专利名称：利用纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器的循环水处理装置及工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于环保技术领域，特别是一种利用纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器的 循环水处理装置及工艺。
背景技术：
半导体光催化氧化技术可以在紫外光照射下产生强氧化性自由基，快速无选择性 地氧化分解水中各种有毒有机污染物，并可迅速杀灭水中的细菌和病毒，且不带来二次污 染，操作简单，能耗低，在水处理领域应用前景十分广阔。在众多半导体光催化剂中，二氧化钛因光催化活性高、无毒无害，而备受关注。但 二氧化钛的传统应用形态主要为纳米粉、薄膜和负载，均存在难以克服的缺陷，如纳米粉反 应后与水分离回收困难，薄膜和负载比表面和活性低、易脱落，因此大大限制了其实际应 用。纳米晶二氧化钛纤维的出现，则有望解决上述问题。由于其长径比极大的纤维形态优 势，可以方便地设计填充式反应器，水可以直接流经纤维发生光催化反应，然后直接分离； 同时，由于纤维本体即为二氧化钛纳米晶粒和纳米气孔共存的多晶体组织，比表面积大，光 催化活性高，且在水中呈分散交织的三维分布状态，水和紫外光从间隙穿过反应，接触面积 大，光催化效率高，因此有望实现高效连续的水处理工艺，具有重要的实际应用价值。专利 CN. 200410024265. 1和CN. 201010144227. 5已发明了纳米晶二氧化钛纤维的制备方法，解 决了材料的来源问题。要实现高效连续的纳米晶二氧化钛纤维光催化水处理，首先应进行纳米晶二氧化 钛纤维光催化反应器的主体结构优化设计，其次要利用该反应器组成一套简便有效的水循 环工艺。进行纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器的主体结构优化设计时，需重点考虑以下 问题①如何在保证较大处理水量的同时，降低水和纤维接触范围内的水流速度，避免因水 流过急导致纤维断碎、流失；②如何最大限度地利用紫外光，降低光损耗，且实现光在反应 器内均勻照射；③反应器应结构简单、制作装配方便、造价低。现有技术尚未能全部且很好地解决上述问题，如专利CN. 200720021917. 5、 CN. 200720030678. χ和CN. 201010105477. 8所公开的几种类型的二氧化钛纤维光催化反应
装置，未充分考虑大流速水流冲击纤维的问题，特别是在出水口处，由于直接在反应器壁设 出水口，导致水流截面积突然缩小，水流速在出水口处急剧加快，极易携带纤维流出水口 ； 紫外光照射采用光纤传输太阳光紫外线，存在光传输损耗大、发光点不均勻、成本高的问 题，或采用紫外灯源在反应器上方照射，光浪费较严重；反应器整体存在结构复杂、纤维装 配不方便、造价高等问题。此外，光催化反应的进行还必须要有O2参与，而上述专利均未考 虑这一问题。现有技术也尚未利用二氧化钛纤维光催化反应器组成一套完整的水处理工 艺。
发明内容
本发明针对现有技术缺陷，提供了一种结构合理、安装方便、造价低的纳米晶二氧 化钛纤维光催化反应器，并利用该反应器组成一套完整的循环水处理装置及工艺，可进行 较大流量的高效化、连续化循环水处理作业。实现本发明目的的技术解决方案为一种利用纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器 的循环水处理装置由纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器、储水池、水泵、第一阀门、流量计、 第二阀门和喷淋曝气头构成水循环回路；其中，储水池出水口与水泵进水口相连，水泵出水 口分为两路，其中一路与第一阀门连接，另一路与第二阀门相连，第一阀门与流量计进水口 相连，流量计出水口与纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器进水口相连，纳米晶二氧化钛纤 维光催化反应器出水口通过管道通向储水池上方，第二阀门与喷淋曝气头相连，喷淋曝气 头位于储水池上方。具体的工艺流程如下将含有机污染物的废水注入储水池内，开启水泵和紫外灯， 废水则从储水池左端经水泵泵出，泵出的水分为左右两路，其中左路水经第一阀门调节流 量后流经流量计，通过括径圆锥形进水管口流入纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器的内 筒，由于进水管口的直径逐渐扩大，水流横截面积相应扩大，水流速度显著降低，再经多孔 布流板和有机纤维棉过滤层进一步均勻布流后，水流平稳缓慢上升，流经被紫外灯照射的 纳米晶二氧化钛纤维的间隙，在纤维表面发生光催化反应，水中有机污染物得以降解和矿 化，水流上升至内筒上方，经有机纤维棉过滤层过滤后，沿内筒的上口周圈溢流而下，流至 内筒和外筒的间隙底部，经出水管口流出反应器，最后自流回储水池的右端；水泵泵出的 右路水经第二阀门控制流量后，直接到达储水池右上方的喷淋曝气头，从喷淋曝气头的多 个小孔射流喷出，进行曝气充氧，富含溶解氧的废水喷入储水池右端，再流向左端经水泵泵 出，形成循环。