CN115490291A - 一种具有臭氧和紫外光催化氧化作用的平推流式反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有臭氧和紫外光催化氧化作用的平推流式反应器，该反应器包括紫外灯源(1)、反应器壳体(3)、进气口(4)、入水口(5)、导流板(6)和出口(9)，所述紫外灯源(1)和导流板(6)安装在反应器壳体(3)内部，进气口(4)和入水口(5)安装在反应器壳体(3)下部，导流板(6)围绕紫外灯源(1)呈螺旋上升状安装在紫外灯源(1)和反应器壳体(3)之间。本发明所述的反应器将导流板设计为螺旋状可减少废水返混，该反应器将紫外光催化和臭氧催化耦合在一起，极大地提高了对废水的处理效果和处理效率，同时该反应器还具有条件易控、工艺路线简单等优点。
Description
技术领域
本发明属于环境净化领域，具有涉及一种具有臭氧和紫外光催化氧化作用的平推流式反应器。
背景技术
目前，在难降解工业废水领域，有若干处理工序需要用到高级氧化技术。比如低盐废水的高级氧化预处理以提高废水的可生化性，生化出水的高级氧化深度处理，高盐废水零排放路线下生产的蒸发凝水高级氧化预处理、蒸发外排母液高级氧化处理实现减量化等。目前，芬顿反应、臭氧催化氧化、电催化氧化等，是业内常用的几种高级氧化技术。随着处理需求的日益增多，人们逐渐发现，有些废水，如有机物分子结构特别稳定、无机盐含量高、悬浮物多的情况下，采用芬顿反应、臭氧催化氧化、电催化氧化等技术单一，反应效率差，处理效果不好。因此，紫外光催化氧化技术由于对废水中无机盐含量不敏感、具有更强的催化氧化能力，且催化反应过程本身不会产生二次危废，日益引起人们的重视。
在已经披露的紫外光催化氧化技术资料里，研究者们多关注了氧化反应本身，如有机物如何降解，及反应装置的常规简单构成，并未关注反应器中废水的流场分布细节，也未考虑如何充分利用紫外光源本身固有的优异特性，如其高频波段照射氧气可以原位产生臭氧，提高反应效率等。
发明内容
基于上述技术背景，本发明人进行了锐意进取，提供了一种具有臭氧和紫外光催化氧化作用的平推流式反应器，该反应器包括紫外灯源、反应器壳体、进气口、入水口、导流板和出口，所述紫外灯源和导流板安装在反应器壳体内部，进气口和入水口安装在反应器壳体下部，导流板呈螺旋上升状安装在紫外灯源和反应器壳体之间，将其设计为螺旋上升状可使废水在反应器中呈平推流方式流动，可减少返混，入水口除通入待处理废水外，还通入双氧水，使本发明所述反应器同时具有紫外光催化和臭氧催化作用，极大的提高了该反应器对废水的处理效果和处理效率，同时该反应器还具有条件易控、工艺路线简单等优点。
本发明第一方面在于提供一种具有臭氧和紫外光催化氧化作用的平推流式反应器，所述反应器包括紫外灯源1、反应器壳体3、进气口4、入水口5、导流板6和出口9；
所述紫外灯源1和导流板6安装在反应器壳体3内部，进气口4和入水口5安装在反应器壳体3下部。
本发明第二方面在于提供一种根据本发明第一方面所述的具有臭氧和紫外光催化氧化作用的平推流式反应器用于废水处理的用途。
本发明第三方面在于提供一种利用本发明第一方面所述的具有臭氧和紫外光催化氧化作用的平推流式反应器进行废水处理的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、调节待处理废水的pH；
步骤2、将调节pH后的废水、双氧水通入入水口5，空气通过进气口4进入所述平推流式反应器中进行处理。
本发明提供的具有臭氧和紫外光催化氧化作用的平推流式反应器及使用方法具有以下优势：
(1)本发明所述的反应器具有结构简单、条件易控和价格低廉等优点；
(2)本发明所述的反应器将紫外光催化和臭氧催化氧化耦合在一起，极大地提高了反应器对废水的处理效果和处理效率；
(3)本发明所述的反应器将导流板设计为螺旋状，可减少废水的返混，同时还可对紫外灯源不断进行冲刷，确保紫外光的高效透过，提高对紫外光源的利用效率。
附图说明
图1示出本发明所述具有臭氧和紫外光催化氧化作用的平推流式反应器的剖面结构示意图。
