申请日2015.01.19
公开(公告)日2015.05.13
IPC分类号C02F1/30; C02F1/78; C02F1/28; C02F1/32
摘要
本发明涉及一种臭氧光催化反应器，包括：(i)壳层;(ii)设置于壳层内部的活性炭层;(iii)在壳层内部，活性炭层上方至少设置一个光氧化反应单元;所述光氧化反应单元由下至上依次包括蜂窝状活性炭床层I、光源层和蜂窝状活性炭床层II;其中，在活性炭层下方的壳层上设置进气口和进水口;在光氧化反应单元上方的壳层上设置出水口和排气口;所述活性炭层、至少一个蜂窝状活性炭床层I和至少一个蜂窝状活性炭床层II负载有固体催化剂。本发明提供的反应器充分利用了臭氧氧化和臭氧光催化处理 污水，处理时间短，处理效率高。
权利要求书
1.一种臭氧光催化反应器，其特征在于，所述反应器包括：
(i)壳层;
(ii)设置于壳层内部的活性炭层;
(iii)在壳层内部，活性炭层上方至少设置一个光氧化反应单元;所述光氧 化反应单元由下至上依次包括蜂窝状活性炭床层I、光源层和蜂窝状活性炭床层 II;
其中，在活性炭层下方的壳层上设置进气口和进水口;在光氧化反应单元 上方的壳层上设置出水口和排气口;
所述活性炭层负载有固体催化剂;所述至少一个蜂窝状活性炭床层I和至少 一个蜂窝状活性炭床层II负载有光催化固体催化剂。
2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，设置蜂窝状活性炭床层I和 蜂窝状活性炭床层II的光线透过率满足预定百分比;
优选地，设置于壳体内的活性炭层、至少一个蜂窝状活性炭床层I和至少一 个蜂窝状活性炭床层II上负载的固体催化剂的含量由下至上依次增加。
3.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，所述活性炭层为蜂窝状 活性炭床、蜂窝陶瓷或颗粒活性炭中的任意1种，优选蜂窝状活性炭床，进一 步优选耐水蜂窝状活性炭床;
优选地，蜂窝状活性炭床层I和蜂窝状活性炭床层II均为耐水蜂窝状活性 炭床;
优选地，所述蜂窝状活性炭床具有方孔;
优选地，所述活性炭层的蜂窝状活性炭床的方孔尺寸≤0.5cm，优选 0.1～0.5cm;所述蜂窝状活性炭床层I和蜂窝状活性炭床层II的方孔孔径独立地 选自0.5～1cm。
4.如权利要求1～3之一所述的反应器，其特征在于，所述光源层为能够发 射可见光和/或紫外光的光源，优选紫外光源;
优选地，所述光源层的光源外罩有石英保护罩。
5.如权利要求1～4之一所述的反应器，其特征在于，所述光催化固体催化 剂为TiO2和/或金属掺杂的TiO2;所述掺杂金属优选自Ni、Fe、Cu、Mn中任意 一种或至少两种的组合;
优选地，所述固体催化剂选自固体臭氧氧化催化剂，优选用于臭氧氧化的 过渡金属氧化物催化剂;特别优选TiO2催化剂、CuO催化剂、MnO2催化剂、 NiO催化剂或Fe2O3催化剂中的任意一种或至少两种的组合;
优选地，所述活性炭层负载的固体催化剂含量≤5%，优选0.1～5%;
优选地，当反应器只含有一个光氧化反应单元时，所述蜂窝状活性炭床层I 负载的光催化固体催化剂含量2～10%，优选2～6%;所述蜂窝状活性炭床层II 负载的光催化固体催化剂含量5～20%，优选5～10%。
6.如权利要求1～5之一所述的反应器，其特征在于，所述活性炭层的厚度 占活性炭层和光氧化反应单元高度之和的20%-95%，优选30～80%。
7.如权利要求1～6之一所述的反应器，其特征在于，当所述活性炭层为蜂 窝状活性炭床时，蜂窝状活性炭床交错设置。
8.如权利要求1～7之一所述的反应器，其特征在于，壳层内部，在活性炭 层下方，进气口上方还设置有气体分布器。
9.如权利要求1～8之一所述的反应器，其特征在于，所述反应器由下至上 依次设置：
活性炭层，所述活性炭层为具有方孔孔径≤0.5cm的蜂窝状活性炭床，负载 有含量不超过0.5%的固体催化剂;
厚度为5～20cmn的蜂窝状活性炭床层I，所述蜂窝状活性炭床层I的方孔孔 径为0.5～1cm，负载有2～10%的固体催化剂;
