專利名稱：一種太陽能固定膜雙層薄板光催化氧化水處理裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種新型的太陽能固定膜光催化氧化水處理裝置，本發(fā)明的裝置可廣泛用于飲用水的深度處理和高純水的制備，同時也可推廣應用到有毒有害高濃度難降解有機廢水的處理或和其他水處理技術聯(lián)用。
背景技術：
太陽能是一種資源豐富的新型能源，研究表明，可用于TiO2光催化氧化水處理的太陽紫外輻射(λ <387. 5nm)約為太陽能輻射總量的39Γ4%，可高達約50W/m2，且太陽能環(huán)境友好，不會產生環(huán)境污染，所以，將太陽能用作光催化氧化水處理的能源，除了可以減少能耗，降低處理成本，具有良好的經濟效益外，還可以減輕環(huán)境負荷，從而具有良好的社會效益。由于采用太陽能設計的TiO2光催化氧化水處理裝置具有氧化能力強、對污染物沒有選擇性等特點，所以，被廣泛應用于降解水中有毒有害物質。目前，根據(jù)對太陽紫外輻射利用不同，太陽能TiO2光催化氧化水處理裝置可分為聚光型反應器和非聚光型反應器兩種。聚光型反應器通常指拋物槽反應器(PTCR)，該類型反應器通過跟蹤裝置追蹤太陽光，將直射光聚集到位于拋物槽焦線上的由多組互相連接的反應管單元組成，管內裝有懸浮型TiO2光催化劑。但是，PTCR需要太陽跟蹤裝置，建造成本高，且只能利用直射太陽紫外輻射，故光能利用效率較低。另外，拋物槽反應器采用的催化劑為懸浮型，存在分離回收難題，更不適于飲用水的深度處理和高純水的制備。隨著技術的發(fā)展，聚光型反應器已逐漸為非聚光型反應器所取代。非聚光型反應器既可利用直射太陽紫外光又可利用散射太陽紫外光，光能利用效率高。非聚光型多為靜態(tài)裝置，不需要太陽跟蹤設備，大多面向赤道放置，并根據(jù)當?shù)鼐暥榷退矫娉梢欢▋A斜角，以達到年最大光能利用效率。非聚光型反應器主要有薄膜固定床反應器(TFFBR)、復合拋物面反應器(CPCR)和雙層薄板反應器(DSSR)。薄膜固定床反應器的主體是涂覆催化膜的平板，反應液以薄膜狀流經固定化催化劑，在太陽紫外輻射的作用下，使水中污染物得到降解去除。但這種反應器的明顯缺點是水力負荷低，水流通常為層流，存在傳質限制問題，反應器效率偏低。復合拋物面型反應器可將集光角范圍內的所有直射和散射光較均勻地反射到反應管的周邊上，具有較高的光能采集效率；水力條件好，不存在傳質限制問題。采用懸浮態(tài)催化劑的CPCR反應器，催化劑分離回收不便。為了提高太陽紫外輻射的利用效率，消除傳質限制，并克服懸浮態(tài)催化劑分離回收困難的缺點，專利CN1699200 (申請?zhí)朇N200510026138. X)采用復合拋物面采光板作為集光裝置，將負載于玻璃纖維網上TiO2裝填在反應管內。雖然固定膜催化劑可以省去懸漿體系催化劑回收工序，但由于載體為柔性材料，在反應管狹小空間內進行布設存在一定難度。 且裝置對復合拋物面采光板的制作精度與安裝精度要求高。雙層薄板反應器采用懸浮態(tài)催化劑，其主要結構是由隔成多個互連廊道，頂蓋能透紫外光的盒子組成，混有懸浮型光催化劑的反應液循環(huán)流過這些廊道，在紫外光照射下發(fā)生光催化反應。這種反應器可以采用較高的流速，有利于反應物混合傳質，提高反應速率用泵使催化劑處于懸浮狀態(tài)。但由于該類反應器采用懸浮型催化劑，因而存在催化劑分離回收難題。

