CN111320299A - 一种光催化-臭氧联用流化床净化装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光催化‑臭氧联用流化床装置及使用方法,所述流化床装置中设置石墨烯宏观体与光催化材料复合，并结合臭氧降解以及微波辅助，利用吸附‑光催化协同作用首先通过吸附将水体中的痕量BPS富集以提高光催化降解效率，高效去除微/痕量污染物。本发明设置的光源装置能在所述反应器内提供入射方向与所述反应器中轴线夹角范围为0°＜θ＜90°的照射光，能在反应器内提供有效光源，并在反应器内壁上设置反射面，有利于光线在在反应器内的传递，提高光源的利用率。另外，本发明引入控制器，能有效实现自动控制，降低人工成本并提高处理效果。总体上解决污水处理率低、处理效果差、催化剂难以回收的问题。

Description

一种光催化-臭氧联用流化床净化装置及使用方法

技术领域

本发明涉及流化床装置领域，具体而言，涉及一种光催化-臭氧联用流化床净化装置及使用方法。

背景技术

传统的难降解有机物的处理主要有厌氧生物处理法、高级氧化法、光催化降解法、膜分离技术。传统的处理装置都有其缺点，如厌氧生物处理法水力停留时间长，去除率不高；高级氧化法耗药量大，处理成本高；光催化法处理不彻底、反应过程中吸附载体容易饱和，操作周期短；膜分离技术，各种膜的性能尚不稳定，膜孔易堵塞，膜***成本高，使用寿命短。总体上难以降解废水中的生物。

如中国专利CN02281186.9公开了三相内循环流化床光催化反应器；又如中国专利CN03257692.7公开了强制循环三相流化床光催化反应器；中国专利CN 106215827公开光催化微小液-固流化床反应器等，虽然光催化流化床反应器内的反应物与催化剂混合均匀、传质和传热速率高、有效光照面积大、量子效率高，但其也存在以下劣势：首先，由于上述宏观光催化反应器的特征一般在5cm以上，尺寸较大，处理成本高且不能进行大规模的处理。另外光线穿过溶液或催化剂颗粒时衰减严重，这会导致催化效率低，反应时间长等。其次，现有催化剂还存在难回收的问题，同样影响了废水的处理效率，不利于实际的废水处理。

综合上，在流化床装置领域，其实际应用中的亟待处理的实际问题还有很多未提出具体的解决方案。

发明内容

本发明提出了一种光催化-臭氧联用流化床装置以解决所述问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种光催化-臭氧联用流化床净化装置，所述净化装置包括反应器；所述反应器的一侧连接有净水出液口以及连接有连接管，且所述净水出液口与所述反应器连接处设置有液体分布器一；所述反应器设置有废水进液口，且所述废水进液口与所述反应器连接处设置有液体分布器二；所述反应器底部设置有曝气盘；所述反应器内设置有光源装置、光催化剂填料以及两端开口的导流筒，且所述光源装置能在所述反应器内提供入射方向与所述反应器中轴线夹角范围为0°＜θ＜90°的照射光，所述导流筒内设置有连通两端开口的升流通道。

可选地，所述液体分布器一以及液体分布器二为筛网。

可选地，所述光源装置是包括灯管和灯管底座，所述灯管底座安装在所述反应器的内部中端，所述灯管连接在所述灯管底座上，且所述灯管包括模拟太阳光、氙灯以及紫外灯。

可选地，所述反应器的侧面设置有与所述光源装置对应的玻璃窗口。

可选地，所述反应器内安装有装载筒，所述装载筒内安装所述光催化剂填料，且所述光催化填料包括石墨烯宏观体。

可选地，所述反应器的内壁设置有所述照射光的反射面。

另外，还提供一种光催化-臭氧联用流化床净化装置的使用方法，包括如下步骤：

a.回收采集废水，通过向废水中添加pH剂，使的废水中的pH在2-10之间；

b.将石墨烯宏观体安装在装载筒内，后安装在所述反应器的内部，后使用波长为254nm-365nm，功率为12-40W的光源照射10-25min反应器内部；

c.将臭氧发生器通过管道连接在所述臭氧发生器的连接口，启动所述臭氧发生器，往反应器中鼓入臭氧；

d.将废水进液管的一端连接在反应器的进液口并与所述液体分布器相抵，另一端与所述液体注射泵连接，所述液体注射泵与待处理液体连接；将出水管的一端与反应器的出液口连接，另一端与储液罐连接；启动液体注射泵，废水在液体注射泵的作用下，沿着废水进液管流经所述液体分布器，并在升流通道以升流进水的方式连续进水；

