專利名稱：光催化與膜分離的集成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光催化與膜分離的集成方法及專用的膜分離器，用于有機(jī)污水等光催化降解處理過程。
近年來，以TiO2等半導(dǎo)體氧化物作為光催化劑的光催化降解法處理水微量有機(jī)物已成為研究熱點(diǎn)，此法利用紫外光或近紫外光的光源從半導(dǎo)體顆粒表面激發(fā)出電子并同時(shí)形成一個(gè)帶正電的空穴，從而引發(fā)一系列的氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生氧化能力很強(qiáng)的羥基自由基，其氧化電勢為2.80ev，是氧化降解的主要誘發(fā)劑，用以處理有機(jī)物污水可獲得理想的凈化效果。目前，光催化劑顆粒是以固定的方式與液相反應(yīng)的，它的缺點(diǎn)是反應(yīng)必須間歇進(jìn)行，催化劑顆粒與液相有效接觸面積小，加之在高溫?zé)Y(jié)過程中多孔結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，大大降低了顆粒表面積有效利用率，相應(yīng)地降低了反應(yīng)速率。人們曾試圖實(shí)現(xiàn)懸浮態(tài)催化劑的光反應(yīng)過程，使催化劑顆粒分散在液相中，與液相充分接觸，提高反應(yīng)速率，但存在催化劑難以從液相分離的問題，催化劑的分離回收困難，會(huì)造成流失。
本發(fā)明的目的是提供一種光催化與膜分離的集成方法以及該方法專用的膜滲透器，以提高光催化反應(yīng)的效率并實(shí)現(xiàn)光催化反應(yīng)及催化劑回收過程的連續(xù)進(jìn)行。
本發(fā)明的方法是在設(shè)有石英冷井及催化誘發(fā)光源的反應(yīng)槽中加光反應(yīng)催化劑，將待降解的原料液(如有機(jī)物污水)通入反應(yīng)槽，同時(shí)通入空氣或富氧氣體，使反應(yīng)液里的活性氧達(dá)到飽和，該氣體以分散氣流的形式導(dǎo)入反應(yīng)槽，將催化劑顆粒氣拌成懸浮態(tài)，在槽內(nèi)起先光催化反應(yīng)，從槽底連續(xù)泵取懸浮有催化劑的反應(yīng)液并通入膜分離器的膜管通道，以錯(cuò)流過濾方式進(jìn)行液固分離，其中降解液(如凈化水)透過膜管后排出，固相催化劑留在膜管內(nèi)，隨截留于管內(nèi)的循環(huán)液返回反應(yīng)槽再反應(yīng)；上述加入反應(yīng)槽的原料液的量與降解液排出量相平衡，整個(gè)過程連續(xù)進(jìn)行。所說的光催化劑顆粒直徑≤40μm。上述膜管工作一定時(shí)間后，膜管內(nèi)壁可能附著有部分催化劑，為保持膜管的較大的滲透通量，本發(fā)明通過加壓于膜管外的滲透液對膜管定時(shí)加壓反沖，使附著在膜上的催化劑脫落，恢復(fù)滲透通量。本發(fā)明中所說的光催化誘發(fā)光源可以是紫外光或主波長≤400nm的近紫外光源。
本發(fā)明上述方法中專用的膜分離器包括膜管和外套管，外套管的兩端通過法蘭和密封圈固定膜管并與膜管的進(jìn)出口相隔離，膜管由多孔陶瓷支撐管和復(fù)合于管內(nèi)通道的內(nèi)壁的無機(jī)滲透膜組成，膜的孔徑為1nm-10μm，膜厚度≤100μm，外套管設(shè)有滲透液出口管和反沖液接口管。所說的膜管可以是設(shè)有多個(gè)內(nèi)壁復(fù)合有無機(jī)滲透膜的多通道膜管，形成多通道膜分離器；也可在外套管內(nèi)設(shè)置多個(gè)并列的膜管，形成多通道膜分離器。
綜上所述，本發(fā)明采用了泵循環(huán)輔以氣拌的方法，使反應(yīng)槽內(nèi)催化劑呈懸浮狀態(tài)。這不僅可使催化劑與水充分接觸混合，催化劑的有效表面積大大增加，光催化降解有機(jī)物的速度迅速提高，更重要的是，本發(fā)明將光催化劑的懸浮化與膜滲透技術(shù)相結(jié)合，解決了催化劑顆粒的分離回收問題，并使光催化降解過程從進(jìn)料、反應(yīng)、出料、催化劑的分離直至返回反應(yīng)槽再反應(yīng)的全過程能不斷地連續(xù)進(jìn)行，從而使光催化降解反應(yīng)，特別是光催化污水處理能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。從經(jīng)濟(jì)角度分析，帶有陶瓷材料滲透膜的微過濾分離器能以較低的操作壓差(0.1-0.5MPa)獲得較高的通量，加之無機(jī)膜有良好的機(jī)械強(qiáng)度，可適當(dāng)增加橫跨膜操作壓差，確保以較小的膜面積透過較大的流量，從而提高反應(yīng)器的處理能力，減小設(shè)備投資額。
