一种臭氧光催化反应器及水处理方法.pdf

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。
附图说明
图1是实施例1提供的臭氧光催化反应器的结构示意图；
其中，1-壳层；2-活性炭层；3-蜂窝状活性炭床层I；4-蜂窝状活性炭床层 II；5-透明石英管；6-进水口；7-进气口；8-紫外灯管；9-出水口；10-排气口； 11-气体分布器。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了， 所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
图1提供了一种臭氧光催化反应器包括壳层1，在壳层1内部由下至上依次 设置的：
(1)活性炭层2，所述活性炭层2为具有方孔孔径≤0.5cm的耐水蜂窝状 活性炭床，负载有≤5％，例如0.1％、2％、3.3％、4.4％等，优选0.1～5％的固体 催化剂，所述活性炭层的高度为1～5米；
其中，所述蜂窝状活性炭床优选交错放置，以增加待处理污水在活性炭层2 的传质效果，提高臭氧氧化的反应效率；所述交错放置为任一蜂窝状活性炭床 的孔壁对应相邻蜂窝状活性炭床的孔洞；
其中，活性炭层2的方孔孔径优选0.1～0.5cm，例如0.2cm、0.4cm等，当 方孔尺寸小于0.1cm时，活性炭层2的阻力太大，水流速度变小，一定程度影 响了处理效率；当方孔尺寸大于0.5cm时，传质效率变差，水处理效果变差。
活性炭层2负载的固体催化剂为能够用于臭氧氧化的过渡金属氧化物催化 剂，优选金属掺杂的臭氧氧化的过渡金属氧化物催化剂，特别优选为金属掺杂 的TiO2催化剂，进一步优选Ni、Fe、Cu、Mn中任意一种金属离子掺杂的TiO2催化剂。
活性炭层2负载的固体催化剂含量太低(＜0.1％)则臭氧分解不够，无法 充分发挥臭氧分解产生羟基自由基的作用，固体催化剂含量太高(＞5％)则臭 氧分解较彻底，污水流经蜂窝状活性炭床层I 3和蜂窝状活性炭床层II 4时，臭 氧浓度太低，无法发挥臭氧光催化作用，不利于中间产物深度去除。
在活性炭层2负载的固体催化剂的作用下，通入反应气的待处理污水发生 臭氧氧化反应，将待处理污水中的污物进行了初步处理。
(2)一个光氧化反应单元，所述光氧化反应单元包括由下至上设置的蜂窝 状活性炭床层I 3、紫外光源层和蜂窝状活性炭床层II 4；
其中，蜂窝状活性炭床层I 2厚度为5～20cmn，例如6cm、10cm、15cm等， 其中的方孔孔径为0.5～1cm，例如0.7cm、0.8cm等，负载有2～10％，例如3％、 5％、7％、9％等，优选2～6％的光催化固体催化剂；蜂窝状活性炭床层II 4厚度 为5～20cmn，例如6cm、10cm、15cm等，其中的方孔孔径为0.5～1cm，例如0.7cm、 0.8cm等，负载有5～20％，例如7％、10％、16％、19％等，优选5～10％的光催 化固体催化剂；且蜂窝状活性炭床层I 3和蜂窝状活性炭床层II 4为耐水蜂窝状 活性炭床；所述紫外光源层由外罩透明石英管5的圆柱形紫外灯管8水平排列 组成，所述紫外灯管的出射光强为10～1000mW/cm2，例如50mW/cm2、 120mW/cm2、350mW/cm2、700mW/cm2、850mW/cm2、900mW/cm2等；所述蜂 窝状活性炭床层I 3和蜂窝状活性炭床层II 4距离紫外光源透明石英管5的距离 独立的选自5～30cm，例如6cm、10cm、15cm、25cm等；
如果蜂窝状活性炭床层I 3和蜂窝状活性炭床层II 4的厚度太厚(如＞ 20cm)，距离光源层的距离太远，或者光源层功率太小等，导致光线没有照射到 蜂窝状活性炭床层I 3和蜂窝状活性炭床层II 4远离光源层一侧，则没有照射到 光线的区域将无法发生臭氧光催化反应，影响污水处理效率，造成活性炭层2 和负载在其上的催化剂的浪费；另一方面，如果蜂窝状活性炭床层I 3和蜂窝状 活性炭床层II 4的厚度太薄，距离光源层的距离太短，或者光源层功率太大等， 导致光能利用率低，造成能量损失。
如果蜂窝状活性炭床层II 4负载的光催化固体催化剂含量高，可使污水中臭 氧分解完全，强化蜂窝状活性炭床层I 3和蜂窝状活性炭床层II 4中臭氧光催化 反应，并且降低出水中臭氧浓度，避免二次污染；但如果过高，则造成浪费； 因此选择蜂窝状活性炭床层II 4负载的光催化固体催化剂含量优选5～10％。