本发明与现有技术相比，其显著优点(1)通过独特的进水扩径减速、均勻布流和内筒上口周圈溢流出水结构设计，在 保证较大过水流量的同时，避免了水流流速过快导致纤维断碎流失。废水经括径圆锥形进 水管口进入反应器内筒时，水流截面积扩大数十倍，使水流流速大大减缓，再经多孔布流板 和有机纤维棉过滤层均勻布流，确保水流上升平稳缓慢，不会对二氧化钛纤维造成冲刷破 坏作用；反应器的出水，不是直接在器壁开设出口，而是沿反应器内筒上口周圈溢流而出， 大大增加了出水流通面积，并设有有机纤维棉过滤层过滤阻挡，确保纤维不会随出水流失。 若直接在器壁开设出口，因水流截面积突然变小，管口流速急剧增加，会携带纤维流出反应器。(2)最大限度地利用了紫外光，几乎无光损耗。紫外灯置于反应器轴心位置，所发 出的紫外光呈辐射状射出，可被外围的纳米晶二氧化钛纤维层层吸收，光照均勻，光利用率 极高。(3)充分考虑了在光催化反应进行的同时，对处理废水进行喷淋充氧。光催化氧 化反应进行时，O2的参与极其重要，吸附于催化剂表面上的氧是光生电子e—的主要俘获剂， 是e_的有效接受体，氧与e_的还原反应不仅生成表面光催化氧化反应所需的羟基自由基 (· 0H)，而且为空穴提供所需的0!1_和H2O,进一步生成· 0H，形成一个良性的表面光催化过 程，减少半导体光催化剂表面电子_空穴对的复合率，大大提高反应速率。
本发明通过将水泵出水分为两路，其中一路进行喷淋曝气充氧，富含溶解氧的废 水再来进行光催化反应，效率大大提高。(4)本发明的纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器结构简单，装配方便，造价低。(5)本发明的纳米晶二氧化钛纤维光催化循环水处理工艺光催化效率高、能耗低， 可进行较大流量的连续化水处理，具有重要的实用价值。
图1是本发明利用纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器的循环水处理装置与工艺 的流程示意图。图2是本发明纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器横截面示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明。结合图1，本发明利用纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器的循环水处理装置，由纳 米晶二氧化钛纤维光催化反应器1、储水池2、水泵3、第一阀门4、流量计5、第二阀门6和喷 淋曝气头7构成水循环回路；其中，储水池2出水口与水泵3进水口相连，水泵3出水口分 为两路，其中一路与第一阀门4连接，另一路与第二阀门6相连，第一阀门4与流量计5进 水口相连，流量计5出水口与纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器1进水口相连，纳米晶二氧 化钛纤维光催化反应器1出水口通过管道通向储水池2上方，第二阀门6与喷淋曝气头7 相连，喷淋曝气头7位于储水池2上方。纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器1由外筒10、内筒11、石英管12、紫外灯13、纳 米晶二氧化钛纤维14、进水管口 15、多孔布流板16、出水管口 17、有机纤维棉过滤层18和 石英管夹具19构成，其具体构造为外筒10、内筒11和石英管12由外而内呈同心圆布置； 外筒10和内筒11均为直形圆筒，竖向放置，两者上口均为通口，且外筒10上口高度高于内 筒11上口高度，外筒10下口高度也高于内筒11下口高度，外筒10下口设有一出水管口 17， 外筒10与内筒11之间的环形间隙底部周圈封闭；进水管口 15呈直径逐渐扩大的圆锥形 状，并与内筒[11]下口相连，交界处设有多孔布流板16，多孔布流板16为均勻布有l_3mm 小孔的圆形平板，达到均勻分布水流的作用，多孔布流板16上方铺设一层有机纤维棉过滤 层18-1，起到过滤进水和进一步均勻布流的作用；沿内筒轴心方向设有石英管12，石英管 12下口封闭，石英管12最底部与有机纤维棉过滤层18-1接触，石英管12上口为通口，石英 管12上口高度高于外筒10上口高度；石英管12内置有紫外灯13 ；内筒11和石英管12之 间(从有机纤维棉过滤层18-1向上至接近内筒11上口之间的区域)填充纳米晶二氧化钛 纤维14，内筒11上口出水位置(即纳米晶二氧化钛纤维14顶部)再铺设一层有机纤维棉 过滤层18-2，起到过滤出水和阻挡纳米晶二氧化钛纤维随水流失的作用。