下面結(jié)合


本發(fā)明的實(shí)施例。
圖1是本發(fā)明采用膜分離回收催化劑的光催化反應(yīng)流程圖。
圖2是富氧氣體多孔環(huán)形導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是冷井結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是膜分離器的結(jié)構(gòu)圖。
圖5是膜分離器的膜管橫截面示意圖。
圖6是多通道膜管橫截面示意圖。
如圖1所示，反應(yīng)槽1為圓桶型容器，外套石英冷井2的光源3浸入在催化劑顆粒和原料液形成的懸浮液里，誘發(fā)光催化反應(yīng)的進(jìn)行。氣體導(dǎo)管4導(dǎo)入反應(yīng)所需要的富氧氣體e(可以是空氣、氧氣或臭氧)，在提供活性氧的同時(shí)可起到氣拌的作用。在反應(yīng)進(jìn)行的過程中，泵5提供動(dòng)力，從反應(yīng)槽底部泵取懸浮有催化劑的反應(yīng)液，經(jīng)流量計(jì)6送入膜分離器7的膜管內(nèi)通道，并通過無機(jī)膜進(jìn)行固液分離，經(jīng)降解的液體d(下稱滲透液)透過膜管排出系統(tǒng)，而催化劑顆粒則隨循環(huán)液從膜管流出返回反應(yīng)槽1，與連續(xù)加入的原料a混合繼續(xù)反應(yīng)，催化劑在系統(tǒng)內(nèi)連續(xù)循環(huán)，加料量a和出料量d保持平衡，整個(gè)光反應(yīng)過程連續(xù)進(jìn)行。本圖1中，V2、V3和V4可用于調(diào)節(jié)滲透量d，從而調(diào)整料液在反應(yīng)槽里的停留時(shí)間，以達(dá)到所需的反應(yīng)效果?？諌簷C(jī)9和緩沖罐8是對滲透液的反向加壓時(shí)啟用，緩沖罐8內(nèi)是與膜分離器7相通的滲透液。當(dāng)膜管需要反沖清洗時(shí)，開啟閥V5，啟動(dòng)空壓機(jī)9，提供≯2MPa的壓力，通過緩沖罐8加壓于分離器內(nèi)的滲透液，進(jìn)而使膜管受到由外向內(nèi)的徑向壓力，附著在膜管內(nèi)壁的催化劑被反沖脫落，使通量增加。圖1中，b、c冷井冷卻水進(jìn)水和出水，f為系統(tǒng)放空，由閥V9控制。g、h、i為系統(tǒng)排污，分別由閥V6、V7、V8控制。圖1流程若用于污水處理，則原料液a為有機(jī)物污水，滲透液d為降解了的凈水。
圖2表示圖1中導(dǎo)氣管4下端為多孔環(huán)形管，圓環(huán)的下部和側(cè)部開有多個(gè)氣孔4-1。
圖3是石英冷井剖面圖，它由雙層石英玻璃制成的含有夾層腔2-1的圓桶型容器，冷卻水由一根導(dǎo)管2-2從夾層的頂部引入腔內(nèi)的底部，隨后由腔體的另一端開口排出，起到及時(shí)移走光源所產(chǎn)生的熱量和調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度的作用。
圖4是膜分離器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中膜管73外套有外套管76，外套管兩端以密封圈72密封，并以法蘭71固定73，外套管設(shè)有滲透液輸出接管74和反沖液接管75。本器中，膜管以軸向進(jìn)料，以徑向滲透，形成錯(cuò)流過濾方式。
圖5是單通道膜管橫剖面示意圖，圖5可見，膜管由孔徑較大的陶瓷支撐管A和復(fù)合于通道C內(nèi)壁的孔徑很小的無機(jī)膜層B組成，膜厚≯400μm。圖6是多通道膜管橫剖面示意圖，它表示陶瓷支撐管A內(nèi)有多個(gè)內(nèi)壁復(fù)合有一層無機(jī)膜B的通道C。
