專利名稱：全天候太陽能固定膜光催化氧化水處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種不受天氣影響的太陽能固定膜光催化氧化水處理裝置，該裝置可廣泛用于飲用水的深度處理和高純水的制備，同時也可推廣應(yīng)用到有毒有害難降解有機廢水的處理或和其他技術(shù)聯(lián)用。
背景技術(shù)：
太陽能是一種資源豐富的新型能源，經(jīng)研究，可用于TiO2光催化氧化水處理的太陽能(λ＜400nm)約為太陽能輻射總量的3％-4％，可高達約50W/m2，且太陽能環(huán)境友好，不會產(chǎn)生環(huán)境污染，所以，將太陽能用作光催化氧化水處理的能源，可以減少能耗，降低處理成本，具有良好的經(jīng)濟效益與社會效益。利用太陽能的TiO2光催化氧化水處理裝置具有氧化能力強、對污染物沒有選擇性等特點，在處理水中毒有害物質(zhì)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
目前，根據(jù)采光元件的不同，太陽能TiO2光催化氧化水處理裝置可分為聚光型反應(yīng)器和非聚光型反應(yīng)器兩種。聚光型反應(yīng)器通常指拋物槽反應(yīng)器(PTCR)，該類型反應(yīng)器通過跟蹤裝置追蹤太陽光，將直射光聚集到位于拋物槽焦線上的由多組互相連接的反應(yīng)管單元組成，管內(nèi)裝有懸浮型TiO2光催化。雖然，這類太陽能光催化反應(yīng)器用于處理工業(yè)廢水在技術(shù)上是可行的，但是，PTCR需要太陽跟蹤裝置，建造成本高，且只能利用直射太陽紫外輻射，光能利用效率較低。另外，該類反應(yīng)器還存在對天氣條件變化的適應(yīng)性較差、催化劑從水中分離回收困難、初期投資和運行成本高等問題。
隨著技術(shù)的發(fā)展，聚光型反應(yīng)器已逐漸為既可利用直射光又可利用散射光的非聚光型反應(yīng)器所取代。非聚光型反應(yīng)器主要有平板型反應(yīng)器(TFFBR)和復合拋物面反應(yīng)器(CPCR)。平板型反應(yīng)器的主體是涂覆催化膜的平板，反應(yīng)液以薄膜狀流經(jīng)固定化催化劑，在太陽紫外輻射的作用下，水中污染物得到降解去除。但這種反應(yīng)器的明顯缺點是水力負荷低，水流通常為層流，存在傳質(zhì)限制問題，反應(yīng)器效率偏低。
復合拋物面(CPC)反應(yīng)器可將集光角范圍內(nèi)的所有直射和散射光均勻地反射在反應(yīng)管的圓周上，具有較高的光學效率；且結(jié)構(gòu)簡單，水力條件好，不存在傳質(zhì)限制問題；另外，裝置不需要太陽跟蹤裝置，建造和運行維護費用低。但目前這種CPC反應(yīng)器多采用懸浮態(tài)催化劑，催化劑分離回收困難。
為了提高對太陽紫外輻射的利用效率，消除傳質(zhì)限制，并克服懸浮態(tài)催化劑分離回收困難的缺點，發(fā)明專利CN1699200(申請?zhí)朇N200510026138.X)采用復合拋物面采光板作為集光裝置，可以利用太陽紫外輻射的直射部分與散射部分；使用固定膜催化劑可以省去懸漿體系催化劑分離回收工序，裝置還具有良好的傳質(zhì)作用。但是，如同所有的太陽能利用裝置一樣，該裝置在太陽紫外輻射低的陰雨天等天氣條件下，處理效率低下，不能實現(xiàn)全天候高效運轉(zhuǎn)，難以滿足實際工程應(yīng)用需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種能夠適應(yīng)天氣變化，可全天候高效運轉(zhuǎn)的太陽能TiO2固定膜光催化氧化水處理裝置。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、建造和運行成本低、反應(yīng)速率高，處理水量大、操作方便、運行穩(wěn)定并能實現(xiàn)自動控制的優(yōu)點，可廣泛用于飲用水的深度處理和高純水的制備。