e.反应器运作20-60min后，关闭电源，净化水从反应器的出液口中经出水管排出到储液罐中。

可选地，废水以1.5-5.0L/min的流速经过液体分布器进入反应器内，且反应器内的温度保持在75℃以下，防止水分的蒸发。

与现有技术相比，本发明所取得的有益技术效果是：

1、本发明的流化床装置中设置石墨烯宏观体与光催化材料复合，具有较大的比表面积以及显著的吸附性能和良好的载流子运输能力，并结合臭氧降解，利用吸附-光催化协同作用首先通过吸附将水体中的痕量BPS富集以提高光催化降解效率，然后光催化作用在降解掉污染物的同时释放出被占据的吸附位点，实现对痕量BPS的再次富集，有效去除微/痕量污染物，绿色、高效、总体低成本低，且石墨烯宏观体与光催化材料复合，具有容易回收的优点。

2、本发明的反应器中设置微波辅助，提高光催化剂活性以及降解率，并有利于工业化。

3、本发明的光源装置能在所述反应器内提供入射方向与所述反应器中轴线夹角范围为0°＜θ＜90°的照射光，能在反应器内提供有效光源，并在反应器内壁上设置反射面，有利于光线在在反应器内的传递，使得光源利用率高。

4、本发明的光催化-臭氧联用流化床净化装置中引入控制器，能有效实现自动控制，降低人工成本并提高处理效果，通过光催化剂以及臭氧发生器的结合，能够催化降解难以降解的高浓度有机废水污染物。

附图说明

从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。

图1是本发明实施例之一中一种光催化-臭氧联用流化床净化装置的示意图；

图2是本发明实施例之一中一种光催化-臭氧联用流化床净化装置净水出液口的示意图；

图3是本发明实施例之一中一种光催化-臭氧联用流化床净化装置废水进液口的示意图；

附图标记说明：1-曝气盘；2-反应器；21-净水出液口；211-液体分布器一；22-废水进液口；221-液体分布器二；3-光源装置；4-光催化剂填料；5-臭氧气泡；6-连接管；7-臭氧发生器。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处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。对于本领域技术人员而言，在查阅以下详细描述之后，本实施例的其它***、装置和/或特征将变得显而易见。旨在所有此类附加的***、装置、特征和优点都包括在本说明书内、包括在本发明的范围内，并且受所附权利要求书的保护。在以下详细描述描述了所公开的实施例的另外的特征，并且这些特征根据以下将详细描述将是显而易见的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明为图2是本发明实施例之一中一种光催化-臭氧联用流化床净化装置及其使用方法，根据图1-3所示讲述以下实施例：

实施例一：

本实施例提供一种光催化-臭氧联用流化床净化装置，所述净化装置包括反应器；所述反应器的一侧连接有净水出液口以及连接有连接管，且所述净水出液口与所述反应器连接处设置有液体分布器一；所述反应器设置有废水进液口，且所述废水进液口与所述反应器连接处设置有液体分布器二；所述反应器底部设置有曝气盘；所述反应器内设置有光源装置、光催化剂填料以及两端开口的导流筒，且所述光源装置能在所述反应器内提供入射方向与所述反应器中轴线夹角范围为0°＜θ＜90°的照射光，所述导流筒内设置有连通两端开口的升流通道。

可选地，所述液体分布器一以及液体分布器二为筛网，所述液体分布器一以及液体分布器二可拆卸地安装在所述反应器的侧壁上；所述光源装置是由灯管和灯管底座组成，所述灯管底座安装在所述反应器的内部中端，所述灯管连接在所述灯管底座上，且所述灯管包括模拟太阳光、氙灯以及紫外灯，且所述反应器的侧面设置有与所述光源装置对应的玻璃窗口。