發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明的目的是設計一種太陽能TiO2固定膜光催化氧化水處理裝置。該裝置具有結構簡單、建造和運行成本低、反應速率高，處理水量大、操作方便、運行穩(wěn)定，可廣泛用于飲用水的深度處理和高純水的制備。技術方案本發(fā)明的太陽能固定膜光催化氧化水處理裝置包括清水儲存箱、待處理水貯存箱、預處理器、泵、流量計和光催化反應器；該處理裝置由預處理器、待處理水儲槽、泵、流量計、光催化反應器、清水儲存箱順序鏈接所構成；其中光催化反應器主體為頂蓋能透紫外光的光反應器盒體，光反應器盒體內部被分隔成多個互連廊道，廊道的側壁和底部平板裝填固定膜催化劑，透光板置于光反應器盒體上面。在透光板上設有固定壓片。在透光板與光反應器盒體之間，以及透光板與固壓片之間分別放置一層硅膠材料密封片。固定膜催化劑的裝填是由不銹鋼絲網制成的骨架固定，裝填時將固定膜催化劑包覆于預先根據(jù)廊道尺寸做成的不銹鋼絲網骨架上。光催化劑可以方便拆換。光催化劑組件
可以多層疊置。光催化反應器內裝填固定膜催化劑也可以采用長柱型骨架進行固定，長柱型骨架采用不銹鋼、聚四氟乙烯、聚乙烯、ABS或PVC-U等耐氧化類塑料制成，在長柱型骨架上圍繞并包裹多層催化膜組成光催化劑組件；與廊道長度相應的長柱型框架由兩端的支架和固結的支桿組成。在光反應器盒體、透光板、固定壓片和密封片的相同位置設有固定孔，以固定螺栓和固定螺母對透光板進行密封緊固。有益效果1.本發(fā)明的光反應器組件內裝有TiO2固定膜光催化劑，多層固定膜催化劑可以簡單固定于不銹鋼絲網等材料做成的骨架上，因此本發(fā)明結構簡單、反應速率高、 運行費用低、操作方便、運行穩(wěn)定。消除了使用懸浮型催化劑反應器所存在的催化劑分離、 回收困難的固有缺點。2.可充分利用太陽紫外輻射。在不需要特殊太陽紫外輻射采集系統(tǒng)情況下，既可以利用直射太陽紫外光又可以利用散射太陽紫外光。構成本發(fā)明的光催化反應器組件面向太陽傾斜放置，其傾斜角可通過由帶有螺紋的支撐軸和調節(jié)螺母組成的角度調節(jié)機構調節(jié)，因此能夠適合不同緯度地區(qū)的運行需要，既可利用太陽紫外輻射的直射部分又可利用散射部分，達到非常好的處理效果。3.本發(fā)明的TiO2固定膜光催化劑是在柔性基材玻璃纖維網上制作的，比表面積大、裝填方便、質輕、透光率高、耐久性好，在重復使用多次后，處理效果降低很少，穩(wěn)定性好，且可以多層布設，在采光面積不變的情況下，最大化的利用了反應器的容積，提高了催化劑的有效催化面積。4.本發(fā)明的反應器的傳質性能較一般采用剛性載體的太陽能固定膜反應器優(yōu)越。 在不高的流速條件下，就可基本消除污染物向催化劑轉移的傳質限制問題。
5.可根據(jù)處理水量、水質要求靈活選擇反應器單元組件采用串連或并聯(lián)連接方式，裝置規(guī)模放大不影響基本設計參數(shù)，制造簡單。因此本發(fā)明的裝置可廣泛用于飲用水的深度處理和高純水的制備，同時也可推廣應用到有毒有害高濃度難降解有機廢水的處理或和其他技術聯(lián)用。


圖1為本發(fā)明的太陽能固定膜雙層薄板光催化氧化水處理裝置工藝示意圖，
圖2為本發(fā)明的裝置平面放置示意圖，
圖3為本發(fā)明的裝置側面及圖2中A-A剖面示意圖，
圖4為圖2中B-B剖面示意圖，
圖5為圖2中玻璃平板固定組裝示意圖，
圖6為本發(fā)明的光催化反應器內催化劑固定示意圖，
圖7為本發(fā)明的催化劑固定用長柱型骨架。附圖中的標號說明如下1_清水儲存箱，2-待處理水貯存箱，3-預處理器，4-泵， 5-流量計，6-光催化反應器，7-廊道，8-固定膜催化劑，9-鉸鏈，10-支撐板，11-調節(jié)螺母， 12-支撐桿，13-反應器支架，14-透光板，15-光催化反應器盒體，16-進水口，17-出水口， 18-固定壓片，19-密封片，20-固定螺栓，21-固定螺母，22-不銹鋼網狀骨架，23-長柱型骨架，24-支架，25-支桿。
