申请日2013.01.20
公开(公告)日2013.05.22
IPC分类号C02F1/32; C02F1/30
摘要
本发明涉及一种单罐容量大幅扩张的微波耦合光催化废水降解反应器，属于废水处理技术领域。现有的针对含有机污染物工业废水的微波光催化降解技术中，存在反应器单罐废水处理量偏小、重复操作频度高以及内部液体循环强度不足等问题，本案旨在兼顾所述耦合作用的前提下一揽子地解决上述问题。本案在反应器内部竖直地悬空架设金属材质的筒状构件，并将该筒状构件其腔管的上部区域以两片金属网进行隔断，将无极紫外灯连同其屏护用石英管一并移入所述腔管之内两片金属网之间的位置，石英管外壁与所述腔管内壁之间保持一定的距离，微波辐照被限制于所述腔管之内两片金属网之间的区域。该结构并且有助于强化液流循环。本案综合解决了所述问题。
权利要求书
1.单罐容量大幅扩张的微波耦合光催化废水降解反应器，该反应器的主体构 件是一个中空的金属容器，该金属容器其外形轮廓呈立方体形、长方体形、圆 柱体形、椭圆柱体形、多棱柱体形、球体形或椭球体形，该反应器的结构还包 括微孔曝气头，该微孔曝气头的数量是在一个以上，该微孔曝气头的装设位置 是在该金属容器的内腔底部，以及，石英管，该石英管架设在该金属容器的内 腔位置，该石英管的两端装设有封堵盖头，分别位于石英管两端的两个所述封 堵盖头上均开设有通气接口，以及，无极紫外灯，该无极紫外灯呈棒状、环状、 球状、海星状或海胆状，该无极紫外灯的数量至少在一个以上，该数量至少在 一个以上的无极紫外灯均架设在所述石英管的内部，以及，空气泵，该空气泵 装设于该金属容器的外部，所述石英管其一端封堵盖头上的通气接口经由通气 管道并透过该金属容器的顶部的壁与所述空气泵的出气口联通，所述石英管其 另一端封堵盖头上的通气接口经由另一条通气管道与位于该金属容器内腔底部 的微孔曝气头联通，以及，微波发生器，该微波发生器装设于该金属容器的外 部，该微波发生器是磁控管，以及，波导管，该波导管是用于传输微波的构件， 该波导管的一端与所述磁控管联通，该波导管的另一端透过该金属容器的顶部 的壁与该金属容器的内腔联通，以及，膜分离组件，该膜分离组件装设在该金 属容器的内腔位置，以及，水泵，该水泵位于该金属容器的外部，该膜分离组 件经由通水管道并透过该金属容器的侧壁与水泵的进水口联通，该水泵的出水 口与位于该金属容器外部的净水池联通，以及，另一台水泵，该另一台水泵位 于该金属容器的外部，该另一台水泵的出水口经由另一条通水管道并透过该金 属容器的侧壁与该金属容器的内腔联通，该另一台水泵的进水口与位于该金属 容器外部的污染水水池联通，该金属容器顶部开设有尾气排放口，其特征在于， 该波导管的透过该金属容器的顶部的壁的那一端进一步延伸进入该金属容器的 内腔，以及，该反应器的结构还包括一个金属材质的筒状构件，该筒状构件竖 直地悬空架设于该金属容器的内腔位置，该筒状构件的中轴线与该金属容器内 腔底面相互垂直，该筒状构件的下部其腔管管径逐渐膨大使得该筒状构件的轮 廓状似大头朝下的简易的喇叭筒，该筒状构件的内部通道的上部区域被一上一 下两片相互间隔并且平行装设的金属网所隔断，该一上一下两片金属网的网面 均平行于该金属容器内腔底面，结构位置位于上方的上片金属网其网面邻近该 筒状构件的上部端口或与该筒状构件的上部端口持平，所述石英管是架设在该 筒状构件内部通道其上部区域中由一上一下两片金属网隔断所形成的柱形空间 之内，所述石英管的中轴线与该筒状构件的中轴线相互重合，该波导管的深入 该金属容器内腔的那个端口透过上片金属网与该柱形空间联通，所述联通指的 是微波通道意义上的连接与贯通，所述通气管道以及所述另一条通气管道其安 装路径分别穿透上片金属网以及下片金属网，该筒状构件的上部端口与该金属 容器内腔腔顶的距离是介于20厘米与100厘米之间，该筒状构件的朝下的大头 端其端口边沿与该金属容器内腔侧壁之间的距离以及与该金属容器内腔底面之 间的距离均是介于5厘米与50厘米之间，所述微孔曝气头的装设位置是在该筒 状构件其大头端端口边沿在该金属容器内腔底面铅垂投影所圈定的范围之内， 所述膜分离组件的装设位置邻近该金属容器内腔底部。