在本实施例中，所述反应器内安装有装载筒，所述装载筒内安装所述光催化剂填料，且所述光催化填料包括石墨烯宏观体；所述反应器的内壁设置有所述照射光的反射面。

另外，本实施例还提供一种光催化-臭氧联用流化床净化装置的使用方法，包括如下步骤：

a.回收采集废水，通过向废水中添加pH剂，使的废水中的pH在2-10之间；

b.将石墨烯宏观体安装在装载筒内，后安装在所述反应器的内部，后使用波长为254nm-365nm，功率为12-40W的光源照射10-25min反应器内部；

c.将臭氧发生器通过管道连接在所述臭氧发生器的连接口，启动所述臭氧发生器，往反应器中鼓入臭氧；

d.将废水进液管的一端连接在反应器的进液口并与所述液体分布器相抵，另一端与所述液体注射泵连接，所述液体注射泵与待处理液体连接；将出水管的一端与反应器的出液口连接，另一端与储液罐连接；启动液体注射泵，废水在液体注射泵的作用下，沿着废水进液管流经所述液体分布器，并以1.5-5.0L/min的流速经过液体分布器进入反应器内，并在升流通道以升流进水的方式连续进水；

e.保持反应器内的温度保持在75℃以下，反应器运作20-60min后，关闭电源，净化水从反应器的出液口中经出水管排出到储液罐中。

实施例二：

本实施例提供一种光催化-臭氧联用流化床净化装置，所述净化装置包括反应器；所述反应器的一侧连接有净水出液口以及连接有连接管，且所述净水出液口与所述反应器连接处设置有液体分布器一；所述反应器设置有废水进液口，且所述废水进液口与所述反应器连接处设置有液体分布器二；所述反应器底部设置有曝气盘；所述反应器内设置有光源装置、光催化剂填料以及两端开口的导流筒，且所述光源装置能在所述反应器内提供入射方向与所述反应器中轴线夹角范围为0°＜θ＜90°的照射光，所述导流筒内设置有连通两端开口的升流通道。

所述液体分布器一以及液体分布器二为筛网。

所述废水进液口连接有废水进液管，所述废水进液管设置有第一阀门，所述净水出液口能连接出水管，所述出水管设置有第二阀门，所述液体注射泵与待处理液连接的管道上设置有第三阀门。

所述光催化-臭氧联用流化床净化装置还包括温度传感器，用于接收反应器内液体温度；加热装置，用于对反应器进行加热；微波辅助装置，用于提供微波辅助；可编程逻辑控制器，用于控制所述加热器进行加热，用于控制微波辅助装置的开启，用于控制反应器的开启、用于控制臭氧发生器的开启，用于控制第一阀门、第二阀门以及第三阀门的开启，且所述控制器与所述温度传感器、所述加热装置、所述微波辅助装置、所述反应器、所述臭氧发生器、所述第一阀门、所述第二阀门以及所述第三阀门信号连接，通过在软件功能上写入所述光催化-臭氧联用流化床净化装置中所述温度传感器、所述加热装置、所述微波辅助装置、所述反应器、所述臭氧发生器、所述第一阀门、所述第二阀门以及所述第三阀门的各自的运行期间周期的控制程序中，根据所述运行期间周期，所述温度传感器、所述加热装置、所述微波辅助装置、所述反应器、所述臭氧发生器、所述第一阀门、所述第二阀门以及所述第三阀门能实现自动化的开启功能，增加处理的效率。

另外，所述控制器能与在线水质检测仪信号连接，所述水质检测仪设置在所述液体注射泵的进水通道上，并设置每隔10min测试待测液体的浓度，所述水质检测仪检测将检测到的待测液体的浓度信息反馈至所述控制器，所述控制器从而做出对所述第一阀门、所述加热装置、所述微波辅助装置、所述反应器、所述臭氧发生器的控制调节，如控制所述第一阀门的开启程度，从而控制处理液体的升流速度；控制加热装置，从而调节反应器内的温度，获得较佳的处理温度；控制微波辅助装置，使得反应器内产生一定的微波辅助；控制臭氧发生器，从而调节反应器中臭氧的输入量。