具體實施例方式光催化反應器主體為頂蓋能透紫外光的盒子，內部被分隔成多個互連廊道，廊道側壁和底部平板裝填固定化催化劑。光催化反應器通過設有鉸鏈與角度調節(jié)機構的支撐板和支架連接，由帶有螺紋的支撐桿和調節(jié)螺母組成的角度調節(jié)結構，可自由調節(jié)光催化反應器傾斜角度而達到最佳采光效果。待處理水流經催化膜時，在太陽紫外輻射的作用下，水中的污染物被氧化分解。具體請參閱附圖1-6。本發(fā)明包括清水儲存箱1、待處理水貯存箱2、預處理器3、 泵4、流量計5、光催化反應器6。本發(fā)明的預處理器3可視待處理水性質選擇若水樣中不存在Fe2+、Mn2+離子，可不設置預處理器3。反之，則在待處理水貯存箱2之前，水樣應先進入預處理器3，同時可根據(jù)水樣的污染物濃度和處理規(guī)模大小，選擇是否添加O2或H2O2或 O3等助氧化劑。水樣通過泵4、流量計5進入光催化反應器6，達到處理要求的出水存放在清水儲存箱1。光催化反應裝置的核心為頂部可透紫外光，內部分割成首尾相互聯(lián)通廊道的盒式光催化反應器6，按照設計要求，一組光催化反應器分割成12個廊道7，兩側邊壁和底部布設有固定膜二氧化鈦催化劑8。光催化反應器6放置于底端設有鉸鏈9的支撐板10 上。撐板頂端設有角度調節(jié)機構，角度調節(jié)機構由調節(jié)螺母11和帶有螺紋的支撐桿12組成。兩個調節(jié)螺母11分別與反應器支架13和支撐板10頂端固結，通過旋轉支撐桿12，使其兩端相對稱的螺紋移動，調節(jié)光反應裝置的傾斜角度達到最佳采光位置。光催化反應器6頂部透光板14采用對30(T400nm波段紫外光透光較高的高硅氧玻璃、含氟聚合物、石英等作為材質，優(yōu)選為高硅氧玻璃材料。光催化反應器盒體15材料可以采用不銹鋼、聚四氟乙烯、聚乙烯或ABS耐氧化類塑料等。光反應器設有進水口 16和出水口 17。光催化反應器盒體15、透光板14、固定壓片18和密封片19的相應位置設有一定直徑固定孔，密封片19為硅膠材料。固定密封透光板時，將透光板14置于光催化反應器盒體15和固定壓片18之間，并在透光板14與光催化反應器盒體15之間，透光板14與固定壓片18之間分別放置一層密封片19，并以固定螺栓20和固定螺母21進行緊固。光催化反應器6的廊道中裝填2飛層特制的固定膜催化劑8，催化劑8以特制不銹鋼網骨架22或長柱型骨架將其支撐，緊貼在光反應器廊道兩側邊壁和底面上。長柱型骨架由兩端的支架23和支桿24組成，可以采用不銹鋼或者聚四氟乙烯或聚乙烯或ABS或PVC-U 等耐氧化類塑料材料。本發(fā)明適用多種TiO2固定膜。特別適用于將玻璃纖維網以程序升溫焙燒的方式進行預處理后，采用鈦酸丁酯、乙醇、蒸餾水和硝酸配制的溶膠_凝膠液和浸潤提拉法進行鍍膜，重復涂覆、焙燒過程制得的TiO2固定膜。工作原理請參閱圖1。待處理水樣通過進水管進入待處理水貯水箱之前，先進入由外層濾芯過濾與內層陽離子交換樹脂(或者錳砂)組成的預處理裝置，以去除待處理水中的Fe2+、Mn2+和攔截膠體，從而避免催化劑中毒，若待處理水中不存在Fe2+、Mn2+離子，可不設置前處理裝置。水樣進入待處理水貯水箱后，可根據(jù)水樣的污染物濃度和處理規(guī)模大小， 選擇是否添加O2或H2O2或O3等助氧化劑。水樣通過泵和流量計進入光反應器6進行光催化反應，待污染物降解后排入清水貯水箱。可采用連續(xù)流運行，停留時間可通過回流比來控制。如果處理規(guī)模較小，可選擇一組光催化反應器，水樣依次流過光反應廊道后回到清水貯水箱，待完成一個反應周期后排出，反應采用序批式的運行方式。如果水樣是高濃度有機廢水且處理規(guī)模大，可以采用多個光反應器串聯(lián)形式進行放大。用初始濃度為2. lmg/L的苯酚作為待處理水樣，泵流量為5L/min，反應過程中太陽光的平均光強為24. 3W/m2，反應的總體積為16L，120min后苯酚的降解率達到91%。選擇在天氣晴朗，光強差別不超過10%的時間段進行。取2mg/L的苯酚溶液16L，分別選定泵流量為2、5、7. 5、10L/min進行實驗，120min后苯酚的降解率分別為84%, 90%, 92%, 93% 0 本發(fā)明的傳質性能優(yōu)越。另外，本發(fā)明的催化膜活性較穩(wěn)定。選取早期的一次實驗，與運行 20個反應周期后的實驗進行對比，結果為前者初始濃度2. Omg/L的苯酚，溶液16L，泵流量為5L/min，反應過程中太陽光的平均光強為21. 3W/m2，經120min后苯酚降解率達到88%， 后者初始濃度1. 9mg/L的苯酚溶液16L，泵流量為5L/min，反應過程中太陽光的平均光強為 19.8W/m2，在120min內苯酚的降解率達到81%的降解率。結果說明催化膜活性較穩(wěn)定。對應的再生實驗表明，經使用后活性下降的催化膜可通過適當?shù)拇胧┗謴推浠钚浴?br> 權利要求
