转筒式光催化反应器及其水处理方法.pdf

本发明公开了一种转筒式光催化反应器，包括水槽，紫外灯，转筒，所述水槽上设置有进水口和出水口，所述转筒的两端通过设置有轴承的支撑板与支架连接，所述转筒水平设置在所述水槽内，调速电机通过同步齿型带与转筒外壁上的齿轮咬合进行传动，所述转筒的内壁上涂有二氧化钛光催化剂薄层，所述紫外灯设置在所述水槽的一侧或两侧的开孔处，本发明是将反应器的主体部分设计成转筒式，在转筒上负载催化剂TiO2膜通过调节转筒的转速来改变处理废水和催化剂的分布，增加了催化剂、反应物和光源之间的接触面，占地面积小，催化剂表面液体更新速度快，本发明能耗低，处理成本低，处理条件温和，通常是在常温、常压下就可以脱色、降解，减少COD。

1.  一种转筒式光催化反应器，包括水槽，紫外灯，转筒，所述水槽上设置有进水口和出水口，其特征是所述转筒的两端通过设置有轴承的支撑板与支架连接，所述转筒水平设置在所述水槽内，调速电机通过同步齿型带与转筒外壁上的齿轮咬合进行传动，所述转筒的内壁上涂有二氧化钛光催化剂薄层，所述紫外灯设置在所述水槽的一侧或两侧的开孔处。

2.  根据权利要求1所述的一种转筒式光催化反应器，其特征是所述紫外灯的设置使其光线以θ角度照射在转筒的内壁上，所述θ角用下式表示：
arctg d 2 ( l + L ) < | θ | < arctg d 2 l ]]>
所述L为转筒的长度，所述l为紫外灯距转筒近端的距离，所述d为转筒的直径，所述θ角为紫外灯光源的入射角。

3.  一种转筒式光催化反应器，包括水槽，紫外灯，转筒，所述水槽上设置有进水口和出水口，其特征是所述转筒的一端通过中心轴与支撑架连接，所述转筒的另一端通过中心轴、支撑架与调速电机连接，所述转筒水平设置在所述水槽内，所述紫外灯设置在所述转筒的上方并与所述转筒平行，在所述紫外灯的上方设置有反光罩。

4.  一种处理水的方法，包括如下步骤：(1)向转筒式光催化反应器中加入含有TiO₂催化剂细粉的废水，所述转筒式光催化反应器，包括水槽，紫外灯，转筒，所述水槽上设置有进水口和出水口，所述转筒的一端通过中心轴与支撑架连接，所述转筒的另一端通过中心轴、支撑架与调速电机连接，所述转筒水平设置在所述水槽内，所述紫外灯设置在所述转筒的上方并与所述转筒平行，在所述紫外灯的上方设置有反光罩；(2)使转筒垂直高度的1/3～1/2浸没在废水中，开动所述调速电机，所述调速电机带动所述转筒旋转，并在转筒外表面形成一层厚度可调的浆态液膜；(3)打开紫外灯，让紫外光垂直照射到所述转筒外壁的浆态液膜上，所述废水中催化剂的投加比例为：0.2g/L～1.2g/L。