附图标号说明
1-紫外灯源；
2-安装孔；
3-反应器壳体；
4-进气口；
5-入水口；
6-导流板；
8-γ-FeOOH；
9-出口。
具体实施方式
下面将对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
本发明第一方面在于提供一种具有臭氧和紫外光催化氧化作用的平推流式反应器，所述反应器包括紫外灯源1、反应器壳体3、进气口4、入水口5、导流板6和出口9。
所述紫外灯源1和导流板6安装在反应器壳体3内部，进气口4和入水口5安装在反应器壳体3的下部，入水口5位于进气口4的上部，出口9安装在反应器壳体3的上部，导流板6位于进气口4和入水口5之间。
根据本发明一种优选地实施方式，所述紫外灯源1安装在反应器壳体3的中间，与反应器壳体3的底部垂直，导流板6围绕紫外灯源1呈螺旋上升状安装在紫外灯源1和反应器壳体3之间。
导流板6在反应器中的作用为将通入反应器中的废水提供流动通道，导流板设计为螺旋上升状，可使废水在反应器中呈平推流方式流动，一方面可减少返混，提高反应器对废水的处理效率，另一方面使废水不停的冲刷紫外灯源1的外壁，可避免形成扰动，还有助于帮助清洁紫外灯源1的外壁，确保紫外光的高效透过，提高紫外光源的利用效率，保证反应器对废水的处理效果。
在本发明中，所述反应器还包括安装孔2，安装孔2位于反应器壳体3顶部的中间，为一通孔，紫外灯源1通过安装孔2安装在反应器中。优选地，紫外灯源1与安装孔2为小间隙配合。
根据本发明，进气口4中通入的是空气，入水口5中通入的是待处理废水和双氧水。
向反应器中通入空气，除了能起到搅拌混合促进传质的作用外，空气在紫外光低频波段的作用下，在废水中原位产生臭氧，臭氧本身具有一定的氧化作用，对废水中的有机物进行氧化，可提高紫外灯源的能量利用效率，入水口5通入的双氧水在紫外光照射下产生出羟基自由基氧化有机物，进一步提高紫外灯源的能量利用率和废水处理效果。再加之废水中的有机物在紫外灯源1的照射下，分子结构发生改变，更容易断裂，以上几个因素耦合在一起，协同作用，增强了催化氧化效果，提高了反应器对废水的处理效果和处理效率。
反应器壳体3优选为圆筒状，紫外灯源1优选为圆柱形，导流板6与紫外灯源1的外壁紧密配合，与反应器壳体3的外壁紧密配合，一方面防止废水短路，另一方面避免废水返混。将反应器壳体3和紫外灯源1设置为圆柱形方便安装和使用。
根据本发明进一步优选地实施方式，所述反应器还包括γ-FeOOH 8，在导流板6的上下表面均涂覆γ-FeOOH 8。
废水中的氧气在紫外灯源1的照射下，产生一定量的臭氧，臭氧本身对有机物有一定的氧化作用，臭氧遇到导流板表面涂覆的γ-FeOOH，产生羟基自由基，废水在反应器中流动的过程中，对废水中的有机物进行氧化，有利于进一步提高反应器对废水的处理效果和处理效率。
相邻两导流板6之间的距离相等，导流板6之间的板间距不大于紫外灯源1的高度，导流板6之间的距离为0.5～15cm，优选为1～10cm，更优选为1～8cm。
本发明所述的反应器启动后，废水和双氧水从入水口5通入反应器中，沿着相邻导流板6之间的通道平推流式螺旋上升，最终从反应器顶部的出口9流出，若导流板之间的距离太大，导流板表面涂覆的γ-FeOOH对废水的处理效果减弱，经试验发现，相邻导流板6之间的距离为上述范围时，反应器对废水的处理效果最好。
导流板6的倾斜角度为15～45°，优选为20～40°，更优选为30～35°。导流板在一定的倾斜角度范围内，有利于气泡在上升过程中在废水内分布均匀。
紫外灯源1的长度为相邻导流板6间距的10～30倍，优选为15～25倍，更优选为20～22倍。
本发明所述的反应器以单只紫外灯源作为一个反应器模块，可以根据废水处理量和处理效果的实际需求，模块化的进行增加，且没有反应器放大效应。
所述紫外灯源1优选为能够发射150～400nm波长的紫外光，更优选为能够发射180～400nm波长的紫外光。波长分布在这个范围的紫外光，更容易激发双氧水产生羟基自由基，增强对污染物的氧化去除效果。