為了達到上述目的，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的整個系統(tǒng)包括儲水箱、光催化反應(yīng)器組件、泵、流量計、清水儲存箱。光催化反應(yīng)器組件由采光板、光反應(yīng)器和固定化催化劑組成，光催化反應(yīng)器組件底端通過與之匹配的固定在支撐板上的鉸鏈與支撐板連接，支撐板的另一端固結(jié)了由帶有螺紋的支撐軸和調(diào)節(jié)螺母組成的角度調(diào)節(jié)機構(gòu)，使采光板的傾斜位置達到最佳采光效果。采光板由根據(jù)設(shè)計需要確定數(shù)量的平截式復合拋物面構(gòu)成，每組拋物面的中心設(shè)有一個光反應(yīng)器，所有的光反應(yīng)器并排放置，并通過端部彎頭連接成一體，成為串聯(lián)形式。其特點是光反應(yīng)器由內(nèi)管和外管組成雙層同心圓結(jié)構(gòu)，外管采用對太陽紫外輻射具有很高透射率、價格便宜的高硅氧玻璃材料，內(nèi)套管采用能透過人工光源遠紫外光的石英套管，套管內(nèi)裝有作為輔助光源的雙端冷陰極低壓汞燈。人工光源可手工啟閉或通過感光元件觸發(fā)的自控裝置啟閉。在晴天或者多云天氣，裝置利用太陽紫外輻射為反應(yīng)光源，在陰雨天氣自動開啟電光源，采用混和光源，以實現(xiàn)全天候高效運轉(zhuǎn)。在內(nèi)、外管之間的密閉空間中裝填有兩層固定化催化劑。待處理水流經(jīng)催化膜時，在太陽紫外輻射或電光源紫外輻射的作用下，水中的污染物被氧化分解。
本發(fā)明的優(yōu)點如下1.由于本發(fā)明設(shè)有的人工光源采用壽命長、光衰減小的雙端冷陰極低壓汞燈作為太陽紫外輻射的輔助光源，并能根據(jù)光強變化自動控制電光源的啟閉，因此能實現(xiàn)全天候運轉(zhuǎn)，使裝置在陰雨天也保持很高的處理效率。冷陰極燈置于反應(yīng)器內(nèi)套管中，使用安全且光能利用率高。
2.本發(fā)明可充分利用太陽紫外輻射。構(gòu)成本發(fā)明的平截式復合拋物面型采光板是傾斜放置，其傾斜角可通過由帶有螺紋的支撐軸和調(diào)節(jié)螺母組成的角度調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)，因此能夠適合不同緯度地區(qū)的運行需要，既可利用太陽紫外輻射的直射部分又可利用散射部分，達到非常好的處理效果。
3.本發(fā)明通過特制的接頭將光反應(yīng)器的內(nèi)、外套管以同心圓形式固定，形成水流可通過的連續(xù)的密閉空間。按照設(shè)計規(guī)模的大小可以并聯(lián)或串連拼接放大。光反應(yīng)器內(nèi)裝有特制的TiO2固定膜光催化劑，內(nèi)層直接包覆于石英管上，外層通過簡單的特制支架將其撐開，使其保持理想的空間位置，消除了使用懸浮性催化劑反應(yīng)器所存在的催化劑分離、回收困難的固有缺點。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊合理、水流流態(tài)好、反應(yīng)速率高、運行費用低、操作方便、運行穩(wěn)定。
4.本發(fā)明的TiO2固定膜光催化劑是在柔性基材玻璃纖維網(wǎng)上制作的，比表面積大、裝填方便、質(zhì)輕、耐久性好，在重復使用多次后，處理效果降低很少，穩(wěn)定性好；透光率高。在采光面積不變的情況下，最大化的利用了反應(yīng)器的容積，提高了催化劑的有效催化面積。