2.根据权利要求1所述的单罐容量大幅扩张的微波耦合光催化废水降解反应 器，其特征在于，该筒状构件其材质是不锈钢。
3.根据权利要求1所述的单罐容量大幅扩张的微波耦合光催化废水降解反应 器，其特征在于，该金属网是不锈钢冲孔板或不锈钢丝编织而成的不锈钢丝网。
4.根据权利要求1所述的单罐容量大幅扩张的微波耦合光催化废水降解反应 器，其特征在于，该石英管的外壁与所述柱形空间的周围边界之间的距离介于 3.0厘米与30.0厘米之间。
5.根据权利要求4所述的单罐容量大幅扩张的微波耦合光催化废水降解反应 器，其特征在于，该石英管的外壁与所述柱形空间的周围边界之间的距离介于 10.0厘米与20.0厘米之间。
6.根据权利要求1所述的单罐容量大幅扩张的微波耦合光催化废水降解反应 器，其特征在于，在该金属容器的底部开设有排污口，该排污口用于排渣、清 污，在该排污口位置装设有排污阀，所述排污阀是用于排污控制的阀门。
说明书
单罐容量大幅扩张的微波耦合光催化废水降解反应器
技术领域
本发明涉及一种单罐容量大幅扩张的微波耦合光催化废水降解反应器，属 于C02F废水处理技术领域。
背景技术
微波光催化降解处理技术，作为一种有效的针对含有机污染物工业废水的 无害化处理技术，近年来发展迅猛。
关于微波光催化降解技术，作为一例，可以参见公开号为CN102260003A 的中国专利申请案。
该公开号为CN102260003A的中国专利申请案，是以微波作为激发源，激 发无极紫外灯发射紫外线，于液体内部照射掺有光催化剂二氧化钛的悬浊液， 该无极紫外灯被石英管所笼罩保护着，有空气泵向该石英管内腔持续注入空气， 由石英腔溢出的空气经由管道与位于反应器底部的微孔曝气头联通，该反应器 内部的下方区域为曝气区，该反应器内部的上方区域是微波光催化反应区，该 方案还以反应器内置的膜分离组件，来提析净化后的水，并以该膜分离组件实 现光催化剂二氧化钛微粒的截留再用;该方案还在无极紫外光源与膜分离组件 之间架设隔板，用于防止紫外线对有机质的膜分离组件的辐射损伤;通入反应 器内部的空气，部分直接参与依托光催化剂二氧化钛的光催化降解反应，还有 一部分空气，在紫外光的直接照射下，生成一定量的臭氧，该生成的臭氧当然 也发挥着针对有机污染物的直接的氧化降解作用。
该公开号为CN102260003A的中国专利申请案毫无疑问为微波光催化废水 降解技术的进步起到了不可忽视的推动作用，其研发人员在该领域所展开的工 作令人敬佩。
基于由衷的敬佩之意，以及，共同的努力方向，我们下面要谈的是问题。
我们知道，液态水体其本身也能够吸收微波的能量，并导致被处理的液态 水体其本身的温升效应，而这种伴随废水处理过程而出现的温升效应，却不是 我们所期待的情形，换句话说，来自磁控管的微波能量没有完全被用于激发无 极紫外灯，而有相当一部分本应只用于激发无极紫外灯的微波能量被耗散于所 述的温升效应，该种不受待见的温升效应造成了不必要的微波能量浪费，鉴于 上述公开号为CN102260003A的中国专利申请案所展示的装置结构方案，其合 理的途径，只能是通过减少微波光催化反应器的体积或者说减少单罐处理容量 来来达成弱化微波多余耗散的目的，关于这一点，在该CN102260003A申请案 其具体实施方式中清晰表达了关于该装置结构整体的适宜尺寸，其所表达的优 选尺寸对应的就是一个外形很小的装置，那么，如此一来，反应器内壁与微波 