氧单独再生能力也较强，从成本上考虑，可选择光催化臭氧化工艺中的尾气臭氧单独对污染后的柱状催化剂进行再生。

此外，尾气臭氧和可见光联合再生后的催化剂催化性能比尾气臭氧单独再生后的催化剂催化性能略高，也可选择尾气臭氧和可见光联合再生对污染后的柱状催化剂进行再生。

以上说明了本发明的实施方式，但不言而喻，本发明不限于此，在不脱离本发明要旨的范围内可以进行各种变更。