5.本發(fā)明的反應(yīng)器的傳質(zhì)性能較一般使用剛性載體的固定膜反應(yīng)器優(yōu)越，在較低的流速條件下，就可基本消除傳質(zhì)對反應(yīng)速率的限制?？筛鶕?jù)處理水量、水質(zhì)要求靈活選擇反應(yīng)器單元組件采用串連或并聯(lián)連接方式，裝置規(guī)模放大不影響基本設(shè)計參數(shù)，制造簡單。


圖1為本發(fā)明的全天候太陽能光催化氧化水處理裝置示意2為本發(fā)明的裝置平面放置示意3為本發(fā)明的裝置側(cè)面及圖2中B-B剖面示意4為圖2中A-A剖面示意5為本發(fā)明的光反應(yīng)器內(nèi)催化劑和電光源設(shè)置示意6為光反應(yīng)管與彎頭連接示意圖附圖中的標號說明如下1-清水儲存箱，2-待處理貯水箱，3-預處理器，4-泵，5-流量計，6-CPC采光板，7-光反應(yīng)器，8-感光自控啟閉裝置，9-連接彎頭，10-彎頭固定卡箍，11-鉸鏈，12-支撐板，13-調(diào)節(jié)螺母，14-支桿，15-光反應(yīng)器外管，16-光反應(yīng)器內(nèi)管，17-外層催化膜，18-內(nèi)層催化膜，19-電光源固定套箍，20-電光源，21-不銹鋼彈簧支架，22-外密封螺母，23-內(nèi)密封螺母，24-橡膠密封圈。
具體實施例方式
請參閱附圖1-圖6。本發(fā)明包括清水儲存箱1、待處理水儲槽2、預處理器3、泵4、流量計5、采光板6、光反應(yīng)器7和感光元件觸發(fā)的自控啟閉裝置8。光催化反應(yīng)裝置的核心由CPC采光板6和光反應(yīng)器7組成。采光板6由12組平截式復合拋物面構(gòu)成(可按照設(shè)計要求增減)，每組拋物面的中心設(shè)有一根光反應(yīng)器7。12根光反應(yīng)器7并排放置，通過設(shè)在端部的連接彎頭9互相串聯(lián)連接成一體，彎頭9通過固定卡箍10進行固定。光催化反應(yīng)器組件底端設(shè)有鉸鏈11和支撐板12進行活動連接。光催化反應(yīng)裝置頂端與支撐板12之間設(shè)有角度調(diào)節(jié)機構(gòu)，角度調(diào)節(jié)機構(gòu)由調(diào)節(jié)螺母13和帶有螺紋的支桿14組成。兩個調(diào)節(jié)螺母13分別與支撐板12和光催化反應(yīng)裝置頂端固結(jié)，通過旋轉(zhuǎn)支桿14，使其兩端相對稱的螺紋移動，調(diào)節(jié)光催化反應(yīng)裝置的傾斜角度達到最佳采光位置。
光反應(yīng)器7的外管15可采用在300-400nm太陽紫外波譜段透光率較高的高硅氧玻璃，或石英玻璃等作為材質(zhì)，優(yōu)選為高硅氧玻璃管。光反應(yīng)器7中裝填2層特制的固定膜催化劑，外層催化劑17通過特制不銹鋼彈簧骨架21將其撐開，緊貼在光反應(yīng)器外管15的內(nèi)壁，內(nèi)層催化劑18包覆于光反應(yīng)器內(nèi)管16上，以卡箍固定。光反應(yīng)器內(nèi)管16采用石英玻璃，對254nm短波紫外光的透射率在90％以上。在光反應(yīng)器內(nèi)管16內(nèi)裝有雙端冷陰極低壓汞燈20作為電光源，燈的兩端利用特制的可透氣的電光源固定套箍19進行固定，以防止光源過熱。燈的啟閉可通過由感光元件觸發(fā)的自控啟閉裝置8進行自動控制。
光反應(yīng)器7的外管15和彎頭9通過PE、ABS或PVC-U等耐氧化材料制造的密封螺母22進行連接，通過橡膠密封圈24實現(xiàn)密封。光反應(yīng)器7的內(nèi)管16通過內(nèi)密封螺母23、橡膠密封圈24進行連接密封。
本發(fā)明適用多種TiO2固定膜。特別適用于將玻璃纖維網(wǎng)以程序升溫焙燒的方式進行預處理后，采用鈦酸丁酯、乙醇、蒸餾水和硝酸配制的溶膠-凝膠液和浸潤提拉法進行鍍膜，重復涂覆、焙燒過程制得的TiO2固定膜(玻璃纖維網(wǎng)上負載TiO2固定膜光催化劑的制備方法(申請?zhí)?005100261394))。