辐射源的距离小了，与微波接触的废水量小了，废水所吸收的微波能量相对也 小了，与之相对应地，单罐的废水处理量因此也小了，更具体地说，其实施例 中所表达的装置适宜尺寸所对应的内部容积是40升，也即单罐废水处理量是40 升，即0.04立方，换句话说，其一次全套、全程操作只解决了0.04立方的工业 废水，那么，就需要进行很多次的由首至尾的全套操作的重复，其处理量的累 加才具有工业规模的意义，打个比方说，只是个大致的比方，该案其优选结构 尺寸大致对应的单罐0.04立方这样的废水处理量，需要重复1000次的由首至尾 的全套、全程操作，其累加量，才能达到40立方这样一个具有工业水平的的废 水处理量，如此过度繁琐的重复操作将导致人力、物力的严重浪费，可见，该 种由CN102260003A所展示的方案其实际的废水降解处理效率可能不能尽如人 意。因此，如何在不造成更多微波能量浪费或减少微波能量浪费的前提下，增 加单罐废水处理量，减少该间歇式废水处理装置的不必要的太多的由首至尾的 重复操作次数，提高其废水处理效率，是一个有意义的值得关注的技术问题。
另一方面，据文献报道，某些体系，在微波直接辐照废水液体的情况下， 光化学催化降解效率确有提高，也就是说，在某些体系中，微波直接辐照废水 液体与光化学催化降解之间，存在一定的耦合作用。
因此，如何在兼顾所述耦合作用的前提下，提高废水降解装置的处理效率， 值得探讨。
此外，该种由CN102260003A所展示的方案，其反应罐内部漫布升腾的气 泡，对于推动反应罐内部液体的相对大尺度的循环运动，贡献稍显不足;当然， 该不足之处，对于CN102260003A方案如其具体实施方式中清晰表达的事实上 对应的小尺寸、小容量装置来说，几乎没有什么可观测的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，在兼顾所述耦合作用的前提下，研发一种 能够允许大幅提升反应罐设计容量、有助于减少不必要重复操作次数的新型的 废水微波光催化降解处理装置，并且，该新型装置其结构还应当能够捎带强化 反应罐内部液体的相对大尺度的循环运动。
本发明通过如下方案解决所述技术问题，该方案提供一种单罐容量大幅扩 张的微波耦合光催化废水降解反应器，该反应器的主体构件是一个中空的金属 容器，该金属容器其外形轮廓呈立方体形、长方体形、圆柱体形、椭圆柱体形、 多棱柱体形、球体形或椭球体形，该反应器的结构还包括微孔曝气头，该微孔 曝气头的数量是在一个以上，该微孔曝气头的装设位置是在该金属容器的内腔 底部，以及，石英管，该石英管架设在该金属容器的内腔位置，该石英管的两 端装设有封堵盖头，分别位于石英管两端的两个所述封堵盖头上均开设有通气 接口，以及，无极紫外灯，该无极紫外灯呈棒状、环状、球状、海星状或海胆 状，该无极紫外灯的数量至少在一个以上，该数量至少在一个以上的无极紫外 灯均架设在所述石英管的内部，以及，空气泵，该空气泵装设于该金属容器的 外部，所述石英管其一端封堵盖头上的通气接口经由通气管道并透过该金属容 器的顶部的壁与所述空气泵的出气口联通，所述石英管其另一端封堵盖头上的 通气接口经由另一条通气管道与位于该金属容器内腔底部的微孔曝气头联通， 以及，微波发生器，该微波发生器装设于该金属容器的外部，该微波发生器是 磁控管，以及，波导管，该波导管是用于传输微波的构件，该波导管的一端与 所述磁控管联通，该波导管的另一端透过该金属容器的顶部的壁与该金属容器 的内腔联通，以及，膜分离组件，该膜分离组件装设在该金属容器的内腔位置， 以及，水泵，该水泵位于该金属容器的外部，该膜分离组件经由通水管道并透 过该金属容器的侧壁与水泵的进水口联通，该水泵的出水口与位于该金属容器 外部的净水池联通，以及，另一台水泵，该另一台水泵位于该金属容器的外部， 