1.一種太陽能固定膜光催化氧化水處理裝置，包括清水儲存箱(1)、待處理水貯存箱 (2)、預處理器(3)、泵(4)、流量計(5)和光催化反應器(6)；其特征在于該處理裝置由預處理器(3)、待處理水儲槽(2)、泵(4)、流量計(5)、光催化反應器(6)、清水儲存箱(1)順序鏈接所構成；其中光催化反應器(6)主體為頂蓋能透紫外光的光反應器盒體(15)，光反應器盒體(15)內部被分隔成多個互連廊道(7)，廊道(7)的側壁和底部平板裝填固定膜催化劑 (8),透光板(14)置于光催化反應器盒體(15)上面。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種太陽能固定膜光催化氧化水處理裝置，其特征在于在透光板(14)上設有固定壓片(18)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種太陽能固定膜光催化氧化水處理裝置，其特征在于在透光板(14)與光催化反應器盒體(15)之間，以及透光板(14)與固定壓片(18)之間分別放置一層硅膠材料密封片(19)。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種太陽能固定膜光催化氧化水處理裝置，其特征在于固定膜催化劑(8)的裝填是由不銹鋼絲網制成的骨架(22)固定，裝填時將固定膜催化劑(8) 包覆于預先根據(jù)廊道尺寸做成的不銹鋼絲網骨架上(22)。光催化劑可以方便拆換。光催化劑組件可以多層疊置。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種太陽能固定膜光催化氧化水處理裝置，其特征在于光催化反應器(6)內裝填的固定膜催化劑(8)的長柱型骨架(23)采用不銹鋼、聚四氟乙烯、聚乙烯、ABS或PVC-U等耐氧化類塑料制成，在長柱型骨架上圍繞并包裹多層催化膜(8)組成光催化劑組件；與廊道長度相應的長柱型框架(23)由兩端的支架(24)和固結的支桿(25)組成。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種太陽能固定膜光催化氧化水處理裝置，其特征在于在光反應器盒體(15)、透光板(14)、固定壓片(18)和密封片(19)的相同位置設有固定孔，以固定螺栓(20 )和固定螺母(21)對透光板進行密封緊固。
全文摘要
一種太陽能固定膜光催化氧化水處理裝置，由清水儲存箱(1)、待處理水貯存箱(2)、預處理器(3)、泵(4)、流量計(5)和光催化反應器(6)組成。光反應器主體為頂蓋能透紫外光的盒子，內部被分隔成多個互連廊道(7),廊道(7)側壁和底部平板裝填2~5層固定膜催化劑(8)。催化劑(8)以特制不銹鋼絲網骨架(22)或長柱型骨架(23)將其支撐。該催化膜以部分透光的玻璃纖維網為載體，載體上負載永久性TiO2膜。本發(fā)明結構簡單、處理量大、反應速率高、運行費用低廉、操作方便、運行穩(wěn)定?？蓮V泛用于飲用水的深度處理和高純水的制備或有毒有害高濃度難降解有機廢水的處理。
文檔編號C02F9/04GK102180553SQ201110061859
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月15日 優(yōu)先權日2011年3月15日
發(fā)明者孫芹菊, 李杰瑞, 林少華, 荊肇乾, 計汝茜, 顧宗梁 申請人:南京林業(yè)大學