CN106745479A - 一种短波长无极紫外光净化废水/纯水装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种短波长无极紫外光净化废水/纯水装置和方法，包括无极紫外灯、石英套管、内筒体、外筒体，石英套管、内筒体、外筒体从内向外依次套装在无极紫外灯上，在石英套管和内筒体之间形成降解水腔，在内筒体和外筒体之间形成冷却水腔，无极紫外灯包括内电极和外电极，在内电极和外电极之间形成密闭的气体填充区，在气体填充区内填充惰性气体与卤素气体的混合气体或者惰性气体与汞蒸汽的混合气体。本发明的装置操作简单、去除率高，循环净化、紫外灯寿命长、能量利用率高、不仅可以直接光解多种低浓度难降解废水，而且可以净化纯水，使之满足特种行业的超纯水要求、净化效果好、应用范围广，可以实现产业化的装置。
Description
技术领域
本发明涉及废水净化领域，具体涉及一种短波长无极紫外光净化废水/纯水装置和方法。
背景技术
近年来随着人们对健康认识程度的提高，饮用水净化在日常生活中受到越来越高的关注，其次是随着各行各业的发展，各个行业对纯水质量的要求也日益升高。据统计，国内自来水存在很多问题，例如部分地区水源水质差、管网造成的自来水污染、二次供水造成的水质污染等。传统纯水净化一般采用反渗透装置，如。一种反渗透***公开了一种反渗透***，包括通过进水水管依次连接的给水管、预处理单元和反渗透单元，该发明提供的反渗透***不排放废水，既节约水资源，又避免废水排放管的安装。一种旋流冲击转向高压反渗透水处理装置公开了一种旋流冲击转向高压反渗透处理装置，包括旋流入口、打气腔、旋流加速腔、旋流出口、立式反渗透膜组件和水平反渗透液膜组件，该发明适用于海水、苦咸水的淡化、废水处理以及食品医药工业、化学工业等领域。然而，传统的反渗透净化装置净化过程简单，没有杀菌效果，导致部分细菌以及微生物存在水中，得到的纯水质量不高，且不能用于废水的治理，应用范围有限。目前关于废水净化的新技术已越来越多，如超声波、超临界流体、膜分离、等离子体和紫外光解等。紫外光解法反应条件温和、应用范围广、实用性强，被认为是一项很有发展前景的水处理技术，已受到越来越广泛地关注。现在国内已有不少院校及科研机构在研究紫外线净化的方法和应用，如一种紫外线消毒杀菌纯水装置公开了一种紫外线消毒杀菌纯水装置，包括不锈钢筒体、石英套管和控制箱，主要应用于药品生产。一种纯水机公开了一种纯水机，包括预处理过滤器、两级反渗透器、中间过滤器、紫外线杀菌装置和精密过滤器，发明的纯水机净化效果好、成本低、易于维护。一种超纯水净化***公开了纯水净化***，包括PP滤芯过滤设备、活性炭层、超滤设备、反渗透膜、紫外线杀菌设备和超纯水出水设备，该发明制取超纯水要经过PP滤芯过滤、活性炭吸附、超滤设备处理和紫外线杀菌等一系列处理，得到纯水质量较高且电导率低等。然而目前的紫外线净化装置，紫外线波长较为单一，能量低，不能满足不同的水质净化要求。目前，光解中一般用汞灯作为紫外辐射光源，辐射波长单一，且汞灯都是有电极的，导致了灯管寿命短、耗电量大、电极材料和发光物质选择范围小等一系列问题。普通光源存在的上述局限性极大地阻碍了光化学法在废水处理中的应用。
发明内容
本发明克服现有技术存在紫外线净化装置中紫外线波长较为单一，能量低，不能满足不同的水质净化要求的问题，提供一种短波长无极紫外光净化废水/纯水装置和方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种短波长无极紫外光净化废水/纯水装置和方法，包括无极紫外灯、石英套管、内筒体、外筒体，所述石英套管、内筒体、外筒体从内向外依次套装在无极紫外灯上，在所述石英套管和内筒体之间形成降解水腔，在所述内筒体和外筒体之间形成冷却水腔，所述无极紫外灯包括内电极和外电极，在所述内电极和所述外电极之间形成密闭的气体填充区，在所述的气体填充区内填充惰性气体与卤素气体的混合气体或者惰性气体与汞蒸汽混合气体。