所述导流板6的材质为聚四氟乙烯、氧化铜、铂片、碳钢或不锈钢，优选为聚四氟乙烯、碳钢或不锈钢，更优选为不锈钢。废水中的成分复杂，对处理其的装置具有一定的腐蚀性，从而影响装置的寿命及对废水的处理效果，上述材质具有良好的耐酸碱腐蚀性，及对废水中硬度等指标耐受程度高的优点，用其作为反应器的导流板可提高反应器的使用寿命。
本发明第二方面在于提供一种根据本发明第一方面所述的具有臭氧和紫外光催化氧化作用的平推流式反应器用于废水处理的用途。特别是用于难降解废水的预处理或深度处理。
本发明的第三方面在于提供一种利用本发明第一方面所述的具有臭氧和紫外光催化氧化作用的平推流式反应器进行废水处理的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、调节待处理废水的pH；
步骤2、将调节pH后的废水、双氧水和空气通入反应器中进行废水处理。
以下对该步骤进行具体描述和说明。
步骤1、调节待处理废水的pH。
在对废水进行处理之前，调节待处理废水的pH为7～9，优选为7.2～8.5，更优选为7.4～8。将待处理废水的pH调节至弱碱性一方面可以避免对反应器材质的破坏，保持其处理废水的稳定性，另一方面将待处理废水调节至碱性，有利于提高对待处理废水的处理效果。
本发明中的pH调节剂优选为氢氧化钠、碳酸氢钠或氨水，更优选为氢氧化钠。
步骤2、将调节pH后的废水、双氧水通过入水口5，空气通过进气口4进入所述平推流式反应器中进行处理。
将调节pH后的废水的通入反应器中进行处理，所述反应器优选为本发明第一方面所述具有臭氧和紫外光催化氧化作用的平推流式反应器。
该反应器包括紫外灯源1、反应器壳体3、进气口4、入水口5、导流板6和出口9。
所述紫外灯源1和导流板6安装在反应器壳体3内部，进气口4和入水口5安装在反应器壳体3的下部，入水口5位于进气口4的上部，出口9安装在反应器壳体3的上部，导流板6位于进气口4和入水口5之间。
所述紫外灯源1安装在反应器壳体3的中间，与反应器壳体3的底部垂直，导流板6围绕紫外灯源1呈螺旋上升状安装在紫外灯源1和反应器壳体3之间。
所述反应器还包括安装孔2，安装孔2位于反应器壳体3顶部的中间，为一通孔，紫外灯源1通过安装孔2安装在反应器中。
根据本发明，进气口4中通入的是空气，入水口5中通入的是待处理废水和双氧水。
反应器壳体3优选为圆筒状，紫外灯源1优选为圆柱形，导流板6与紫外灯源1的外壁紧密配合，与反应器壳体3的外壁紧密配合。
根据本发明一种优选地实施方式，所述反应器还包括γ-FeOOH 8，γ-FeOOH 8涂覆于导流板6的上下表面。
相邻导流板6之间的距离相等，两导流板6之间的距离不大于紫外灯源1的高度，导流板6之间的距离为0.5～15cm，优选为1～10cm，更优选为1～8cm。
导流板6的倾斜角度为15～45°，优选为20～40°，更优选为30～35°。
紫外灯源1的长度为相邻导流板6间距的10～30倍，优选为15～25倍，更优选为20～22倍。
所述紫外灯源1优选为发射150～400nm波长的紫外光，更优选为发射180～400nm波长的紫外光。
所述导流板6的材质为聚四氟乙烯、氧化铜、铂片、碳钢或不锈钢，优选为聚四氟乙烯、碳钢或不锈钢，更优选为不锈钢。
在通入待处理废水的同时，向反应器中通入双氧水，双氧水由入水口5通入，双氧水占废水的质量比为0.1‰～20％，优选为0.5‰～15‰，更优选为1‰～10‰。
通入反应器中的双氧水在紫外光的照射下产生羟基自由基，羟基自由基氧化废水中的有机物，从而提高反应器对废水的处理效果，双氧水的用量将会影响其对废水的处理效果，双氧水的用量太小，通入反应器中的双氧水量小，对废水的处理效果差，随着双氧水用量的增加，对废水的处理效果不断提高，但若超过一定值，对废水的处理效果趋于饱和且不经济。
废水由入水口5通入，废水在反应器中的流速为0.5～10cm/s，优选为1～5cm/s，更优选为2～3cm/s。
通入废水和双氧水的同时，向进气口4通入空气，空气的空塔流速为0.01～0.5cm/s，优选为0.05～0.4cm/s，更优选为0.1～0.35cm/s。
