一種環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器的制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器，該反應器內部包括光電催化氧化反應系統和環狀輻流負壓抽吸式內循環進水系統，其中光電催化氧化反應系統包含板式筒狀DSA陽極和網式筒狀鈦陰極，陰陽極之間填充粒狀光電催化劑，網式筒狀鈦陰極內部設置紫外發生器。光電催化氧化反應系統下部設置環狀輻流負壓抽吸式內循環進水系統，進水系統中心設置液體噴射管，液體噴射管的喉道處設置若干長度可調式管道，將液體噴射管和位于反應器底部區域的密布等徑圓孔的環狀輻流式進水器相連通。反應器頂部設置氣體噴射管，氣體噴射管進氣口與壓縮空氣泵連接，出氣口與大氣相連接，喉道處與反應器頂部排氣管相連接，稀釋并排放反應器內部產生的氫氣。
【專利說明】一種環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器
【技術領域】
[0001]本發明屬于工業廢水處理專業領域，具體涉及一種用于處理高鹽難降解有機廢水的內循環光電催化反應裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著國家工業和經濟的發展，許多含有難以生物降解的有毒有害物質的廢水不斷進入環境，給工農業生產、人民生活和人體健康帶了了很大的危害，在這種背景下，國家要求廢水排放的標準越來越嚴格，許多難降解廢水的達標處理成為環保領域內的難點問題。
[0003]而另一方面，光電催化氧化技術作為一種全新的高級氧化技術已經成功應用在高鹽廢水處理行業中，光電催化技術是一種光催化與電催化聯合應用的新型深度氧化技術，主要是通過在工作電極上施加偏電壓，從而在電極和催化劑內部形成一個電勢梯度，促進光生電子和空穴向相反的方向移動，抑制它們的復合，以加速分離。并且，這種光電催化系統還有另外兩個突出的優點，一是把導帶電子的還原過程同價帶空穴的氧化過程從空間位置上分開(與半導體微粒相比較)，結果大大增加了半導體表面.0Η的生成效率且防止了氧化中間產物在陰極上的再還原；二是由于導帶電子被引到陰極還原水中的H+，所以不需要向系統鼓入氧氣作為電子俘獲劑。但是目前光電催化氧化技術在降解有機污染物的時候，由于產生的自由基濃度極小，所以存在反應效率低、處理時間長等缺點，因此，如何提升光電催化氧化技術的處理效率，降低噸水處理能耗，是目前該【技術領域】內的研究重點和難點。針對光電催化氧化技術的短板問題開發的內循環光電催化氧化反應器一般采用傳統的鼓風機曝氣方法實現，該方法通過向反應器底部區域水體內鼓入空氣，在反應器底部形成一定的負壓狀態，從而達到廢水在反應器內部的內循環狀態。但是陰陽極板之間的廢水中氣體含量增高時會導致相同電流密度條件下，陰陽極之間的槽電壓大大升高，因此噸水處理電耗也會相應增加，并且氣液傳質過程也會降低紫外光在水體中的通過性，大大降低光電催化氧化處理廢水的效果。因此，依據傳統的曝氣式內循環理論開發的相關內循環反應器，不論是在處理效果方面還是噸水能耗方面，均不能達到內循環光電催化氧化反應器的設計效果，針對傳統曝氣式類型的內循環光電催化氧化反應器的以上弊端，有必要重新設計與開發，達到處理效果保持不變的條件下，噸水能耗的大大降低。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是設計一種環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化氧化反應器，用以解決傳統曝氣式內循環光電催化氧化反應器處理效率低、能耗大的難題。
[0005]為實現上述技術問題，本發明提供了一種環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化氧化反應器，其特征在于，所述反應器頂部設置有氣體噴射管，所述氣體噴射管的進氣口與壓縮空氣泵相連接，氣體噴射管的喉道與反應器頂部排氣管相連接；氣體噴射管的出氣口與大氣直通，通過向氣體噴射管中鼓入帶壓壓縮空氣，在氣體噴射管喉道附近形成負壓，抽吸反應器內部產生的氫氣并稀釋，然后通過排氣管排到大氣中；