为了冷却灯管，保证灯管长时间持续发光，而且可以避免通入空气而带来空气中氧气吸收紫外线而降低光效，提高光解效率。在石英套管内侧的两端均设置有多孔支撑环，两个所述多孔支撑环分别套在所述无极紫外灯灯体的两端，在所述多孔支撑环、石英套管和无极紫外灯之间形成密闭的氮气填充区，在所述氮气填充区内填充氮气。
为了保证外筒体和内筒体之间的冷却水腔体中持续通入冷却水，使降解水腔体中的被净化液体在基本恒温的条件下进行光解净化，所述石英套管外壁的两端均设有内端盖和压紧法兰，所述内端盖四周与所述内筒体相连接，所述内端盖与石英套管之间密封连接，其中一个所述内端盖上设有降解水入口，另一个所述内端盖上设有降解水出口，所述内端盖位于两个所述压紧法兰之间，所述内筒体两端端口处分别设有外端盖，所述内筒体与外筒体之间的腔体通过外端盖封闭，形成所述冷却水腔，在其中一个所述外端盖上设有连通所述冷却水腔体的冷却水入口，在另一个所述外端盖上设有连通所述腔体的冷却水出口。
为了保证装置密闭性，所述外端盖为不锈钢法兰盖，在所述外端盖上设有两个环形槽，其中一个所述环形槽用于安装所述外筒体，另一个所述环形槽用于安装所述内筒体，两个所述环形槽内均设有O型橡胶圈。
为了装置密闭性和净化废水/纯水装置和方法性能稳定，耐高温、耐酸碱，不易被细菌粘污，避免净化带来二次污染，废水的密封连接装置全部采用不锈钢材质制成。所述内端盖通过聚四氟乙烯密闭环与所述石英套管密封连接，所述聚四氟乙烯密闭环呈楔形，所述内端盖上设有与所述聚四氟乙烯密闭环相配合的缺口，所述压紧法兰朝向所述内端盖的一面上设有与所述聚四氟乙烯密闭环相契合的凹槽，所述的压紧法兰将所述聚四氟乙烯密闭环压紧在所述内端盖的所述缺口内，所述内筒体和所述外筒体均为不锈钢筒体，所述内端盖和压紧法兰均采用不锈钢材质制成。
进一步地，所述无极紫外灯为双层石英管，所述内电极为金属片电极，所述外电极为金属网电极。
利用短波长无极紫外光净化废水/纯水装置的净化废水/纯水的方法，向所述气体填充区内填充惰性气体与卤素气体的混合气体或者惰性气体与汞蒸汽混合气体，所述内电极和所述外电极之间设有高压电源，接通所述高压电源后，所述气体填充区的混合气体被激发产生准分子紫外光，向所述降解水腔内的废水辐射，同时，在所述冷却水腔中通入冷却水。
进一步地，所述高压电源为中频脉冲高压电源，放电电压在0kV～15kV范围内可调。
为了方便废水在降解水腔和降解水收集池之间循环流动，所述降解水腔的入口通过管道一与降解水收集池连接，所述降解水腔的出口通过管道二与降解水收集池连接，所述降解水腔的入口与所述降解水收集池之间设有循环水泵，在所述循环水泵作用下，废水在所述降解水腔和所述降解水收集池之间循环流动。
为了提高废水降解效果，所述降解水收集池中有氧化剂，所述的氧化剂为H2O2或二氧化氯。
本发明的有益效果：(1)本发明的无极紫外灯采用介质阻挡放电激励发光，采用功率和电流可调的高压电源激发灯管内的混合气体(稀有气体、稀有气体-卤素)放电产生无极紫外辐射。进行废水净化时，接通高压电源，调节功率和电流，混合气体被激发产生准分子紫外光，透过石英套管作用于待处理液体，不仅可以直接光解多种低浓度难降解废水，而且可以净化纯水，使之满足特种行业的超纯水要求。(2)本发明为了扩大该装置在水质净化中的应用范围，还设计了一套循环净水装置(图2)，根据所需的水质纯度要求来调整循环的次数，使之达标排放。(3)本发明为了提高降解效果，在无极紫外灯直接净化废水的基础上，还可通过在降解水收集池中外加氧化剂，例如H2O2、二氧化氯。产生·O和·OH自由基进行间接氧化，提高净化效率，进一步扩大其应用范围。(4)本发明的装置操作简单、去除率高，循环净化、紫外灯寿命长、能量利用率高、可用于多种废水的净化、净化效果好、应用范围广，并可实现产业化应用的装置。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的一种短波长无极紫外光净化废水/纯水装置和方法的结构示意图；