本发明利用纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器的循环水处理工艺，其具体工艺流 程为将含有机污染物的废水(预先经过过滤处理，不含固体悬浮物)注入储水池2内，开 启水泵3和紫外灯13，废水则从储水池2左端经水泵3泵出，泵出的水分为左右两路，其中 左路水经第一阀门4调节流量后流经流量计5，通过括径圆锥形进水管口 15流入纳米晶二 氧化钛纤维光催化反应器1的内筒11，由于进水管口 15的直径逐渐扩大，水流横截面积相应扩大，水流速度显著降低，再经多孔布流板16和有机纤维棉过滤层18-1进一步均勻布流 后，水流平稳缓慢上升，流经被紫外灯13照射的纳米晶二氧化钛纤维14的间隙，在纤维表 面发生光催化反应，水中有机污染物得以降解和矿化，水流上升至内筒11上方，经有机纤 维棉过滤层18-2过滤后，沿内筒11的上口周圈溢流而下，流至内筒11和外筒10的间隙底 部，经出水管口 17流出反应器1，最后自流回储水池2的右端；水泵3泵出的右路水经第二 阀门6控制流量后，直接到达储水池2右上方的喷淋曝气头7，从喷淋曝气头7的多个小孔 射流喷出，进行曝气充氧，富含溶解氧的废水喷入储水池2右端，再流向左端经水泵3泵出， 形成循环，循环一定时间后，废水中所含有机物可全部降解，直至彻底矿化为CO2和H20。本发明原理如下本发明的工艺流程中，废水经括径圆锥形进水管口进入反应器内筒时，水流截面 积扩大数十倍，使水流流速大大减缓，再经多孔布流板和有机纤维棉过滤层均勻布流，确保 水流上升平稳缓慢，不会对二氧化钛纤维造成冲刷破坏作用；反应器的出水，不是直接在器 壁开设出口，而是沿反应器内筒上口周圈溢流而出，大大增加了出水流通面积，并设有有机 纤维棉过滤层过滤阻挡，确保纤维不会随出水流失。若直接在器壁开设出口，因水流截面积 突然变小，管口流速急剧增加，会携带纤维流出反应器。本发明在充分考虑了在光催化反应进行的同时，对处理废水进行喷淋充氧。光催 化氧化反应进行时，O2的参与极其重要，吸附于催化剂表面上的氧是光生电子e_的主要俘 获剂，是e_的有效接受体，氧与e_的还原反应不仅生成表面光催化氧化反应所需的羟基自 由基(· 0H)，而且为空穴提供所需的Off和H2O,进一步生成·0Η，形成一个良性的表面光催 化过程，减少半导体光催化剂表面电子_空穴对的复合率，大大提高反应速率。其反应机理 如下02+Ti02 (el — TiO2+ · 02_· 02>2H20+Ti02 (e，— Τ 02+Η202+20ΓH202+Ti02 (el — TiO2+ · OH+OFTiO2 (h+) +H2O — Ti02+H++ · OHTiO2 (h+) +OF — TiO2+ · OH下面结合实施例对本发明作进一步说明。反应器外筒高度450mm，直径150mm，内筒高度400mm，直径110mm，轴心石英管高度 500mm,直径55mm，内置36W中压汞灯，填充135g纳米晶二氧化钛纤维，采用20w水泵，调节 反应器过水流量为7L/min，内筒水流上升速度约为2cm/min，1天可循环处理500L浓度为 20mg/L的X-3B活性艳红染料废水，耗电量仅为1. 32度/天。
权利要求
1.一种利用纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器的循环水处理装置，其特征在于由纳 米晶二氧化钛纤维光催化反应器[1]、储水池[2]、水泵[3]、第一阀门[4]、流量计[5]、第二 阀门[6]和喷淋曝气头[7]构成水循环回路；其中，储水池[2]出水口与水泵[3]进水口相 连，水泵[3]出水口分为两路，其中一路与第一阀门[4]连接，另一路与第二阀门[6]相连， 第一阀门[4]与流量计[5]进水口相连，流量计[5]出水口与纳米晶二氧化钛纤维光催化 反应器[1]进水口相连，纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器[1]出水口通过管道通向储水 池[2]上方，第二阀门[6]与喷淋曝气头[7]相连，喷淋曝气头[7]位于储水池[2]上方。
