專利名稱：螺旋升流塔式光催化反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于廢水處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種廢水處理的光催化反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
當(dāng)前在污廢水處理方面，成分較簡(jiǎn)單、可生物降解的廢水能方便地通過(guò)現(xiàn)有的污水 處理技術(shù)獲得好的處理效果。但是，濃度高、成分復(fù)雜、生物降解性差甚至有生物毒性 的工業(yè)廢水，如化工、石油、制藥、農(nóng)藥、造紙、印染廢水以及垃圾滲濾液等，至今仍 缺乏經(jīng)濟(jì)而有效的處理技術(shù)。目前，普遍認(rèn)為高級(jí)氧化技術(shù)是有毒有害污染物最有效的 處理辦法，它能將鹵代烴、芳烴、鹵代芳烴、染料、油類(lèi)、農(nóng)藥等徹底無(wú)機(jī)化。其中納 米Ti02多相光催化技術(shù)發(fā)展最為迅速。納米Ti02光催化技術(shù)具有良好的室溫深度反應(yīng)能 力、無(wú)二次污染、可直接利用太陽(yáng)能、無(wú)需添加其它化學(xué)藥劑等特點(diǎn)，成為了高級(jí)氧化 技術(shù)中最為活躍的-一個(gè)研究方向，被譽(yù)為21世紀(jì)最有前途的環(huán)境友好催化技術(shù)。目前國(guó) 內(nèi)外對(duì)納米Ti02材料的改性技術(shù)研究較多，但對(duì)適合納米光催化劑參與的光催化反應(yīng)器 研究較少。
目前的光催化反應(yīng)器普遍存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題(1)催化劑的存在狀態(tài)與傳質(zhì) 效率之間的矛盾解決不好。對(duì)于懸浮態(tài)光催化反應(yīng)器，光催化劑難于回收，如果增加沉 淀回收等裝置解決回收問(wèn)題，則處理成本將大幅增加；對(duì)于負(fù)載型光催化反應(yīng)器，雖然 解決了催化劑的回收問(wèn)題，但卻犧牲了催化劑與污染物之間的傳質(zhì)效率。(2)反應(yīng)器的 幾何尺寸難于確定。由于多相光催化反應(yīng)本身所具有的特點(diǎn)，反應(yīng)器的光照面積與溶液體 積的比率(A/ V)是影響處理效果的重要參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，A/ V值越大，反應(yīng)速率越快。 但A/ V值增大一般意味著占地面積的增加，因而在實(shí)際應(yīng)用中是很難通過(guò)提高A/ V值 來(lái)實(shí)現(xiàn)處理要求的。(3)光系統(tǒng)效率亟待提高。對(duì)于采用電光源的反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，消耗電 能在經(jīng)濟(jì)上是一個(gè)負(fù)擔(dān)，此外，由于可被反應(yīng)利用的紫外及近紫外光在反應(yīng)溶液中衰減 的非常的快，因而必須盡可能的提高光液的直接接觸面積，這就使反應(yīng)器的放大設(shè)計(jì)變 得很困難。對(duì)于采用太陽(yáng)光及其他一些光學(xué)設(shè)備的反應(yīng)器，聚光系統(tǒng)是否能提高光效率 還存在爭(zhēng)論，即使不考慮這點(diǎn)，其昂貴的制造、維修、使用費(fèi)用也限制了它的推廣應(yīng)用。 近年來(lái)，隨著理論和實(shí)驗(yàn)研究的不斷深入，直接用太陽(yáng)光作為光源得到了人們的重視，它 被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的研究方向，但如何提高利用太陽(yáng)光的光效率仍是一個(gè)尚待解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有光催化反應(yīng)器領(lǐng)域存在的問(wèn)題，研制出一種高傳質(zhì)速率、光催化劑 回收方便、高A/V比值、占地省、可同時(shí)利用自然光和電光源的螺旋升流塔式光催化反 應(yīng)器。
本反應(yīng)器整體呈圓柱體型，下部為漏斗形進(jìn)水口，上半部為圓盤(pán)型溢流出水口，中 部為圓筒型筒身。反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置帶升流槳葉的攪拌器進(jìn)行一定速度攪拌，使廢水在反 應(yīng)器內(nèi)行進(jìn)時(shí)呈螺旋流態(tài)。
本發(fā)明通過(guò)計(jì)算催化劑在停留時(shí)間內(nèi)的沉降距離，來(lái)取出水口半徑r2 (沉降距離超過(guò) n的催化劑可以被截留到反應(yīng)器中得以回收)，沉降距離與催化劑粒徑、密度等因素相 關(guān)。另一方面，停留時(shí)間由反應(yīng)器尺寸筒身的半徑R、漏斗形進(jìn)水口的高度h、筒身的高 度h2和進(jìn)水流量決定，在確定流量和停留時(shí)間的基礎(chǔ)上可以得出R、 h,和h2三者的關(guān)系。 因此，本反應(yīng)器的尺寸參數(shù)如下