图2为本发明的一种短波长无极紫外光净化废水/纯水装置和方法的工艺流程图；
图3为本发明的一种短波长无极紫外光净化废水/纯水装置和方法中外端盖结构示意图；
图4为本发明的一种短波长无极紫外光净化废水/纯水装置和方法中内端盖结构示意图。
其中，1、无极紫外灯；2、石英套管；3、内筒体；4、外筒体；5、内电极；6、外电极；7、气体填充区；8、氮气填充区；9、多孔支撑环；10、聚四氟乙烯密闭环；11、内端盖；12、压紧法兰；13、外端盖；14、O型橡胶圈；15、降解水入口；16、降解水出口；17、冷却水入口；18、冷却水出口；19、降解水腔；20、冷却水腔；21、缺口；22、凹槽；23、高压电源；24、管道一；25、管道二；26、循环水泵；27、降解水收集池。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。
(实施例1、一种短波长无极紫外光净化废水/纯水装置和方法)
如图1所示，本实施例的一种短波长无极紫外光净化废水/纯水装置和方法的装置包括无极紫外灯1、石英套管2、内筒体3、外筒体4，石英套管2、内筒体3、外筒体4从内向外依次套装在无极紫外灯1上，在石英套管2和内筒体3之间形成降解水腔19，在内筒体3和外筒体4之间形成冷却水腔20，无极紫外灯1包括内电极5和外电极6，在内电极5和外电极6之间形成密闭的气体填充区7，在气体填充区7内填充惰性气体与卤素气体的混合气体或者惰性气体与汞蒸汽混合气体。在石英套管2内侧的两端均设置有多孔支撑环9，两个多孔支撑环9分别套在无极紫外灯1灯体的两端，在多孔支撑环9、石英套管2和无极紫外灯1之间形成密闭的氮气填充区8，在氮气填充区8内填充氮气。石英套管2外壁的两端均设有内端盖11和压紧法兰12，内端盖11四周与内筒体3相连接，内端盖11与石英套管2之间密封连接，其中一个内端盖11上设有降解水入口15，另一个内端盖11上设有降解水出口16，内端盖11位于两个压紧法兰12之间，内筒体3两端端口处分别设有外端盖13，内筒体3与外筒体4之间的腔体通过外端盖13封闭，形成冷却水腔20，在其中一个外端盖13上设有连通冷却水腔体的冷却水入口17，在另一个外端盖13上设有连通腔体的冷却水出口18。外端盖13为不锈钢法兰盖，如图3所示，在外端盖13上设有两个环形槽，其中一个环形槽用于安装外筒体4，另一个环形槽用于安装内筒体3，两个环形槽内均设有O型橡胶圈14。内端盖11通过聚四氟乙烯密闭环10与石英套管2密封连接，聚四氟乙烯密闭环10呈楔形，内端盖11上设有与聚四氟乙烯密闭环相配合的缺口21，如图4所示，压紧法兰12朝向内端盖11的一面上设有与聚四氟乙烯密闭环相契合的凹槽22，压紧法兰12将聚四氟乙烯密闭环10压紧在内端盖11的缺口21内，内筒体3和外筒体4均为不锈钢筒体，内端盖11和压紧法兰12均采用不锈钢材质制成。无极紫外灯1的灯体为双层石英管，内电极5为金属片电极，外电极6为金属网电极。向气体填充区7内填充惰性气体与卤素气体的混合气体或惰性气体与汞蒸汽混合气体，内电极5和外电极6之间设有高压电源23，接通高压电源23后，气体填充区7的混合气体被激发产生准分子紫外光，向降解水腔19内的废水辐射，同时，在冷却水腔20中通入冷却水。高压电源23为中频脉冲高压电源，放电电压在0kV～15kV范围内可调。降解水入口15通过管道一24与降解水收集池27连接，降解水出口16通过管道二25与降解水收集池27连接，降解水入口15与降解水收集池27之间设有循环水泵26，在循环水泵26作用下，废水在降解水腔19和降解水收集池27之间循环流动。降解水收集池27中有氧化剂，氧化剂为H2O2或二氧化氯。
(实施例2、一种短波长无极紫外灯用于模拟尿素水溶液中微量有机物降解)
本实施例的一种短波长无极紫外光净化尿素水的方法采用实施例1所述的装置，初始浓度为44.2mg/L尿素水溶液，对应的总有机碳含量(TOC)为10.2mg/L，模拟尿素水溶液中微量有机物降解的方法具体包括以下步骤：