[0006]所述反應器內部主要包括光電催化氧化反應系統和相連接的環狀輻流負壓抽吸式內循環進水系統；所述反應器的底部設置有集泥斗和集泥斗底部設置的反應器進水管；所述反應器進水管和所述環狀輻流負壓抽吸式內循環進水系統的液體噴射管相連接，集泥斗內沉淀物定期排放；
[0007]所述環狀輻流負壓抽吸式內循環進水系統包括進水系統中間的液體噴射管，所述液體噴射管底部進水口與反應器進水管相連接，液體噴射管中間喉道處有若干長度可調式管道與位于反應器底部區域的密布等徑圓孔的環狀輻流式進水器相連接，通過控制長度可調式管道的長度，可以調節環狀輻流式進水器進水器在反應器內部的位置；液體噴射管頂部與一個錐臺形布水器相連接，所述錐臺形布水器頂部密布等徑布水孔，用以均勻從液體噴射管中進入的廢水，并且所述錐臺形布水器頂部與密布有等徑圓孔的支撐板相連，所述支撐板用于承托光電催化氧化反應系統和固定環狀輻流負壓抽吸式內循環進水系統；
[0008]所述的光電催化氧化反應系統包括設置在支撐板上的一塊板式筒狀DSA陽極和一塊網式筒狀鈦陰極，陰陽極板間距優選為0.5-2cm,陰陽極板之間填充有粒狀光電催化齊U，網式筒狀鈦陰極內部設有紫外發生器；
[0009]其中所述布水孔直徑小于所述粒狀光電催化劑層底層最小粒徑；
[0010]通過環狀輻流負壓抽吸式內循環進水系統中液體噴射管進入的廢水首先會進入光電催化氧化系統的陰陽極之間，經過光電催化氧化處理后，再通過內循環系統進行多次循環處理，循環倍率可通過進入反應器時的流速決定。
[0011]根據本發明所述的環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器，其中所述支撐板上優選設有一個環形陰極板卡槽和一個環形陽極板卡槽，環形卡槽直徑等于對應筒狀極板直徑，支撐板直徑等于反應器內徑；所述的環狀輻流式進水器上密布直徑小于0.3cm的圓孔，環狀輻流式進水器直徑優選為反應器內徑的0.5-0.8倍。
[0012]根據本發明所述的環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器，其中所述的反應器為圓柱形，器壁內層材質為硬質PVC、PPR等耐腐蝕性材料，外層材質為不銹鋼。
[0013]根據本發明所述的環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器，其中所述板式筒狀DSA陽極板為鈦基材表面固載貴金屬物質制備而成的貴金屬陽極板，貴金屬物質采用鉬、釕、銥、銣和鋯氧化物中的一種或多種物質構成；所述板式筒狀DSA陽極和所述網式筒狀鈦陰極極板間距優選為0.5-2cm。
[0014]根據本發明所述的環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器，其中所述反應器內部的粒狀光電催化劑采用α -氧化鋁或二氧化硅中的一種或多種為載體，表面負荷二氧化鈦、硫化鎘、氧化鐵、二氧化錳中的一種或多種活性物質構成，并具有裂化和開環功能，及孔結構可調特性，制備成蜂窩多孔結構。
[0015]根據本發明所述的環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器，其中將所述光電催化劑分層填充在陰陽極板之間，其中底層和頂層光電催化劑平均粒徑最大，粒徑在0.3cm?0.5cm ;中間層催化劑平均粒徑最小,粒徑在0.1cm?0.3cm,且所述粒狀光電催化劑的投加量與反應中廢水的質量比為1:200-1:20 ;所述布水孔直徑1? < 0.3cm。
[0016]根據本發明所述的環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器，其中所述反應器內部光電催化氧化系統中紫外發生器為波長為200-400nm的高壓汞燈、中壓汞燈及紫外燈中的一種，功率為4-200W ；