下面是本發(fā)明方法用于處理亞甲基藍(lán)染料廢水的實(shí)施例。
待降解處理的廢水中亞甲基藍(lán)濃度為0.5g/L，采用300W中壓汞燈。反應(yīng)槽內(nèi)加入平均粒徑為0.3μm，品型為銳鈦礦型的催化劑TiO24g，將以上廢水連續(xù)加入反應(yīng)槽，保持反應(yīng)液的容積為8L，所用的膜管的支撐管和膜材料均為Al2O3，膜管的外徑12mm，內(nèi)徑8mm，長20cm，平均膜孔徑0.2μm；反應(yīng)溫度為30-40℃，操作壓力(膜管內(nèi)外壓差)為1.5kg/cm2。在以上操作條件下，亞甲基藍(lán)的降解率不小于95％，處理量不小于3 L/hr。經(jīng)計(jì)算可得放大結(jié)果為每小時(shí)處理1噸廢水，需要的膜面積為1m2，能耗約1-2kW.hr。
權(quán)利要求
1．光催化與膜分離的集成方法，在設(shè)有石英冷井及催化誘發(fā)光源的反應(yīng)槽中加光反應(yīng)催化劑，將待降解的原料液通入反應(yīng)槽，同時(shí)通入空氣或富氧氣體，使反應(yīng)液里的活性氧達(dá)到飽和，其特征是該氣體以分散氣流的形式導(dǎo)入反應(yīng)槽，將催化劑顆粒氣拌成懸浮態(tài)，在槽內(nèi)進(jìn)行光催化反應(yīng)；從槽底連續(xù)泵取懸浮有催化劑的反應(yīng)液并通入膜分離器的膜管通道內(nèi)，以錯(cuò)流過濾方式進(jìn)行液固分離，其中降解液透過膜管后排出，固相催化劑留在膜管內(nèi)，隨截留于管內(nèi)的循環(huán)液返回反應(yīng)槽再反應(yīng)，整個(gè)過程連續(xù)進(jìn)行。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的光催化與膜分離的集成方法，其特征是所說的光催化劑顆粒直徑≤40μm。
3．根據(jù)權(quán)利要求1、2的光催化與膜分離的集成方法，其特征是采用滲透液對膜管定時(shí)加壓反沖，使附著在膜上的催化劑脫落。
4．一種權(quán)利要求1的方法的專用膜分離器，其特征是包括膜管和外套管，外套管的兩端通過法蘭和密封圈固定內(nèi)管并與內(nèi)管的進(jìn)出口相隔離，膜管由陶瓷支撐管和復(fù)合于管內(nèi)通道內(nèi)壁的無機(jī)滲透膜組成，膜的孔徑為1nm-10μm，膜厚度≤100μm，外套管設(shè)有滲透液出口管和反沖液接口管。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的膜分離器，其特征是所說的膜管可設(shè)有多個(gè)內(nèi)壁復(fù)合有無機(jī)滲透膜的多通道膜管。
6．根據(jù)權(quán)利要求1、4的膜分離器，其特征是所說的外套管內(nèi)設(shè)有多個(gè)膜管，形成多管道膜分離器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光催化與膜分離的集成方法,在設(shè)有石英冷井及催化誘發(fā)光源的反應(yīng)槽中,富氧氣體以分散氣流導(dǎo)入,起到氣拌作用,使催化劑以懸浮態(tài)存在于反應(yīng)液內(nèi),反應(yīng)后的懸浮液通過膜管以錯(cuò)流過濾的方式進(jìn)行固液分離,降解液透過滲透膜從膜管外側(cè)排出,固體催化劑留在膜管內(nèi),隨管內(nèi)循環(huán)液返回反應(yīng)槽再反應(yīng)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了光催化反應(yīng)和催化劑回收過程在系統(tǒng)內(nèi)連續(xù)進(jìn)行,特別對光催化污水處理的工業(yè)化應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義。
文檔編號C02F1/44GK1220240SQ9811159
公開日1999年6月23日 申請日期1998年12月7日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月7日
發(fā)明者徐南平, 范益群, 史載鋒 申請人:南京化工大學(xué)