工作原理參閱圖1待處理水通過進水管進入貯水箱2之前，先進入由外層濾芯過濾與內(nèi)層錳砂或者陽離子交換樹脂濾柱，以去除進水中的Fe2+、Mn2+離子并攔截膠體，從而避免催化劑中毒，若進水中不存在Fe2+、Mn2+離子，可不設(shè)置錳砂濾柱。待處理水進入貯水箱2后，可根據(jù)進水的污染物濃度，選擇是否添加H2O2或O3等助氧化劑。水樣通過泵4和流量計5進入光反應(yīng)器7進行光催化反應(yīng)，待污染物降解后排入清水貯水箱1。在處理水量大時，可采用多個處理單元串連連續(xù)流運行，停留時間可通過進水流量控制。如果處理規(guī)模較小，光反應(yīng)器7可并排放置串聯(lián)連接，水樣依次流過光反應(yīng)器后回到貯水箱2，待完成一個反應(yīng)周期排出，反應(yīng)采用序批方式運行。光催化反應(yīng)以太陽能為主要光源，在太陽紫外輻射較低的陰雨天氣開啟人工輔助光源，使整個系統(tǒng)具有很高的處理效率。
用初始濃度為3.5mg/L的苯酚溶液作為待處理水樣，系統(tǒng)容積25L，水泵4流量為16L/min，反應(yīng)過程中太陽光的平均光強為25.9W/m2，采光面積為0.95m2，180min后苯酚的去除率達到93％以上，裝置利用太陽能對苯酚具有良好的去除效果。選擇在天氣晴朗，光強波動不超過10％的時段，取7.3mg/L的苯酚溶液25L，采光面積0.95m2，調(diào)節(jié)水泵循環(huán)流量分別為5、12、16L/min進行實驗，反應(yīng)時間為120min時，苯酚的去除率可分別達到71％，74％，75％，這說明本發(fā)明的傳質(zhì)性能優(yōu)越，在很低的循環(huán)流速下即可消除傳質(zhì)限制。本發(fā)明可以實現(xiàn)全天候運轉(zhuǎn)并保持很高的處理能力。取3.5mg/L的苯酚溶液25L，分別選擇在陰天、多云和晴天三種不同的天氣(對應(yīng)的平均光強分別為12.4，20.5，25.9W/m2，采光面積0.95m2)及單純采用電光源(六盞燈)條件下進行實驗，循環(huán)流量為16L/min。在多云和晴天條件下，苯酚的降解速率差別不大，前者在180min內(nèi)苯酚降解率86.6％，后者180min內(nèi)降解率93％，而在陰天不見陽光的情況下180min后苯酚降解率也能達到59％的，說明CPC采光元件對散射紫外光有很好的利用能力。單純采用電光源時，經(jīng)過60min反應(yīng)，苯酚去除率即可達到98％。
裝置對受污染自來水具有很好的處理效果。取以自來水配制的初始濃度為1.8mg/L的苯酚溶液25L，在循環(huán)流量16L/min，陰到多云、多云和晴天三種不同的天氣(對應(yīng)的平均光強分別為14.1，18，23.1W/m2，采光面積0.95m2)條件下采用太陽能，在小雨天氣條件下采用混和光源(六盞燈+5.4W/m2)進行實驗。在晴天條件下，經(jīng)過120min反應(yīng)，苯酚去除率可以達到93％，多云條件下，經(jīng)過120min反應(yīng)，苯酚去除率可以達到82％，即使在陰到多云條件下，經(jīng)過180min反應(yīng)，苯酚去除率也可以達到83％，在小雨天氣、采用混和光源情況下，僅需75min反應(yīng)，苯酚去除率即可達到95％。
裝置對于自來水中消毒副產(chǎn)物三氯甲烷具有很好的處理效果。試驗條件為太陽能采光面積0.95m2，循環(huán)流量16L/min，待處理自來水25L。太陽能平均光強為17.8W·m-2時，初始濃度為81.2μg/L的三氯甲烷，經(jīng)過不足60min的處理，濃度降低到到20μg/L以下；采用電光源時，初始濃度為64.1μg/L的三氯甲烷，只需要約40min即可下降到20μg/L以下；在平均光強約為7W·m-2的陰到小雨天氣，打開電光源，初始濃度為82.5μg/L的三氯甲烷，經(jīng)過約45min的處理，濃度即低于20μg/L。