[0017]根據本發明所述的環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器，其中所述的紫外發生器外形為圓柱形，其外徑等于網狀筒式鈦陰極板內徑。
[0018]根據本發明所述的環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器，其中所述的氣體噴射管出氣口直接與大氣相連通，通過鼓入壓力為0.2-lMpa的壓縮空氣，在氣體噴射管喉道處形成負壓狀態，將反應器內部產生的氫氣吸出并稀釋至濃度4%以下，最后排入大氣。
[0019]本發明反應器工作原理是根據伯努利射流引力原理，當廢水以高流速從反應器底部進水管經過液體噴射管喉道時，會在喉道處形成負壓環境，這時反應器底部區域的廢水就會通過輻流式環狀進水器進入連接管道，進而通過液體噴射管喉道進入光電催化氧化反應系統陰陽極之間區域內形成循環流動，這部分廢水與從進水口進入的廢水混合從而提高了循環的溶液總量，通過環狀輻流負壓抽吸式內循環進水系統能產生2:1?5:1的流率比率，其效果和傳統曝氣式內循環效果一致，但是由于沒有任何氣體的進入，在相同的電流密度的條件下，不會引起陰陽極間槽電壓的增加，也不會造成紫外光在廢水中的透過性，因此不會降低反應器的處理效果，并且大大降低噸水處理能耗。而通過實驗能夠證明，在大型溶液槽中，環形排布比單一排布有更高的混合效率，因此采用密布等徑圓孔的輻流式環狀進水器，來提升進水效率，并且輻流式環形進水器應盡可能的安置于容器底部以達最大的流通率。
[0020]本發明涉及環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器和傳統設備相比較，具有以下有益效果:
[0021]1、不需要向反應器內部曝氣，在相同電流密度的條件下，可以大大降低陰陽極之間的槽電壓，從而大大降低噸水處理能耗。
[0022]2、不需要向反應器內部曝氣，可以避免由于氣體溶于廢水中造成的紫外光透過性變差，從而保持光電催化氧化的效果不變。
[0023]3、不需要向反應器內部曝氣，可以減少曝氣設備的運行費用，從而從整體運行條件上進一步減小噸水的處理能耗。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]附圖1為環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器結構示意圖；
[0025]附圖2為環狀輻流負壓抽吸式內循環進水系統結構圖；
[0026]其中，圖中
[0027]I為集泥斗11為板式筒狀DSA陽極板
[0028]2為環狀福流負壓抽吸式內循環進水12為反應器進水管系統 13為支撐板
[0029]3為光電催化劑14為長度可調式連接管道
[0030]4為紫外發生器15為液體噴射管喉道
[0031]5為反應器排水口16為液體噴射管
[0032]6為氣體噴射管17為輻流式環形進水器
[0033]7為紫外發生器接線口18為錐臺形布水器
[0034]8為陰極接線口19為陰極板卡槽
[0035]9為陽極接線口20為陽極板卡槽
[0036]10為網式筒狀鈦陰極板
【具體實施方式】
[0037]下面結合附圖及具體應用實施例對本發明作進一步描述，具體實施例不對本發明的技術方案構成限定。
[0038]如圖1-2所示，本發明環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器壁內層由耐酸堿的硬質PVC塑料無縫焊接而成，外層輔以封閉式不銹鋼板，使設備具備一定絕緣性和耐壓性。