進(jìn)水口的半徑0. 01m《n《0. 05m;
出水口的半徑0. 05m《r2《0, 22m;
反應(yīng)器筒身的半徑0.05m《R《0.25m ;
反應(yīng)器漏斗形進(jìn)水口的高度hi和反應(yīng)器筒身的高度h2滿足關(guān)系/2, +3^
0——廢水流量，m7s， t,——廢水停留時(shí)間，1800s《t,《7200s。
上述參數(shù)的確定是通過(guò)以下公式推導(dǎo)獲得的-(1)出水口的半徑r2 (也是催化劑在Tt時(shí)間內(nèi)的沉降距離)
r2 二 ^ g (d
式中Tt——污水停留時(shí)間，s。 1800s《Tt《7200s;
"——催化劑在反應(yīng)器中旋轉(zhuǎn)角速度，r/min。 150 r/min《"《300r/min; n——漏斗型進(jìn)水口半徑，也是催化劑開(kāi)始沉降時(shí)所處的位置， 0. 01m《r丄《0. 05m;h——重力沉降速度；
g——重力加速度，9.8m/s2。
由于反應(yīng)器內(nèi)流速不高，流動(dòng)處于層流區(qū):
<formula>formula see original document page 5</formula>(II)
式中dp——擬回收的催化劑粒徑，m。 20 Xl(Tm《dp《100X10、。 pp——催化劑真密度，kg/m3。 4000 kg/m3《pp《10000 kg/m3; P——廢水密度，kg/m3。取畫(huà)kg/m3;
"——污水動(dòng)力粘度系數(shù)，反應(yīng)溫度為2(TC時(shí)，取1.0Xl(T3Pa'S( 將(II)帶入(I)可以計(jì)算得到0.05m《r2《0. 22m。 (2)反應(yīng)器尺寸
由于停留時(shí)間、取決于反應(yīng)器體積與進(jìn)水流量的比值，故停留時(shí)間
<formula>formula see original document page 5</formula>即:
<formula>formula see original document page 5</formula>
(III)
式中2——廢水流量，m7s。
R——反應(yīng)器筒身半徑，m。 h'——反應(yīng)器漏斗形進(jìn)水口的高度，m。 h2——反應(yīng)器筒身的高度，m。 反應(yīng)器的光照面積
將(III)帶入(IV)可得
<formula>formula see original document page 5</formula>(IV)
<formula>formula see original document page 5</formula>
(V)
由(V)知當(dāng)R取極小值時(shí)光照面積S達(dá)到最大?？紤]到實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)R^r"因此 0. 05m《R《0. 25m。本反應(yīng)器的工作過(guò)程是當(dāng)廢水從底部進(jìn)入后即與催化劑完全混合，使光催化劑隨 水流螺旋上升。在上升過(guò)程中由于受離心力的作用，光催化劑逐漸向反應(yīng)器外壁靠近。 由于光催化劑離心沉降時(shí)間不大于廢水在反應(yīng)器中的停留時(shí)間，因此當(dāng)廢水從反應(yīng)器上 部出水口溢流出時(shí)催化劑已經(jīng)沉降至反應(yīng)器壁上。在重力和水流作用下，沉降至反應(yīng)器 頂部的光催化劑將重新回到反應(yīng)器主體中重新參與反應(yīng)。在光源照射下光催化劑在整個(gè) 混合、沉降和返混的過(guò)程中都會(huì)參與光催化反應(yīng)過(guò)程，使污染物被降解去除。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下
(1) 采用懸浮態(tài)反應(yīng)方式來(lái)保證污染物與光催化劑之間的傳質(zhì)速率。在本發(fā)明中， 光催化劑在反應(yīng)器內(nèi)部呈懸浮狀態(tài)，與污染物進(jìn)行充分混合，污染物與光催化劑之間不 存在傳質(zhì)阻力，因此可以提高污染物降解速率。
(2) 采用離心沉降的原理實(shí)現(xiàn)光催化劑與廢水的分離。在本發(fā)明中，光催化劑在反 應(yīng)器內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下向反應(yīng)器壁運(yùn)動(dòng)，并最終在反應(yīng)器頂端被擋板截留， 而處理后的廢水則從反應(yīng)器頂部中間流出。這使得反應(yīng)器能在光催化反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)實(shí) 現(xiàn)光催化劑與廢水的分離。同時(shí)廢水呈螺旋流態(tài)也可提升反應(yīng)器的容積利用率。