5.  根据权利要求4所述的一种处理水的方法，其特征是所述废水中催化剂的投加比例为：0.6g/L～1.0g/L。

转筒式光催化反应器及其水处理方法
技术领域
本发明涉及一种光催化水处理反应装置及相关的处理方法。
背景技术
光催化水处理技术以其适用性广、使用效率高的特点，正从实验室走向实际应用。此时，反应器设计已成为此项技术是否可以实现工业化的重要环节。光催化水处理反应器是将光源、催化剂和处理液融合为一体，并能使之成为最大限度地发挥光催化反应处理污水的场所，因此，它应具有使催化剂、处理液、光子充分接触的基本特性。处理强度大、处理成本低、适应性广是对光催化水处理反应器的基本要求。
目前，光催化水处理反应器主要有两大类：一类是将催化剂负载在载体上的固定床反应器(含膜反应器)，另一类是直接使用催化剂原粉细颗粒的淤浆床反应器。前者的催化剂制作成本高、透光性差，且不便于失活催化剂的更换；后者的催化剂悬浮在被处理液中，催化剂更新虽十分容易，但分离却有困难。光源的设置也有两种方法，一种是仅以空气为传播媒介的直接照射式；另一种是以透过紫外线较好的材质和空气共同作为传播媒介的间接照射式。此外，反应器可以制作成敞口的开放式结构，也可以是半封闭结构，通过曝气的方式提供氧源。由于反应装置有各种灵活的组合方式，势必会有优选的方案。催化剂、处理液和光的优良分布是反应器设计的优化目标。US6409928设计了一种负载膜的光催化反应器，CN1124986设计了带有机械提升装置的光催化反应器，既可用负载型催化剂，也可用于浆态体系。现有的反应器所具有的共同特点是：反应器的主体部分是静止的，处理液和催化剂的分布是依靠流体流速和加入或负载的催化剂量来加以调节的，这种调节方式会影响到反应器的处理量。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供转筒式光催化反应器。
本发明的另一个目的是提供采用转筒式光催化反应器进行水处理的方法。
第一种转筒式光催化反应器，包括水槽，紫外灯，转筒，所述水槽上设置有进水口和出水口，所述转筒的两端通过设置有轴承的支撑板与支架连接，所述转筒水平设置在所述水槽内，调速电机通过同步齿型带与转筒外壁上的齿轮咬合进行传动，所述转筒的内壁上涂有二氧化钛光催化剂薄层，所述紫外灯设置在所述水槽的一侧或两侧的开孔处。
所述紫外灯的设置使其光线以θ角度照射在转筒的内壁上，所述θ角用下式表示：
arctg d 2 ( l + L ) < | θ | < arctg d 2 l ]]>
所述L为转筒的长度，所述l为紫外灯距转筒近端的距离，所述d为转筒的直径。所述θ角为紫外灯光源的入射角。
第二种转筒式光催化反应器，包括水槽，紫外灯，转筒，所述水槽上设置有进水口和出水口，所述转筒的一端通过中心轴与支撑架连接，所述转筒的另一端通过中心轴、支撑架与调速电机连接，所述转筒水平设置在所述水槽内，所述紫外灯设置在所述转筒的上方并与所述转筒平行，在所述紫外灯的上方设置有反光罩。
一种处理水的方法，包括如下步骤：(1)向转筒式光催化反应器中加入含有TiO₂催化剂细粉的废水，所述转筒式光催化反应器，包括水槽，紫外灯，转筒，所述水槽上设置有进水口和出水口，所述转筒的一端通过中心轴与支撑架连接，所述转筒的另一端通过中心轴、支撑架与调速电机连接，所述转筒水平设置在所述水槽内，所述紫外灯设置在所述转筒的上方并与所述转筒平行，在所述紫外灯的上方设置有反光罩；(2)使转筒垂直高度的1/3～1/2浸没在废水中，开动所述调速电机，所述调速电机带动所述转筒旋转，并在转筒外表面形成一层厚度可调的浆态液膜；(3)打开紫外灯，让紫外光垂直照射到所述转筒外壁的浆态液膜上，所述废水中催化剂的投加比例为：0.2g/L～1.2g/L。
所述废水中催化剂的投加比例为：0.6g/L～1.0g/L。
本发明是将反应器的主体部分设计成转筒式，在转筒上负载催化剂TiO₂膜通过调节转筒的转速来改变处理废水和催化剂的分布，增加了催化剂、反应物和光源之间的接触面。而且与平板直射式反应器相比，具有占地面积小，催化剂表面液体更新速度快的特点。