该另一台水泵的出水口经由另一条通水管道并透过该金属容器的侧壁与该金属 容器的内腔联通，该另一台水泵的进水口与位于该金属容器外部的污染水水池 联通，该金属容器顶部开设有尾气排放口，重点是，该波导管的透过该金属容 器的顶部的壁的那一端进一步延伸进入该金属容器的内腔，以及，该反应器的 结构还包括一个金属材质的筒状构件，该筒状构件竖直地悬空架设于该金属容 器的内腔位置，该筒状构件的中轴线与该金属容器内腔底面相互垂直，该筒状 构件的下部其腔管管径逐渐膨大使得该筒状构件的轮廓状似大头朝下的简易的 喇叭筒，该筒状构件的内部通道的上部区域被一上一下两片相互间隔并且平行 装设的金属网所隔断，该一上一下两片金属网的网面均平行于该金属容器内腔 底面，结构位置位于上方的上片金属网其网面邻近该筒状构件的上部端口或与 该筒状构件的上部端口持平，所述石英管是架设在该筒状构件内部通道其上部 区域中由一上一下两片金属网隔断所形成的柱形空间之内，所述石英管的中轴 线与该筒状构件的中轴线相互重合，该波导管的深入该金属容器内腔的那个端 口透过上片金属网与该柱形空间联通，所述联通指的是微波通道意义上的连接 与贯通，所述通气管道以及所述另一条通气管道其安装路径分别穿透上片金属 网以及下片金属网，该筒状构件的上部端口与该金属容器内腔腔顶的距离是介 于20厘米与100厘米之间，该筒状构件的朝下的大头端其端口边沿与该金属容 器内腔侧壁之间的距离以及与该金属容器内腔底面之间的距离均是介于5厘米 与50厘米之间，所述微孔曝气头的装设位置是在该筒状构件其大头端端口边沿 在该金属容器内腔底面铅垂投影所圈定的范围之内，所述膜分离组件的装设位 置邻近该金属容器内腔底部。
所述筒状构件其轮廓形态或者也可描述为轮廓状似火力发电厂的冷却塔。
本案表述中，反应罐一词的指代含义与反应器一词的指代含义相同。
所述金属材质一词，其本身的技术含义，是公知的。
所述磁控管，以及，波导器件、波导管、波导头等等表达，其技术含义对 于微波技术领域的专业人员而言是公知的。所述磁控管，以及，波导管等，均 有市售;所述磁控管，以及，波导管等，也可以向专业厂家定制;所述波导管 当然也可以根据需要自行制作，该制作对于微波技术领域的专业人员而言，波 导器件的制作是简单的。
所述石英管，其技术含义是公知的;所述石英管市场有售。
所述无极紫外灯，其技术含义对于光源技术领域的专业人员而言是公知的; 所述无极紫外灯市场有售;所述无极紫外灯其形状、尺寸、内部所填充气体、 灯壁材料、灯壁厚度，等等，也可以根据具体设计需要，向电光源制造企业定 制。当然，也可以自行制作。无极紫外灯的制作对于具备电光源专业知识的专 业人员而言，其制作技术是简单的。
所述水泵、空气泵、微孔曝气头、膜分离组件等等，其技术含义对于其各 自相应的技术领域的专业人员而言，均是公知的，并且均有市售。
但凡金属材质均可以作为所述筒状构件的选用材质;但是，该筒状构件的 优选材质是不锈钢。
本案所述金属网可以是由任何金属材质制成的金属网;但是，鉴于废水降 解处理所涉强氧化性条件，该金属网优选不锈钢冲孔板或不锈钢丝编织而成的 不锈钢丝网。
结构位置位于所述柱形空间之内的该石英管其外壁与所述柱形空间的周围 边界之间的距离的优选值是介于3.0厘米与30.0厘米之间;该范围之内的任意 值都是优选的可用的距离值。当然，采取该优选范围之外的距离值，也是允许 的。
该石英管的外壁与所述柱形空间的周围边界之间的距离的更进一步的优选 范围是介于10.0厘米与20.0厘米之间;该范围之内的任意指定的值都是所述 更进一步优选的距离值。
在所述反应器的底部可以开设排污口，该排污口可以用于排渣、清污，在 该排污口位置可以装设排污阀，所述排污阀是用于排污控制的阀门。所述排污 口以及排污阀不是必须的。