由外罩透明石英管的圆柱形紫外灯管水平排列组成的紫外光源层，所述紫 外灯管的出射光强为10～1000mW/cm2;
厚度为5～20cmn的蜂窝状活性炭床层II，所述蜂窝状活性炭床层II的方孔 孔径为0.5～1cm，负载有5～20%的固体催化剂;
反应器在活性炭层的下方设置进气口和进水口，反应器蜂窝状活性炭床层 III的上方设置出水口和排气口;
所述蜂窝状活性炭床层I和蜂窝状活性炭床层II与紫外光源层的距离独立 地选自5～30cm。
说明书
一种臭氧光催化反应器及水处理方法
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种臭氧光催化反应器及使用其进 行水处理的方法。
背景技术
我国水污染形势严峻，许多地区长期受水污染困扰，严重危害居民健康和 工业可持续发展。随着2015年1月1日开始实施新环保法，我国对废水深度处 理的要求越来越迫切，特别是难降解工业废水的处理难题。
当前，以好氧、厌氧技术组合形成的生物法是去除有机污染物最廉价有效 的方法，但对生物毒性大的污染物无能为力，后续需增加物理化学处理单元。 高级氧化法是最具前景的深度处理方法，通过外加能量场、光照、药剂等，产 生氧化能力强的羟基自由基深度矿化污染物，产物为无害的水和二氧化碳。高 级氧化法包括芬顿氧化法、光催化法、臭氧氧化法、湿式催化氧化法、超临界 水氧化、超声氧化法等，各种方法都存在一定的优缺点。例如，芬顿法处理流 程简单，氧化能力较强，但要求酸性环境，并且产生大量铁泥;光催化法反应 速率慢，短期内无法克服工业应用成本高的难题;湿式催化氧化要求高温高压， 仅适用于浓度非常高、水量小的污水处理过程。臭氧氧化法操作条件温和，氧 化能力较强，在市政污水消毒和工业废水处理中得到一定应用，但效率和成本 还需进一步提高。
提高臭氧氧化效率有两种途径：高效催化剂开发和新反应过程设计。大量 论文、专利公开了高效臭氧氧化催化剂开发过程，如CN102029165A和 CN102049253A分别公布了适用于水处理的不同臭氧氧化催化剂制备方法。新反 应过程主要指臭氧与其他反应分离过程耦合，如臭氧与陶瓷膜过滤、光催化、 过氧化氢等结合，可在一定程度上提高臭氧氧化过程的氧化能力。
CN101497014公开了一种新型光催化臭氧化流化床反应装置及水处理方 法，其使用至少两个装置，通过反应装置切换用臭氧尾气再生水中流化态的催 化剂，解决催化剂污染及臭氧尾气污染浪费等问题，相对水处理效果而言，臭 氧利用效率偏低。
CN201762164U采用气提方法使活性炭悬浮在反应器中，但出水时需截留活 性炭颗粒，且活性炭对紫外光吸收强，光催化效率偏低。
现有技术采用臭氧光催化处理工业废水，会产生大量羟基自由基，相互间 无效湮灭影响了处理效率;且臭氧虽然对含不饱和键的污染物氧化能力强，但 对双键断裂后形成的羧酸类中间产物去除能力有限。而另一方面，光催化用紫 外灯管寿命较短，大量使用紫外光源会提高处理成本。
因此，本领域亟待开发一种臭氧光催化反应器，其反应效率较高，对污水 处理能力强，且制作成本低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种臭氧光催化反应器， 所述反应器污水处理效率高，制作成本低。
本发明目的之一通过如下方案实现：
一种臭氧光催化反应器包括：
(i)壳层;
(ii)设置于壳层内部的活性炭层;
(iii)在壳层内部，活性炭层上方设至少置一个光氧化反应单元;所述光氧 化反应单元由下至上依次包括蜂窝状活性炭床层I、光源层和蜂窝状活性炭床层 II;
其中，在活性炭层下方的壳层上设置进气口和进水口;在光氧化反应单元 上方的壳层上设置出水口和排气口;
所述活性炭层负载有固体催化剂;所述至少一个蜂窝状活性炭床层I和至少 一个蜂窝状活性炭床层II负载有光催化固体催化剂。
本发明将臭氧氧化和臭氧光催化两种水处理过程集成在同一个反应器中， 利用臭氧氧化对含不饱和键污染物的强氧化能力，和臭氧光催化和光催化对羧 酸类污染物的强去除能力，巧妙设计反应器，提高了臭氧和紫外光的匹配度， 克服了现有技术污水处理效率低，设备成本高的缺点。