(3) 采用塔式結(jié)構(gòu)增加A/V比值，減小反應(yīng)器占地面積。本發(fā)明中，光催化反應(yīng)器 為豎向布置，呈塔式結(jié)構(gòu)。反應(yīng)器材料采用透光有機(jī)玻璃材料制成，可以使得反應(yīng)器的 四周均可接受光照成為反應(yīng)界面。進(jìn)一步當(dāng)在反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置電光源時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)部也 可成為反應(yīng)界面，因此相對(duì)于傳統(tǒng)光催化反應(yīng)器而言，本反應(yīng)器的A/V值得到了極大提 咼。
(4) 可同時(shí)或分別利用自然光和電光源進(jìn)行光催化反應(yīng)。當(dāng)自然光照射條件較佳能 夠滿足反應(yīng)需求時(shí)，可直接利用自然光照射反應(yīng)器外部進(jìn)行光催化反應(yīng)。當(dāng)自然光不能 完全滿足要求時(shí)，可在反應(yīng)器內(nèi)部添加電光源進(jìn)行光照強(qiáng)化，使處理出水水質(zhì)得到保證。


圖1為螺旋升流塔式光催化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1，本螺旋升流塔式光催化反應(yīng)器整體呈圓筒型，采用透明材質(zhì)制作，反應(yīng)器 下部為漏斗形進(jìn)水口 1，上半部為圓盤(pán)型溢流出水口 3，中部為圓筒型筒身2，反應(yīng)器內(nèi) 部設(shè)置有采用帶升流槳葉的攪拌器4和電光源5。
在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行流量為240L的小規(guī)模實(shí)驗(yàn)，取1、 反應(yīng)器進(jìn)水口半徑r產(chǎn)0.01m;反應(yīng)器出水口半徑r^0. lm;反應(yīng)器筒身的半徑R 二O. 10m，反應(yīng)器漏斗形出水口的高度hi二0.075m，反應(yīng)器筒身的高度h2= 1. lm;
2、 反應(yīng)器進(jìn)水口半徑rF0.01m;反應(yīng)器出水口半徑r2=0. lm;反應(yīng)器筒身的半徑R =0. 15m，反應(yīng)器漏斗形出水口的高度^ = 0. 10m，反應(yīng)器筒身的高度h2 = 0. 60m;
3、 反應(yīng)器進(jìn)水口半徑r尸0.01m;反應(yīng)器出水口半徑r2=0. lm;反應(yīng)器筒身的半徑R 二0.20m，反應(yīng)器漏斗形出水口的高度ht二O. 15m，反應(yīng)器筒身的高度h2=0. 25m
三組數(shù)據(jù)進(jìn)行反應(yīng)器設(shè)計(jì)，C0D初始濃度為3420mg/l的印染廢水經(jīng)處理2h后，COD 降解率分別可達(dá)92%、 77%和68%。
權(quán)利要求
1、一種螺旋升流塔式光催化反應(yīng)器，反應(yīng)器整體呈圓筒型，采用透明材質(zhì)制作；其特征在于反應(yīng)器下部為漏斗形進(jìn)水口，上半部為圓盤(pán)型溢流出水口，中部為圓筒型筒身，反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置有采用帶升流槳葉的攪拌器；所述反應(yīng)器的尺寸參數(shù)如下進(jìn)水口的半徑0. 01m≤r1≤0.05m；出水口的半徑0. 05m≤r2≤0.22m；反應(yīng)器筒身的半徑0.05m≤R≤0.25m；反應(yīng)器漏斗形進(jìn)水口的高度h1和反應(yīng)器筒身的高度h2滿足關(guān)系Q——廢水流量，m3/s，τt——廢水停留時(shí)間，1800s≤τt≤7200s。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋升流塔式光催化反應(yīng)器，其特征在于所述反應(yīng)器內(nèi)部還設(shè)置有電光源。
全文摘要
本發(fā)明提出一種螺旋升流塔式光催化反應(yīng)器，反應(yīng)器整體呈圓筒型，下部為漏斗形進(jìn)水口，上半部為圓盤(pán)型溢流出水口，中部為圓筒型筒身，反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置有采用帶升流槳葉的攪拌器；其中進(jìn)水口的半徑0.01m≤r₁≤0.05m；出水口的半徑0.05m≤r₂≤0.22m；反應(yīng)器筒身的半徑0.05m≤R≤0.25m；反應(yīng)器漏斗形進(jìn)水口的高度h₁和反應(yīng)器筒身的高度h₂滿足關(guān)系h₁+3h₂＝3Qτ_t/πR²，本反應(yīng)器具有傳質(zhì)速率高、光催化劑回收方便，A/V比值高、占地省等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B01J8/20GK101450299SQ20081023331
公開(kāi)日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2008年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月11日
發(fā)明者莉 何, 吉芳英, 璇 徐, 范子紅 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)