应用本案装置，由所述金属容器底部鼓泡而上的含臭氧空气气泡流连同受 其拖拽着运动的废水液体，在该筒状构件的引导之下，透过下片金属网进入石 英管外壁与所述柱形空间的周围边界之间的区域，混有光催化剂二氧化钛微粒 的废水与含臭氧空气在此区域一并参与微波光化学耦合催化氧化降解作用，而 受到一定降解作用之后的废水，又可以顺势地透过上片金属网喷逸而出，随即 向四周扩散并作沉降运动，如此循环地、往复地、自动地不断进行着降解作用， 直至整个所述金属容器内部的全部废水都达到降解指标。
本案装置中，在所述柱形空间其周围边界与所述金属容器内壁之间的区域， 形成了一个不属于光化学与微波耦合催化降解的直接作用区域，由于微波基本 上无法影响到该区域，微波在这一区域因废水的单纯的致热吸收而造成的能量 无益耗散得以遏制，如此，无论该区域体积怎样扩大，都是允许的;基于此， 本案装置的结构，允许大幅度地扩张所述反应器的单罐设计处理容量，允许大 幅度地扩张反应器的体积，当然，是通过所述柱形空间其周围边界来限制微波 辐照空域，并大幅扩张所述柱形空间其周围边界与反应器内壁之间的空域的设 计体积来实现的。其它因素，例如，微波辐照功率、紫外光波长范围、紫外光 光强度的大小、光化学催化剂二氧化钛纳米粉或所使用的各型改性催化剂纳米 粉其本身的粒径、制备工艺、催化效能等等，也都会影响到本案装置的废水处 理能力，这些不是本案的重点。
本案装置的结构，还可以包括一些附件，所述附件例如：与磁控管冷却管 道连接的冷却水循环系统或风冷系统;所述附件还例如用于将无极紫外灯固定 在石英管之内的固定支架;所述附件也例如用于将筒状构件在所述金属容器之 内进行悬空定位的支持构件;所述附件当然也可以包括将所述石英管在所述柱 形空间之内进行悬空定位的支架或固定架或吊架;所述附件又例如装设于各个 液流及气流管道上的开关、阀门，等等。
所述内含无极紫外灯的石英管的数量不限。
所述膜分离组件的数量不限。
本发明的优点是，以金属材质的筒状构件配合两片所述金属网将无极紫外 灯及其屏护用石英管笼罩其内，该结构同时约束微波的作用空域，如此，在石 英管外壁与所述柱形空间的周围边界之间的空域形成了一个微波与光化学催化 耦合作用的废水降解区域，而且，两片所述金属网的多孔洞或多网眼的结构， 不影响废水及鼓泡而上的含臭氧空气气泡流自由进、出该空域;而在所述柱形 空间的周围边界与所述金属容器内壁之间的空域，废水水体对微波的单纯的致 热吸收被遏制，由此大幅弱化了微波能量的无益耗散;通过大幅扩张该无微波 辐照空域的设计体积，可以实现单罐反应器体积的大幅扩张，允许反应器单罐 废水处理量大幅提升，而不用再担心微波能量过多地耗散于无益的废水水体温 升效应。
基于本案的结构，装置的设计容积即单罐废水处理量可以扩张到数个立方 至数十个立方;甚至单罐数百个立方的容积，也是允许的;基于本案此结构， 可以大幅度地降低全套、全程操作的频度，有利于人力、物力的节约。
本案装置结构中的所述筒状构件其存在，并且能够引导所述金属容器内部 的液流沿该筒状构件的内部通道快速上升，并在通过微波光催化耦合反应区域 之后，由顶部区域向四周扩散，经由周边区域下沉，到达所述金属容器内腔底 部区域，再经筒状构件的喇叭口汇聚到该筒状构件的内部通道，继续其循环; 当然，受聚束的升腾气泡流的拖拽力量是这一循环的主要动力;这种受引导的 相对大尺度的液体循环运动，有助于确保反应器内部液体降解反应进程的均匀 化，这对于本案这般大型降解反应器来说，是必须的;另一方面，这种受引导 的相对大尺度的液体循环运动，也有助于阻止二氧化钛催化剂微粒的沉降。
本案方案在兼顾所述微波与光化学催化耦合作用的前提下，达成了反应器 设计容量大幅扩张的目标，同时，其结构还捎带强化了反应器内部液体的相对 大尺度的循环运动。