优选地，本发明设置蜂窝状活性炭床层I和蜂窝状活性炭床层II的光线透 过率满足预定百分比。
所述预定百分比根据实际情况进行选择，可以是0～3%、0～5%、0.1～4%、 0.2～5%、0.3～10%等。
本领域技术人员可以通过调节蜂窝状活性炭床层I和蜂窝状活性炭床层II 的厚度，两者与光源层的距离，以及光源层的功率来实现蜂窝状活性炭床层I 和蜂窝状活性炭床层II的光线透过率满足预定百分比的目的。
优选地，设置于壳体内的活性炭层、至少一个蜂窝状活性炭床层I和至少一 个蜂窝状活性炭床层II上负载的固体催化剂的含量依次增加。
优选地，本发明所述活性炭层为蜂窝状活性炭床、蜂窝陶瓷或颗粒活性炭 颗粒中的任意1种，优选蜂窝状活性炭床，进一步优选耐水蜂窝状活性炭床。
优选地，蜂窝状活性炭床层I和蜂窝状活性炭床层II均为耐水蜂窝状活性 炭床。
优选地，所述蜂窝状活性炭床具有方孔。
作为优选，活性炭层的设置要求传质效果好。当选择蜂窝状活性炭床作为 活性炭层时，要求其方孔尺寸≤0.5cm，优选0.1～0.5cm;且优选蜂窝状活性炭 床交错放置。
作为优选，蜂窝状活性炭床层I和蜂窝状活性炭床层II的设置要求具有合 适的透光性和良好的传质效果。所述蜂窝状活性炭床层I的方孔孔径为0.5～1cm， 所述蜂窝状活性炭床层II的方孔孔径为0.5～1cm。
优选地，本发明所述光源层为能够发射可见光和/或紫外光的光源，优选紫 外光源。
优选地，所述光源层的光源外罩有石英保护罩。石英保护罩的作用是避免 光源与污水接触，降低安全风险，减少光损失。
优选地，本发明所述光催化固体催化剂为TiO2和/或金属掺杂的TiO2;所述 掺杂金属优选自Ni、Fe、Cu、Mn中任意一种或至少两种的组合;
优选地，所述固体催化剂选自固体臭氧氧化催化剂，优选用于臭氧氧化的 过渡金属氧化物催化剂;特别优选TiO2催化剂、CuO催化剂、MnO2催化剂、 NiO催化剂或Fe2O3催化剂中的任意一种或至少两种的组合;。
优选地，所述活性炭层负载的固体催化剂含量≤5%，优选0.1～5%。
优选地，当只含有一个光氧化单元时，所述蜂窝状活性炭床层I负载的固体 催化剂含量2～10%，优选2～6%。
优选地，当只含有一个光氧化单元时，所述蜂窝状活性炭床层II负载的固 体催化剂含量5～20%，优选5～10%。
优选地，所述活性炭层的厚度占活性炭层和光氧化反应单元高度之和的 20～95%，优选30～80%。
优选地，壳层内部，在活性炭层下方，进气口上方还设置有气体分布器。
作为优选技术方案，所述反应器由下至上依次设置：
活性炭层，所述活性炭层为具有方孔孔径≤0.5cm的蜂窝状活性炭床，负载 有含量不超过0.5%的固体催化剂;
厚度为5～20cmn的蜂窝状活性炭床层II，所述蜂窝状活性炭床层II的方孔 孔径为0.5～1cm，负载有2～10%的固体催化剂;
由外罩透明石英管的圆柱形紫外灯管水平排列组成的紫外光源层，所述紫 外灯管的出射光强为10～1000mW/cm2;
厚度为5～20cmn的蜂窝状活性炭床层II，所述蜂窝状活性炭床层II的方孔 孔径为0.5～1cm，负载有5～20%的固体催化剂;
反应器在活性炭层的下方设置进气口和进水口，反应器蜂窝状活性炭床层 III的上方设置出水口和排气口;
所述蜂窝状活性炭床层I和蜂窝状活性炭床层II与紫外光源层的距离独立 地选自5～30cm。
本发明目的之二是提供一种利用目的之一所述臭氧光催化反应器处理废水 的方法。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)充分利用了臭氧氧化和臭氧光催化来处理污水，处理效率高，其每小 时进水量不低于反应器空体积的4倍，处理时间在15min以内;处理结果优良， 对污水中难降解污染物有很好的矿化效果;
(2)反应器内的催化剂为固体催化剂，无需额外回收，降低了设备成本和 操作成本;另外，由于充分实现了臭氧氧化和臭氧光催化的匹配，大大减少了 光源的数量，进一步降低了设备成本;再次，反应器的水处理效率提高，处理 单位体积污水的设备尺寸大幅降低;最后，作为优选在光源外加入保护罩，提 高了光源的寿命，进一步降低了设备的成本。