環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器內部按照從下向上的順序依次為環狀輻流負壓抽吸式內循環進水系統2和光電催化氧化反應系統，其中環狀輻流負壓抽吸式內循環進水系統2與反應器進水口 12和反應器集泥斗1連接，環狀輻流負壓抽吸式內循環進水系統2構造如下:液體噴射管16在其液體噴射管喉道15處與長度可調式連接管道14相連接，長度可調式連接管道14又與輻流式環形進水器17相連接，輻流式環形進水器17上密布等徑圓孔，輻流式環形進水器17直徑優選為2/3反應器內徑，其作用是將反應器底部區域廢水抽吸至環狀輻流負壓抽吸式內循環進水系統內，并通過液體噴射管16進入光電催化氧化反應系統內，液體噴射管16頂部出水口與錐臺形布水器18相連接，其中錐臺形布水器18頂部密布等徑圓孔，圓孔直徑R < 0.3cm，避免上層光電催化劑3流失，錐臺形布水器18作用是將環狀輻流負壓抽吸式內循環進水系統2出水進行均質化，錐臺形布水器18與支撐板13相連接，其中支撐板13上有陰極板卡槽19和陽極板卡槽20,陰極板卡槽19直徑等于網式筒狀鈦陰極10直徑，陽極板卡槽20直徑等于板式筒狀DSA陽極11直徑，作用為固定陰陽極板，支撐板13密布等徑圓孔，支撐板13直徑等于反應器內徑，作用是承托光電催化氧化系統，并且固定環狀輻流負壓抽吸式內循環進水系統2;光電催化氧化系統從外到內依次是板式筒狀DSA陽極11、光電催化劑3、網式筒狀鈦陰極10、紫外發生器4，板式筒狀DSA陽極11與網式筒狀鈦陰極10之間間距為0.5-2cm，中間填充光電催化劑3，為防止光電催化劑3流失，其中底層和頂層催化劑平均粒徑為0.3-0.5cm，中間層催化劑平均粒徑為0.1-0.3cm，催化劑的投加量與反應中廢水的質量比為1:200-1:20。在網式筒狀鈦陰極內部包含紫外發生器4，優選為200-400nm高壓汞燈、中壓汞燈及紫外燈中的一種，功率為
4-200W。處理后出水經過反應器排水口 5排出，反應器頂部排氣管與氣體噴射管6喉道相連接，氣體噴射管的出氣口與大氣直通，通過向氣體噴射管6中鼓入壓力為0.2-lmpa壓縮空氣，在氣體噴射管6喉道處形成負壓，抽吸反應器內部產生的氫氣并稀釋到濃度低于4%后排入大氣中。
[0039]具體實例一:
[0040]浙江某石化公司由于所煉制的油品復雜，導致生產廢水中含有大量難生物降解物質，該廢水經過生化處理后C0D為300-500mg/L，無法達到相關出水排放標準。采用本發明環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器對該公司生化出水的深度處理進行了工程應用研究，結果顯示當水力停留時間為lh，噸水電耗為15kw.h/t時，出水COD ( 60mg/L,出水滿足了達標排放水質要求，與傳統曝氣式內循環光電設備相比較，在處理效果不變的條件下噸水電耗約減少l_2kw.h電能。
[0041]具體實例二:
[0042]天津某石化公司煉化廢水經生化處理后，為實現廢水近零排放，采用超濾-反滲透雙膜系統回用部分生化出水，經雙膜系統處理后會產生一定量濃縮液，該濃縮液COD約為300-400mg/L，電導率約為9000-12000 μ s/cm，Cr含量約為2000_3000mg/L，該濃縮液因為其含鹽量高、排量小、所含物質難以生化降解等特點，不宜再次采用生化法處理。采用本發明環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器處理后，當反應器內水力停留時間為lh，噸水電耗為14kw.h/t時，出水COD ( 50mg/L，滿足了達標排放水質要求，與傳統曝氣式內循環光電設備相比較，節約2-3kw.h電能。
【權利要求】
1.一種環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器，其特征在于:所述反應器頂部設置有氣體噴射管，所述氣體噴射管的進氣口與壓縮空氣泵相連接，氣體噴射管的喉道與反應器頂部排氣管相連接；所述氣體噴射管的出氣口與大氣直通，通過向氣體噴射管中鼓入帶壓壓縮空氣，在氣體噴射管喉道附近形成負壓，抽吸反應器內部產生的氫氣并稀釋，然后通過排氣管排到大氣中； 所述反應器內部主要包括光電催化氧化反應系統和相連接的環狀輻流負壓抽吸式內循環進水系統；所述反應器的底部設置有集泥斗和集泥斗底部設置的反應器進水管；所述反應器進水管和所述環狀輻流負壓抽吸式內循環進水系統的液體噴射管相連接，集泥斗內沉淀物定期排放； 