2.根据权利要求1所述的利用纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器的循环水处理装 置，其特征在于纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器[1]包括外筒[10]、内筒[11]、石英管[12]、紫外灯[13]、纳米晶二氧化钛纤维[14]、进水管口[15]、多孔布流板[16]、出水管口 [17]、有机纤维棉过滤层[18]和石英管夹具[19]；外筒[10]、内筒[11]和石英管[12]由外 而内呈同心圆布置；外筒[10]和内筒[11]竖向放置，两者上口均为通口，且外筒[10]上口 高度高于内筒[11]上口高度，外筒[10]下口高度也高于内筒[11]下口高度，外筒[10]下 口设有一出水管口 [17]，外筒[10]与内筒[11]之间的环形间隙底部周圈封闭；进水管口 [15]呈直径逐渐扩大的圆锥形，并与内筒[11]下口相连，交界处设有多孔布流板[16]，多 孔布流板[16]上方铺设一层有机纤维棉过滤层[18-1]；沿内筒轴心方向设有石英管[12]， 石英管[12]下口封闭，石英管[12]最底部与有机纤维棉过滤层[18-1]接触，石英管[12] 上口为通口，石英管[12]上口高度高于外筒[10]上口高度；石英管[12]内置有紫外灯[13]；内筒[11]和石英管[12]之间填充纳米晶二氧化钛纤维[14]，内筒[11]上口出水位 置再铺设一层有机纤维棉过滤层[18-2]。
3.根据权利要求2所述的利用纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器的循环水处理装置， 其特征在于石英管[12]通过夹具[19]夹持定位，其中处于内筒[11]下部和上部位置的 第一夹具[19-1]和第二夹具[19-2]，分别夹持住石英管[12]并使其固定于内筒[11]的轴 心方向，处于最顶端位置的第三夹具[19-3]夹持住石英管[12]并与外筒[10]的上口周圈 用螺丝固定，以使石英管[12]上下位置固定。
4.根据权利要求2所述的利用纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器的循环水处理装置， 其特征在于外筒[10]和内筒[11]均为直形圆筒。
5.根据权利要求2所述的利用纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器的循环水处理装置， 其特征在于多孔布流板[16]为均勻布有l_3mm小孔的圆形平板，达到均勻分布水流的作 用。
6.一种利用纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器的循环水处理工艺，其特征在于为将 含有机污染物的废水注入储水池[2]内，开启水泵[3]和紫外灯[13]，废水则从储水池[2] 左端经水泵[3]泵出，泵出的水分为左右两路，其中左路水经第一阀门[4]调节流量后流经 流量计[5]，通过括径圆锥形进水管口 [15]流入纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器[1]的 内筒[11]，由于进水管口的直径逐渐扩大，水流横截面积相应扩大，水流速度显著降低，再 经多孔布流板[16]和有机纤维棉过滤层[18-1]进一步均勻布流后，水流平稳缓慢上升，流 经被紫外灯[13]照射的纳米晶二氧化钛纤维[14]的间隙，在纤维表面发生光催化反应，水 中有机污染物得以降解和矿化，水流上升至内筒[11]上方，经有机纤维棉过滤层[18-2]过 滤后，沿内筒[11]的上口周圈溢流而下，流至内筒[11]和外筒[10]的间隙底部，经出水管口 [17]流出反应器[1]，最后自流回储水池[2]的右端；水泵[3]泵出的右路水经第二阀 门[6]控制流量后，直接到达储水池[2]右上方的喷淋曝气头[7]，从喷淋曝气头[7]的多 个小孔射流喷出，进行曝气充氧，富含溶解氧的废水喷入储水池[2]右端，再流向左端经水 泵[3]泵出，形成循环。
全文摘要
本发明公开了一种用于有机污染物废水处理的利用纳米晶二氧化钛纤维光催化反应器组成的循环水处理装置及工艺。本发明在反应器的结构设计方面与现有技术相比有创新且优势明显通过独特的进水扩径减速、均匀布流和内筒上口周圈溢流出水结构设计，在保证较大过水流量的同时，避免了水流流速过快导致纤维断碎流失；紫外灯置于反应器轴心位置，最大限度地利用了紫外光；充分考虑了在光催化反应进行的同时，对处理废水进行喷淋充氧；本发明结构简单，装配方便，造价低；所组成的光催化循环水处理工艺效率高、能耗低，可进行较大流量的连续化水处理，具有重要的实用价值。
文档编号C02F1/72GK102001724SQ20101050306
公开日2011年4月6日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者万青, 刘和义, 刘贵双, 刘金强, 沈蕾, 裴石光, 陈炎 申请人:南京理工大学