①对气体填充区抽真空，然后向其中填充惰性气体与卤素气体的混合气体或惰性气体与汞蒸汽混合气体。
②打开高压电源，气体填充区的混合气体被激发产生准分子紫外光向降解水腔辐射，准分子紫外辐射波长为185nm。
尿素水溶液以0.5～3L/h的流速从降解水收集池中通入短波长无极紫外线废水净化的装置，循环多次，废水在反应器内停留5.7min，TOC去除率为56.2％。
(实施例3、一种短波长无极紫外灯用于模拟甲基乙基酮水溶液中微量有机物降解)
本实施例的一种短波长无极紫外光净化甲基乙基酮水溶液的方法采用实施例1所述的装置，初始浓度为31.2mg/L甲基乙基酮水溶液，在甲基乙基酮水溶液中加入浓度为1.0mg/LH2O2，对应的总有机碳含量(TOC)为20.2mg/L，模拟甲基乙基酮水溶液中微量有机物降解的方法具体包括以下步骤：
①对气体填充区抽真空，然后向其中填充惰性气体与卤素气体的填充惰性气体与卤素气体的混合气体或者混合气体或惰性气体与汞蒸汽混合气体。
②打开高压电源，气体填充区的混合气体被KrI*准分子灯激发产生辐射，波长为207nm，甲基乙基酮水溶液以0.5～3L/h的流速从降解水收集池中通入短波长无极紫外线废水净化的装置，循环多次，废水在反应器内停留2.5min，TOC去除率为86.2％。
(实施例4、一种短波长无极紫外灯用于模拟实验室中的自来水净化)
本实施例的一种短波长无极紫外光模拟实验室中的自来水净化的方法采用实施例1所述的装置，模拟实验室中的自来水净化的方法具体包括以下步骤：
与实施例1不同的是，采用波长为207nm的汞灯，自来水初始总有机碳含量(TOC)为1-4mg/L，自来水初始pH为6～7。取一定体积的自来水倒入降解水收集池中，循环水泵从降解水收集池中吸入自来水，注入短波长无极紫外线废水净化的装置中进行降解，降解后的液体流入降解水收集池，通过循环水泵重新进入短波长无极紫外线废水净化的装置进行降解，经过5次循环后，从降解水收集池中收集降解水进行检测，自来水的出水浓度为200ppb，降解率达50％以上。
(实施例5、一种短波长无极紫外灯用于模拟实验室中的去离子水净化)
实施例1所述的装置，模拟实验室中的去离子水净化的方法具体包括以下步骤：
与实施例1不同的是，采用波长为172nm的汞灯Xe灯去离子水初始总有机碳含量(TOC)为200-400μg/L，去离子水初始pH为6～7。取一定体积的去离子水倒入降解水收集池中，循环水泵从降解水收集池中吸入去离子水，注入短波长无极紫外线废水净化的装置中进行降解，降解后的液体流入降解水收集池，通过循环水泵重新进入短波长无极紫外线废水净化的装置进行降解，7次循环后，从降解水收集池中收集降解水进行检测，去离子水的出水浓度为60-100μg/L，降解率达50％以上，基本满足半导体和制药业对纯水的要求。
见图2，本发明为了扩大该装置在水质净化中的应用范围，还设计了一套循环净水装置，根据所需的水质纯度要求来调整循环的次数。具体流程为：循环水泵从降解水收集池中吸入待降解液，注入无极紫外线废水净化的装置中的降解水腔体中进行降解，降解后的液体流入降解水收集池，通过循环水泵重新进入反应器进行降解，多次循环后，从降解水收集池中收集降解水进行检测，达到要求后将降解水收集池中的水排放或者收集，重新注入新的待降解液，按照上述步骤进行降解。
应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种短波长无极紫外光净化废水/纯水装置和方法，其特征在于：包括无极紫外灯(1)、石英套管(2)、内筒体(3)、外筒体(4)，所述石英套管(2)、内筒体(3)、外筒体(4)从内向外依次套装在无极紫外灯(1)上，在所述石英套管(2)和内筒体(3)之间形成降解水腔(19)，在所述内筒体(3)和外筒体(4)之间形成冷却水腔(20)，所述无极紫外灯(1)包括内电极(5)和外电极(6)，在所述内电极(5)和所述外电极(6)之间形成密闭的气体填充区(7)，在所述的气体填充区(7)内填充惰性气体与卤素气体的混合气体或者惰性气体与汞蒸汽混合气体。