因此，在本实施例中，所述控制器包括中央控制模块，用于接收所述温度传感器获得的温度信息、接收臭氧发生器中臭氧的输出量信息、接收微波频率信息、接收所述第一阀门中待处理液的升流速度信息以及接收水质检测仪检测到的水质信息；信息处理模块，用于处理所述温度信息、微波频率信息、臭氧输出信息、升流信息以及水质信息，从而分析处理后得到应调节温度信息、应调节微波频率信息、应调节臭氧输出信息、应调节升流信息并通过信号连接输送至所述中央控制模块；储存模块，用于储存所述温度信息、微波频率信息、臭氧输出信息、升流信息、水质信息以及所述信息处理模块中分析处理后应调节温度信息、应调节微波频率信息、应调节臭氧输出信息、应调节升流信息；所述中央控制模块接收到应调节温度信息、应调节微波频率信息、应调节臭氧输出信息以及应调节升流信息后，发出温度调节、微波频率调节、臭氧输出信息调节以及升流信息调节的控制指令。

其中，所述液体分布器为筛网，所述液体分布器可拆卸地安装在所述反应器的侧壁上；所述光源装置是由灯管和灯管底座组成，所述灯管底座安装在所述反应器的内部中端，所述灯管连接在所述灯管底座上，且所述灯管包括模拟太阳光、氙灯以及紫外灯，且所述反应器的侧面设置有与所述光源装置对应的玻璃窗口。

所述温度传感器以及所述微波辅助装置安装在所述反应器的内壁上。

在本实施例中，所述反应器内安装有装载筒，所述装载筒内安装所述光催化剂填料，且所述光催化填料包括石墨烯宏观体；所述反应器的内壁设置有所述照射光的反射面。

所述光催化填料按照重量份比包括如下成分：二氧化钛5-12份、聚丙烯酸1-10份、石墨烯宏观体15-28份、氧化锌2-7份。

所述光催化填料的制备方法包括如下步骤：

1).按照重量份比，称取二氧化钛、聚丙烯酸、石墨烯宏观体以及氧化锌；

2).将称取的二氧化钛以及氧化锌混合至搅拌釜中，启动搅拌釜中的球磨部件，将二氧化钛与氧化锌的混合物球磨至粒径为110nm～150nm，关闭球磨部件后加入聚丙烯酸以及石墨烯宏观体，超声处理10-30min后，得到混合物A；

3).以2-5℃/min的升温速度将搅拌釜内的温度升至45-80℃，并保持90-150℃的条件下，持续搅拌1-3h，后在100-120℃的条件下进行干燥20-30min，得到干燥混合物；

4)将干燥混合物进行粉碎，研磨获得粒径为15-25mm，密度为850-1200Kg/m的光催化剂填料。

另外，本实施例还提供一种光催化-臭氧联用流化床净化装置的使用方法，包括如下步骤：

a.回收采集废水，通过向废水中添加pH剂，使的废水中的pH在2-10之间；

b.将石墨烯宏观体安装在装载筒内，后安装在所述反应器的内部，后使用波长为254nm-365nm，功率为12-40W的光源照射10-25min反应器内部；

c.将臭氧发生器通过连接管道与发生器进行连接，启动所述臭氧发生器，往反应器中鼓入臭氧，使得反应器的内部有上升的臭氧气泡；

d.将废水进液管的一端连接在反应器的废水进液口并与所述液体分布器二相抵，另一端与所述液体注射泵连接，所述液体注射泵与待处理液体通过管道连接；将净水出水口的一端与反应器连接，另一端通过管道与储液罐连接；启动液体注射泵，废水在液体注射泵的作用下，沿着废水进液管流经所述液体分布器，并以1.5-5.0L/min的流速经过液体分布器进入反应器内，并在升流通道以升流进水的方式连续进水；

e.保持反应器内的温度保持在75℃以下，反应器运作20-60min后，关闭电源，净化水从反应器的出液口中经出水管排出到储液罐中。

综合上，本发明的流化床装置具有显著的降解效果，有效去除微/痕量污染物，绿色、高效、总体低成本低。

对比例一：

与实施例2的区别仅在于未通入臭氧。

对比例二：

与实施例2的区别仅在于未使用石墨烯宏观体作为光催化填料的复合成分。

对比例三：

与实施例2的区别仅在于未引入控制器、温度传感器。

对比例四：

与实施例2的区别在于光源装置入射夹角大于90°，未设置反射面。

对实施例一、实施例二，对比例一至对比例四以及市面上购买的净化装置进行污水净化试验，净化结果记录如下表1：其中，将市面上购买的净化装置作为对照组。

表1

需要说明的是：上述所述的一级指的是污水中无检测到污染物、二级指的是污水中检测到轻微的污染物，三级指的是污水中检测到较多的污染物。去污效率是根据水质检测仪检测到污水中无污染物出现时，处理污水所需要的总时间，高效指的是等体积内污水处理的总时间最短，一般指的等体积内污水处理总时间介于最短与最长之间，差指的是等体积内污水处理的时间最长。由表中分析可知，本发明中的臭氧通入量、石墨烯宏观体以及光源装置中光入射角度，反射面都会影响污水的处理情况，缺少其中的某一条件都会影响本发明的处理结果，综合上，本发明的净水装置中具有显著的净水处理效果。另外，本发明中设置光催化-臭氧联用，控制器的条件下，能促进去污的效率。

虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。也就是说上面讨论的装置，***和设备是示例。各种配置可以适当地省略，替换或添加各种过程或组件。例如，在替代配置中，可以以与所描述的顺序不同的顺序执行装置，和/或可以添加，省略和/或组合各种部件。而且，关于某些配置描述的特征可以以各种其他配置组合，如可以以类似的方式组合配置的不同方面和元素。此外，随着技术发展其中的元素可以更新，即许多元素是示例，并不限制本公开或权利要求的范围。

在说明书中给出了具体细节以提供对包括实现的示例性配置的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践配置,例如，已经示出了众所周知的电路，过程，算法，结构和技术而没有不必要的细节，以避免模糊配置。该描述仅提供示例配置，并且不限制权利要求的范围，适用性或配置。相反，前面对配置的描述将为本领域技术人员提供用于实现所描述的技术的使能描述。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

综上，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以下权利要求(包括所有等同物)旨在限定本发明的精神和范围。以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种光催化-臭氧联用流化床净化装置，其特征在于，所述净化装置包括反应器；所述反应器的一侧连接有净水出液口以及连接管，所述连接管能连接臭氧发生器，且所述净水出液口与所述反应器连接处设置有液体分布器一；所述反应器设置有废水进液口，且所述废水进液口与所述反应器连接处设置有液体分布器二；所述反应器底部设置有曝气盘；所述反应器内设置有光源装置、光催化剂填料以及两端开口的导流筒，且所述光源装置能在所述反应器内提供入射方向与所述反应器中轴线夹角范围为0°＜θ＜90°的照射光，所述导流筒内设置有连通两端开口的升流通道。

2.根据权利要求1所述的光催化-臭氧联用流化床净化装置，其特征在于，所述液体分布器一以及液体分布器二为筛网。

3.根据权利要求1所述的光催化-臭氧联用流化床净化装置，其特征在于，所述光源装置包括灯管和灯管底座，所述灯管底座安装在所述反应器的内部中端，所述灯管连接在所述灯管底座上，且所述灯管包括模拟太阳光、氙灯以及紫外灯。

4.根据权利要求1所述的光催化-臭氧联用流化床净化装置，其特征在于，所述反应器的侧面设置有与所述光源装置对应的玻璃窗口。

5.根据权利要求1所述的光催化-臭氧联用流化床净化装置，其特征在于，所述反应器内安装有装载筒，所述装载筒内安装所述光催化剂填料，且所述光催化填料包括石墨烯宏观体。

6.根据权利要求1所述的光催化-臭氧联用流化床净化装置，其特征在于，所述反应器的内壁设置有所述照射光的反射面。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的光催化-臭氧联用流化床净化装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.回收采集废水，通过向废水中添加pH剂，使的废水中的pH在2-10之间；

b.将石墨烯宏观体安装在装载筒内，后安装在所述反应器的内部，后使用波长为254nm-365nm，功率为12-40W的光源照射10-25min反应器内部；

c.将臭氧发生器通过连接管道连接所述反应器，启动所述臭氧发生器，往反应器中鼓入臭氧；

d.将废水进液管的一端连接在反应器的废水进液口并与所述液体分布器二相抵，另一端与液体注射泵连接，废水在液体注射泵的作用下，沿着废水进液管流经所述液体分布器二，并在升流通道以升流进水的方式连续进水；

e.反应器运作20-60min后，关闭电源，净化水流经液体分布器一，并从反应器的净水出液口中排出。

8.根据权利要求7所述光催化-臭氧联用流化床净化装置的使用方法，其特征在于，废水以1.5-5.0L/min的流速经过液体分布器二进入反应器内，且反应器内的温度保持在75℃以下，防止水分的蒸发。

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