空气的空塔气速、废水流速和双氧水用量相互匹配，若废水的流速太快，空气的空塔气速和双氧水的用量过小，废水中的有机物来不及被催化氧化，导致反应器对废水的处理效果较差，经试验发现，废水流速、双氧水用量和空气的空塔气速为上述范围时，反应器对废水的处理效果最好。
废水在反应器中的处理温度为20～40℃，优选为25℃。
处理时间为2～4h，优选为3h。
本发明所具有的有益效果：
(1)本发明所述的具有氧化和紫外光催化氧化作用的平推流式反应器内部设有规整排布的导流板，废水、空气、臭氧在反应器内以平推流的形式流动，避免了返混，提高了反应器对废水的处理效率；
(2)本发明所述的具有氧化和紫外光催化氧化作用的平推流式反应器在紫外光低频波段的作用下，氧气在废水中原位产生臭氧，臭氧本身具有一定的氧化作用，并在导流板表面的γ-FeOOH催化下产生羟基自由基，向废水中进入空气，除了能起到搅拌混合促进传质的作用外，还能额外产生一定的臭氧，提高了紫外灯源的能量利用效率；
(3)本发明所述的具有氧化和紫外光催化氧化作用的平推流式反应器中的废水有机物在紫外光的照射下，分子结构发生改变，更容易断裂，双氧水在紫外光照射下产生出羟基自由基氧化有机物，原位产生的臭氧在γ-FeOOH催化下也产生羟基自由基，废水在反应器中呈平推流方式流动，减少了返混，提高了反应器处理效率，以上几个因素耦合在一起，协同作用，增强了催化氧化效果；
(4)本发明所述的具有氧化和紫外光催化氧化作用的平推流式反应器由于废水沿着导流板间空间平推流形式流动，废水不停的冲刷紫外灯管外壁，有助于帮助清洁灯管表面，确保紫外光的高效透过；
(5)本发明所述的具有氧化和紫外光催化氧化作用的平推流式反应器以单只灯管作为一个反应器模块，可以根据使用需求，模块化的进行增加，以适应不同的处理量需求，没有反应器放大效应。
实施例
以下通过具体实例进一步阐述本发明，这些实施例仅限于说明本发明，而不用于限制本发明范围。
实施例1
用NaOH将受阻胺类光稳定剂废水pH(污染物主要成分为四甲基哌啶醇及其衍生物)调节至7.6。
将调节pH值后的废水采用图1所示反应器进行废水处理，将废水由入水口5通入反应器中，该反应器中1为紫外灯源，导流板6之间的距离为2cm，废水在反应器中的流速设定为2cm/s，双氧水在废水中的含量设定为8‰，进气口4中通入空气，空气在反应器中的空塔气速为0.3cm/s，处理温度为室温，处理时间为3h。
实施例2
以与实施例1相似的方法进行废水处理，区别仅在于：导流板6之间的距离为8cm。
实施例3
以与实施例1相似的方法进行废水处理，区别仅在于：双氧水在废水中的含量设定为1‰。
实施例4
以与实施例1相似的方法进行废水处理，区别仅在于：空气在反应器中的空塔气速为0.1cm/s。
对比例
对比例1
取质量比为1:5的碳粉和铁粉进行混合，加入到盛有受阻胺类光稳定剂废水(污染物主要成分为四甲基哌啶醇及其衍生物)的烧杯中，用盐酸将其pH值调节至3.5，于室温下搅拌反应3h。
对比例2
加3‰硫酸亚铁到盛有受阻胺类光稳定剂废水(污染物主要成分为四甲基哌啶醇及其衍生物)的烧杯中，用磁力搅拌溶解硫酸亚铁，加盐酸调节pH至3.5，然后升温至95℃，再向烧杯中缓慢加入80g/L的双氧水，反应3h。
对比例3
向受阻胺类光稳定剂废水(污染物主要成分为四甲基哌啶醇及其衍生物)中通入臭氧，用氢氧化钠调节pH为7.6，反应时间为3h。
实验例
实验例1废水处理效果测试
对实施例1和对比例1～3处理后的废水进行COD去除率测试，待处理废水为受阻胺类光稳定剂废水，其主要成分为四甲基哌啶醇及其衍生物，该类物质分子结构非常稳定，非常难降解，一般去除方法较难去除。处理结果如表1所示。
表1废水处理效果
从表1中可以看出，对比例1所述的铁碳微电解、对比例2所述的芬顿反应、对比例3所述的臭氧催化氧化反应对手足胺类废水的处理效果较差，用铁碳微电解的处理方法对废水处理后，其COD去除率仅为3.3％，芬顿反应对废水处理后，其COD去除率仅为16.7％，臭氧催化氧化反应对废水处理后，其COD去除率仅为14.5％，用本发明实施例1～4所述反应器对废水处理后，COD去除率为20.4％～43％，说明常规的废水处理方式对难降解受阻胺类废水的处理效果较差，而本发明所述反应器对废水中COD的去除率较高，具有良好的废水处理效果。