2.根据权利要求1所述的短波长无极紫外光净化废水/纯水装置和方法，其特征在于：在石英套管(2)内侧的两端均设置有多孔支撑环(9)，两个所述多孔支撑环(9)分别套在所述无极紫外灯(1)灯体的两端，在所述多孔支撑环(9)、石英套管(2)和无极紫外灯(1)之间形成密闭的氮气填充区(8)，在所述氮气填充区(8)内填充氮气。
3.根据权利要求1所述的短波长无极紫外光净化废水/纯水装置和方法，其特征在于：所述石英套管(2)外壁的两端均设有内端盖(11)和压紧法兰(12)，所述内端盖(11)四周与所述内筒体(3)相连接，所述内端盖(11)与石英套管(2)之间密封连接，其中一个所述内端盖(11)上设有降解水入口(15)，另一个所述内端盖(11)上设有降解水出口(16)，所述内端盖(11)位于两个所述压紧法兰(12)之间，所述内筒体(3)两端端口处分别设有外端盖(13)，所述内筒体(3)与外筒体(4)之间的腔体通过外端盖(13)封闭，形成所述冷却水腔(20)，在其中一个所述外端盖(13)上设有连通所述冷却水腔体的冷却水入口(17)，在另一个所述外端盖(13)上设有连通所述腔体的冷却水出口(18)。
4.根据权利要求3所述的短波长无极紫外光净化废水/纯水装置和方法，其特征在于：所述外端盖(13)为不锈钢法兰盖，在所述外端盖(13)上设有两个环形槽，其中一个所述环形槽用于安装所述外筒体(4)，另一个所述环形槽用于安装所述内筒体(3)，两个所述环形槽内均设有O型橡胶圈(14)。
5.根据权利要求3或4所述的短波长无极紫外光净化废水/纯水装置和方法，其特征在于：所述内端盖(11)通过聚四氟乙烯密闭环(10)与所述石英套管(2)密封连接，所述聚四氟乙烯密闭环(10)呈楔形，所述内端盖(11)上设有与所述聚四氟乙烯密闭环相配合的缺口(21)，所述压紧法兰(12)朝向所述内端盖(11)的一面上设有与所述聚四氟乙烯密闭环相契合的凹槽(22)，所述的压紧法兰(12)将所述聚四氟乙烯密闭环(10)压紧在所述内端盖(11)的所述缺口(21)内，所述内筒体(3)和所述外筒体(4)均为不锈钢筒体，所述内端盖(11)和压紧法兰(12)均采用不锈钢材质制成。
6.根据权利要求1所述的短波长无极紫外光净化废水/纯水装置和方法，其特征在于：所述无极紫外灯(1)的灯体为双层石英管，所述内电极(5)为金属片电极，所述外电极(6)为金属网电极。
7.利用权利要求1～5任一项所述装置的净化废水的方法，其特征在于：向所述气体填充区(7)内填充惰性气体与卤素气体的混合气体或者惰性气体与汞蒸汽混合气体，所述内电极(5)和所述外电极(6)之间设有高压电源(23)，接通所述高压电源(23)后，所述气体填充区(7)的混合气体被激发产生准分子紫外光，向所述降解水腔(19)内的废水辐射，同时，在所述冷却水腔(20)中通入冷却水。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述高压电源(23)为中频脉冲高压电源，放电电压在0kV～15kV范围内可调。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述降解水腔(19)的入口通过管道一(24)与降解水收集池(27)连接，所述降解水腔(19)的出口通过管道二(25)与降解水收集池(27)连接，所述降解水腔(19)的入口与所述降解水收集池(27)之间设有循环水泵(26)，在所述循环水泵(26)作用下，废水在所述降解水腔(19)和所述降解水收集池(27)之间循环流动。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述降解水收集池(27)中有氧化剂，所述的氧化剂为H2O2或二氧化氯。
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