所述環狀輻流負壓抽吸式內循環進水系統包括進水系統中間的液體噴射管，所述液體噴射管底部進水口與反應器進水管相連接，液體噴射管中間喉道處有若干長度可調式管道與位于反應器底部區域的密布等徑圓孔的環狀輻流式進水器相連接，液體噴射管頂部與一個錐臺形布水器相連接，所述錐臺形布水器頂部密布等徑布水孔，并與密布有等徑圓孔的支撐板相連，所述支撐板用于承托光電催化氧化反應系統和固定環狀輻流負壓抽吸式內循環進水系統； 所述的光電催化氧化反應系統包括設置在支撐板上的一塊板式筒狀DSA陽極和一塊網式筒狀鈦陰極，陰陽極板之間填充有粒狀光電催化劑，網式筒狀鈦陰極內部設有紫外發生器； 其中所述布水孔直徑小于所述粒狀光電催化劑層底層最小粒徑。
2.根據權利要求1所述的環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器，所述支撐板上設有一個環形陰極板卡槽和一個環形陽極板卡槽，環形卡槽直徑等于對應筒狀極板直徑，支撐板直徑等于反應器內徑；所述的環狀輻流式進水器上密布直徑小于0.3cm的圓孔，環狀輻流式進水器直徑為反應器內徑的0.5-0.8倍。
3.根據權利要求1所述的環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器，其特征在于，所述的反應器為圓柱形，器壁內層材質為硬質PVC、PPR耐腐蝕性材料，外層材質為不銹鋼。
4.根據權利要求1所述的環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器，其特征在于，所述板式筒狀DSA陽極板為鈦基材表面固載貴金屬物質制備而成的貴金屬陽極板，貴金屬物質采用鉬、釕、銥、銣和鋯氧化物中的一種或多種物質構成；所述板式筒狀DSA陽極和所述網式筒狀鈦陰極極板間距為0.5-2cm。
5.根據權利要求1所述的環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器，其特征在于，所述反應器內部的粒狀光電催化劑采用α-氧化鋁或二氧化硅中的一種或多種為載體，表面負荷二氧化鈦、硫化鎘、氧化鐵、二氧化錳中的一種或多種活性物質構成；并制備成蜂窩多孔結構。
6.根據權利要求1所述的環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器，其特征在于，將所述光電催化劑分層填充在陰陽極板之間，其中底層和頂層光電催化劑平均粒徑最大，粒徑在0.3cm?0.5cm ；中間層催化劑平均粒徑最小，粒徑在0.1cm?0.3cm,且所述粒狀光電催化劑的投加量與反應中廢水的質量比為1:200-1:20 ;所述布水孔直徑R小于0.3cm。
7.根據權利要求1所述的環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器，其特征在于，所述反應器內部光電催化氧化系統中紫外發生器為波長為200-400nm的高壓汞燈、中壓汞燈及紫外燈中的一種，功率為4-200W。
8.根據權利要求7所述的環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器，其特征在于，所述的紫外發生器外形為圓柱形，其外徑等于網狀筒式鈦陰極板內徑。
9.根據權利要求1所述的環狀輻流負壓抽吸式內循環光電催化反應器，其特征在于，氣體噴射管的出氣口直接與大氣相連通，通過鼓入壓力為0.2-lMpa的壓縮空氣，在氣體噴射管喉道處形成負壓狀態，將反應器內部產生的氫氣吸出并稀釋至濃度4%以下，最后排入大氣。
【文檔編號】C02F1/467GK104445533SQ201410636930
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月6日 優先權日:2014年11月6日
【發明者】謝陳鑫, 秦微, 滕厚開, 趙慧, 李肖琳, 錢光磊, 張艷芳, 鄭書忠, 王震, 李旗 申請人:中國海洋石油總公司, 中海油天津化工研究設計院, 中海油能源發展股份有限公司