此外，反应物与催化剂在离心力和重力的双重作用下，液体与催化剂接触更加充分。同时将目前普遍采用的内照射方式改变为直射式，转筒上催化剂膜表面地薄层液膜直接与光接触，从而加大了光照的区域。此组合方式既能有效地利用光能，又可将紫外光照射过程中在空气中产生的少量臭氧用于加速有机物的氧化降解。此外反应器的放大也比较容易。
本发明能耗低，只需少量催化剂，处理成本低。处理条件温和，通常是在常温、常压下就可以脱色、降解、减少COD，是一项理想的水净化工艺过程。
附图说明
图1为第一种转筒式光催化反应器结构示意图；
图2为第一种转筒式光催化反应器侧面示意图；
图3为第一种转筒式光催化反应器转筒转动光照示意图；
图4为第二种转筒式光催化反应器结构示意图；
图5为第二种转筒式光催化反应器侧面示意图；
图6为第二种转筒式光催化反应器转筒转动光照示意图；
图7为第一种转筒式光催化反应器中转筒与紫外灯相对位置示意图
图8为采用第二种转筒式光催化反应器的光催化效果图。
具体实施方式
第一种转筒式光催化反应器，包括水槽4，紫外灯2，转筒1，水槽4上设置有进水口6和出水口7，转筒1的两端通过设置有轴承的支撑板3与支架9连接，转筒1水平设置在水槽4内，调速电机5通过同步齿型带8与转筒1外壁上的齿轮咬合进行传动，转筒的内壁上涂有二氧化钛光催化剂薄层10，紫外灯2设置在水槽4的一侧或两侧的开孔处。
紫外灯2的光线以θ角度照射在玻璃管的内壁上，所述θ角用下式表示：
arctg d 2 ( l + L ) < | θ | < arctg d 2 l ]]>
当转筒1的长度L为5倍的转筒1直径d，光源2与转筒1近端距离l为1倍的d时，则θ角为
arctg 1 12 < | θ | < arctg 1 2 ]]>
即4.76°＜|θ|＜26.56°
第二种转筒式光催化反应器，包括水槽17，紫外灯12，转筒11，水槽17上设置有进水口14和出水口15，转筒11的一端通过中心轴与支撑架16连接，转筒11的另一端通过中心轴、支撑架16与调速电机18连接，转筒11水平设置在水槽17内，紫外灯12设置在转筒11的上方并与转筒11平行，在紫外灯12的上方设置有反光罩13。
实施例1
向第一种转筒式光催化反应器中加入初始浓度为5mg/L的4BS直接染料5L，经过7小时反应，4BS染料的脱色率达到63.98％。
实施例2
一种处理水的方法，包括如下步骤：(1)向第二种转筒式光催化反应器中加入含有TiO₂催化剂细粉的废水，所述转筒式光催化反应器，包括水槽17，紫外灯12，转筒11，水槽17上设置有进水口14和出水口15，转筒11的一端通过中心轴与支撑架16连接，转筒11的另一端通过中心轴、支撑架16与调速电机18连接，转筒11水平设置在水槽17内，紫外灯12设置在转筒11的上方并与转筒11平行，在紫外灯12的上方设置有反光罩13；(2)使转筒11垂直高度的1/3～1/2浸没在废水中，开动调速电机18，调速电机带动反应器转筒11旋转，并在转筒外表面形成一层厚度可调的液膜；(3)打开紫外灯12，让紫外光垂直照射到转筒11外壁的浆态液膜上，废水中催化剂的投加比例为：0.2g/L。光催化反应器转筒11为300mm，半径为81mm的圆柱形玻璃管，其内表面积为0.15m²。
实施例3
采用的方法步骤同实施例2，废水中催化剂的投加比例为：1.2g/L。
实施例4
采用的方法步骤同实施例2，废水中催化剂的投加比例为：0.6g/L。
实施例5
采用的方法步骤同实施例2，废水中催化剂的投加比例为：1.0g/L。
实施例6
采用第二种转筒式光催化反应器的光催化效果，废水中催化剂的投加比例为：0.2g/L
分别取一定量的黑色直接染料、耐晒翠绿、X-GRRL兰、X-GN艳橙染料，配成20mg.L^-1的溶液备用，测其吸光度。分别取上述溶液各5L，置于第二种转筒式光催化反应器内，应7小时，取样，测其色度的变化，实验结果如表1所示。
表1：不同染料的色度去除率