本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，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元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接普通；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种具有臭氧和紫外光催化氧化作用的平推流式反应器，其特征在于，
该反应器包括紫外灯源(1)、反应器壳体(3)、进气口(4)、入水口(5)、导流板(6)和出口(9)，
所述紫外灯源(1)和导流板(6)安装在反应器壳体(3)内部，进气口(4)和入水口(5)安装在反应器壳体(3)下部。
2.根据权利要求1所述的平推流式反应器，其特征在于，
入水口(5)位于进气口(4)的上部，出口(9)安装在反应器壳体(3)的上部，导流板(6)位于进气口(4)和入水口(5)之间。
3.根据权利要求2所述的平推流式反应器，其特征在于，
所述紫外灯源(1)安装在反应器壳体(3)的中间，与反应器壳体(3)的底部垂直，导流板(6)围绕紫外灯源(1)呈螺旋上升状安装在紫外灯源(1)和反应器壳体(3)之间。
4.根据权利要求1所述的平推流式反应器，其特征在于，
所述反应器还包括安装孔(2)，安装孔(2)位于反应器壳体(3)顶部的中间，紫外灯源(1)通过安装孔(2)安装在反应器中。
5.根据权利要求1所述的平推流式反应器，其特征在于，
进气口(4)中通入的是空气，入水口(5)中通入的是待处理废水和双氧水。
6.根据权利要求1所述的平推流式反应器，其特征在于，
所述反应器还包括γ-FeOOH(8)，在导流板(6)的上下表面均涂覆γ-FeOOH(8)。
7.根据权利要求3所述的平推流式反应器，其特征在于，
相邻两导流板6之间的距离相等，导流板6之间的距离为0.5～15cm。
8.根据权利要求7所述的平推流式反应器，其特征在于，
紫外灯源(1)的长度为相邻导流板(6)间距的10～30倍。
9.根据权利要求1至8之一所述的具有臭氧和紫外光催化氧化作用的平推流式反应器用于污水处理的用途。
10.一种废水处理方法，优选采用根据权利要求1至8之一所述的平推流式反应器进行处理，所述方法包括以下步骤：
步骤1、调节待处理废水的pH；
步骤2、将调节pH后的废水、双氧水通过入水口(5)，空气通过进气口(4)进入所述平推流式反应器中进行处理。
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| CN201473358U (zh) * | 2009-05-07 | 2010-05-19 | 西南科技大学 | 旋流式光催化污水预处理装置 |
| US20170369346A1 (en) * | 2015-01-19 | 2017-12-28 | Institute Of Process Engineering, Chinese Academy Of Sciences | Ozone-photocatalysis reactor and water treatment method |
| CN108408828A (zh) * | 2018-03-29 | 2018-08-17 | 中国矿业大学(北京) | 螺旋式高效紫外臭氧催化氧化装置 |
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2021
- 2021-06-17 CN CN202110675062.2A patent/CN115490291A/zh active Pending
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