權(quán)利要求
1.一種全天候太陽能固定膜光催化氧化水處理裝置，包括清水儲存箱(1)、待處理水儲槽(2)、預處理器(3)、泵(4)、流量計(5)和光催化反應(yīng)器組件；光催化反應(yīng)器組件由采光板(6)、光反應(yīng)器(7)和光源自控裝置(8)組成，采光板(6)由平截式復合拋物面構(gòu)成，每組拋物面的中心設(shè)有一個光反應(yīng)器(7)，光反應(yīng)器(7)并排放置，并通過端部設(shè)有的彎頭(9)互相串聯(lián)連接成一體；其特征在于光反應(yīng)器(7)由外管(15)和內(nèi)管(16)通過特制彎頭(9)進行連接成同心圓結(jié)構(gòu)，內(nèi)管(16)內(nèi)裝有作為輔助光源的雙端冷陰極低壓汞燈(20)；在內(nèi)、外管之間的密閉空間中裝填有兩～三層固定化催化劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全天候太陽能固定膜光催化氧化水處理裝置，其特征在于所述的光反應(yīng)器(7)內(nèi)安裝的冷陰極低壓汞燈(20)的兩端以可透氣的固定套箍(19)進行固定，可以通風防止光源過熱；燈(20)的啟閉通過感光元件觸發(fā)的自控裝置控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全天候太陽能固定膜光催化氧化水處理裝置，其特征在于所述的光反應(yīng)器(7)的外管(15)和內(nèi)管(16)通過橡膠密封圈(24)、外密封螺母(22)和內(nèi)密封螺母(23)與彎頭(9)進行固定成同心圓結(jié)構(gòu)，便于拆卸，裝填或去除催化膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全天候太陽能固定膜光催化氧化水處理裝置，其特征在于所述的光反應(yīng)器(7)中裝填的2層固定膜催化劑中的外層(17)是由不銹鋼制成的彈簧型支架(21)固定，裝填時因兩端拉緊徑向變小，兩端松開時固定膜被自動撐開的支架張緊在光反應(yīng)器外管(15)的內(nèi)壁，固定膜催化劑的內(nèi)層(18)直接包覆于光反應(yīng)器的內(nèi)管(16)的外壁上，用卡箍固定。
全文摘要
全天候太陽能固定膜光催化氧化水處理裝置，涉及一種不受天氣影響的太陽能水處理裝置。包括清水儲存箱(1)、待處理水儲水槽(2)、預處理器(3)、泵(4)、流量計(5)、采光板(6)和光反應(yīng)器(7)。光反應(yīng)器(7)由內(nèi)管(16)、外管(15)構(gòu)成同心圓結(jié)構(gòu)，其中裝填2層固定膜催化劑和冷陰極紫外燈(20)。固定膜催化劑的外層(17)是由彈簧型支架(21)固定，內(nèi)層(18)直接包覆于內(nèi)管(16)的外壁上。本發(fā)明利用太陽能及輔助光源適應(yīng)天氣變化，實現(xiàn)全天候高效運轉(zhuǎn)。具有結(jié)構(gòu)簡單、光能利用率高、運行費用低、操作方便、可長期穩(wěn)定運行的特點?？蓮V泛用于飲用水的深度處理和高純水的制備，也可推廣應(yīng)用到有毒有害難降解有機廢水的處理等。
文檔編號C02F103/04GK1789151SQ20051011211
公開日2006年6月21日 申請日期2005年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月27日
發(fā)明者李田, 林少華, 仇雁翎 申請人:同濟大學