在光氧化反应单元中，光源层发射的可见光和/或紫外光能够同时向上下两 个方向照射，在蜂窝活性炭床层3和蜂窝状活性炭床层4负载的光催化固体催 化剂的作用下，从活性炭层2过来的污水进一步发生臭氧光催化反应，使未降 解污染物和降解中间产物得到进一步的处理。
(3)反应器在活性炭层2的下方设置进气口7和进水口6，反应器蜂窝状 活性炭床层III 4的上方设置出水口9和排气口10；在所述活性炭层和进气口之 间设气体分布器11；
所述进气口7通入臭氧气体，进水口6通入待处理污水。
待处理污水依次流经活性炭层2发生吸附和臭氧氧化反应，蜂窝活性炭床 层Ⅱ3发生吸附、臭氧氧化、光催化和臭氧光催化反应，紫外光层发生光化学 反应，蜂窝活性炭床层Ⅲ4发生吸附、光催化、臭氧氧化和臭氧光催化反应， 水中污染物经过多阶段的不同反应，达到深度去除的目的。
实施例1提供的臭氧光催化反应器的工作原理如下：
臭氧从进气口7进入反应器底部，待处理污水通过进水口6进入反应器底 部，从进气口7通入的臭氧经过气体分布器11后与待处理污水均匀混合，然后 流经蜂窝活性炭床层2；活性炭层2由许多耐水蜂窝活性炭堆积而成，内部为孔 径小于0.5cm的方孔，孔壁负载固体催化剂为金属离子掺杂的TiO2催化剂；活 性炭层2内形成大量交错排列的水流通道，有助于污水、臭氧和负载催化剂充 分接触；在每个方孔通道内发生臭氧氧化反应，孔壁上发生污染物吸附和催化 臭氧氧化反应；臭氧在孔壁上分解产生羟基自由基、超氧自由基和单线态氧等 氧化物种，氧化分解污水中有机污染物；因此在活性炭层2内发生吸附、臭氧 氧化、催化臭氧氧化反应，污水中有机污染物被氧化成中间产物、水和二氧化 碳。
污水流过活性炭层2后，进入层高5～20cm的蜂窝活性炭床层I 3；紫外光 从蜂窝活性炭床层I 3顶部向下照射，在蜂窝活性炭床层I 3的方孔中发生光化 学反应，在蜂窝活性炭床层I 3的方孔孔壁发生吸附、臭氧氧化、臭氧光催化等 反应，形成光生空穴、羟基自由基、超氧自由基等氧化物种，进一步分解污水 中的有机污染物和活性炭层2中反应形成的中间产物。
污水流出蜂窝活性炭床层I 3后进入紫外光区，在紫外光照下发生光化学反 应和臭氧反应，未分解完全的臭氧继续氧化污染物，臭氧气体中的臭氧和氧气 还可作为光生电子捕获剂，提高紫外光照下光生空穴的产率，形成氧化能力强 的空穴也有助有机污染物进一步氧化分解。
污水最后流入蜂窝活性炭床层II 4，蜂窝活性炭床层II 4的结构与蜂窝活性 炭床层I 3非常接近，但孔道内壁负载催化剂含量更高；由于臭氧经过三个反应 区域后浓度已大大降低，因此蜂窝活性炭床层II 4内负载含量更高的催化剂，使 臭氧分解更彻底，避免出水中溶解的臭氧造成二次污染；蜂窝活性炭床层II 4 内发生的反应也与蜂窝活性炭床层I 3相同，包括吸附、臭氧氧化、臭氧光催化 等反应，产生的光生空穴、羟基自由基、超氧自由基等氧化物种，深度矿化有 机污染物及前段形成的氧化中间产物。
污水流出蜂窝活性炭床层II 4后，尾气从顶部的排气口10排出，处理之后 的水从上部的出水口9流出。
实施例2
提供一种臭氧光催化反应器，与实施例1的区别在于，设置两个光氧化反 应单元，两个光氧化反应单元中的光源为可见光光源；两个光氧化反应单元一 共有四个蜂窝活性炭床层，其厚度由下至上依次为5～10cm，5～10cm，5～20cm， 5～20cm；四个床层均负载金属离子掺杂TiO2催化剂，其负载的固体催化剂含量 量依次为2～10％，2-10％，5-20％，优选2-4％，2-4％，5-10％。
应用例1
使用实施例1提供的臭氧光催化反应器进行污水处理，污水通入量为1m3/h， 污水COD为150mg/L，臭氧通入量为120g/h；处理后，污水中COD<50mg/L。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺 流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明 必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应 该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的 添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。