一体式光催化膜分离三相流化床反应器的研究

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1、一体式光催化－膜分离三相流化床反应器的研究1,213131解立平，王能亮，张玉忠，王兵，曹占兵，李广芬（1.天津工业大学材料科学与化学工程学院,天津300160；2.天津工业大学中空纤维膜材料与膜过程教育部重点实验室，天津300160；3.天津工业大学膜天公司，天津300160）摘要：通过利用颗粒状TiO2催化剂（平均粒径为0.258μm）对酸性红B模拟废水的催化降解实验，对新型一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应器的基本性能进行了研究。结果表明，一体式反应器中的膜组件可有效地分离TiO2，实现其在反应器中的循环使用。反应3-1区曝气量是TiO2发生沉积现象的主要影响

2、因素，且反应区曝气量以3.6m·h为宜，而反应-1器中TiO2的浓度则以2g·L为宜，此时废水的脱色率可达91％以上。膜组件底部的曝气装置可大大减轻膜污染，但对TiO2沉积现象并不产生影响。一体式反应器可实现长期稳定地运行。关键词：光催化氧化；膜分离；反应器；酸性红B；脱色率引言光催化氧化技术以其氧化能力强、二次污染小、耗能低、操作简单等优点而成为难处理废水的有效方法，特别是对生物难降解废水的处理，因而受到国内外学者的广泛关注，同时获得了一定的应用，其中尤以TiO2催化剂的研究和应用较多。然而，催化剂粒子的分离和[1-2]回收问题制约着该技术的进一步应用，使得这方面的研

3、究成为热点之一。基于此，一些研究者通过将光催化氧化与膜技术耦合以解决催化剂的分离、回收问题。由于有机膜表面长时间被紫外灯照射并在光催化剂作用下会造成膜材料的分解，使得有机膜[2-4][8]分离与光催化耦合工艺均为分置式的，而一体式耦合工艺中则普遍采用无机膜；同时由于在一体式耦合工艺中多使用粉末态催化剂，使得催化剂容易沉积在膜孔道内，造成严重[5-7]的膜污染。[8]基于有机膜具有分离效率高、设备简单、易操作、能耗少等优点，而一体式耦合工艺则具有结构简单、投资小、占地面积少等特点，我们开发了新型一体式光催化氧化－膜分离三相流化床反应器，其中的膜组件由有机膜构成，同时采用颗

4、粒状催化剂，以期减轻膜污染。该反应器还具有光催化氧化反应速度快、易于实现工业化推广和应用等优点。基金项目：天津工业大学中空纤维膜材料与膜过程教育部重点实验室开放基金项目(060514)作者简介：解立平(1963-)，男，博士，副教授。E-mail:xielp368@263.net电话：137521401131本文通过利用颗粒状TiO2催化剂对酸性红B的降解实验，对新型一体式反应器的基本性能进行了详细研究。1.实验部分1.1实验装置一体式光催化氧化－膜分离三相流化床反应器的结构、实验系统如图1所示。#5针型阀压力表1#针型阀2#流量计配水箱空气压缩机3#针型阀4真#针型阀

5、3#A3空流水位表量浮球阀水箱中计6#针型阀空纤7#针型阀2#针型阀维A4#A2隔膜泵8针型阀膜组件反冲水箱9#针型阀1#流量计曝气装置A1高压汞灯A5曝气装置球阀图1实验工艺流程图Fig.1Flowchartofexperimentalprocess反应器分为上下2个区,下部为光催化氧化反应区A1，设有高压汞灯，光催化剂在曝气气流作用下悬浮在该反应区内；上部为膜分离区A3，出水口与膜组件相连，入水口设在反应装置底部；2个区由倒Z形导流板D得以分开，避免反应区的紫外光进入膜分离区而使有机膜被分解。2个反应区均设有曝气装置并实现分别控制。反应器的工作原理为：在曝气气流作用

6、下，由水位水箱经入水口进入下部光催化氧化反应区A1的废水与光催化剂迅速混合，催化剂、废水、气体在A1反应区形成均匀的三相流化床反应体系，使光催化剂与废水中的污染物充分接触，并在光的照射下污染物被氧化分解；同时在导流板的作用下，被降解的废水在曝气气流裹挟下在A2区形成上升水流，并进入膜分离区A3。膜组件底部曝气装置产生的曝气气流使膜丝抖动，膜丝表面在汽泡剪切力的作用下可避免或减轻光催化剂、污染物等的附着，从而减轻膜污染。在膜分离区经截留后的废水和光催化剂混合液进入A4区域并形成下降水流而进入反应器的A5区域，水流通过A5区进入A1区后继续进行光催化氧化反应，由此形成一个A

7、1→A2→A3→A4→A5→A1的水流流动和循环。水流下降过程中在膜组件底部曝气气流的2作用下一部分下降废水进入膜组件底部，并随曝气气流一起向上流动经过膜组件。膜组件将上升水流中的光催化剂截留，经膜分离后的水则由出水口排出。反应器的水位由配水箱、高位水箱控制。反应器水位降低时，浮球阀自动打开，配水箱中的酸性红B模拟废水经高位水箱进入反应器；当反应器中的水位和高位水箱水位一致时，浮球阀自动关闭。膜分离区和反应区的曝气量由阀1#、2#针型阀控制。膜出水时关闭5#、7#、8#针型阀，开启3#、4#、6#、9#针型阀，其中由4#针型阀控制膜通量和