CN1303000C

CN1303000C - 微波光催化处理废水的方法与装置

Info

Publication number: CN1303000C
Application number: CNB2004100659797A
Authority: CN
Inventors: 洪军; 孙成; 钟明; 刘亚子; 周芳
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2004-12-29
Filing date: 2004-12-29
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2024-12-29
Also published as: CN1654338A

Abstract

本发明公开了一种微波光催化处理废水的方法与装置。要处理废水需格栅除杂、静置沉淀、pH调节，经上述初步处理后进入微波光催化处理废水的装置，进行微波光催化。装置包括微波反应炉、废水反应室和无电极灯，微波反应炉腔中安放废水反应室，废水反应室内壁的凸柱上架设环形固定器，无电极灯插入环形固定器的小孔中，石英搅拌器置于废水反应室中，石英搅拌器中轴经废水反应室上部和微波反应炉上部的开口与外部旋转电机相连。本发明可延长无电极灯使用寿命，提高光催化降解效率；该装置简单，占地面积少、能耗少；综合了微波作用与紫外—可见光、催化剂的光催化氧化技术，对有机物浓度小于100mg/L的废水，去除率达90%以上。

Description

微波光催化处理废水的方法与装置

一、技术领域

本发明涉及废水处理的方法及装置，具体而言，是利用微波、微波激发无电极灯产生的紫外-可见光、负载纳米催化剂处理废水的一种方法和装置。

二、背景技术

当前，进入环境、特别是水体中的污染物种类和数量越来越多，有毒有害、三致、难降解的有机污染物已严重的威胁人类的生存。目前，各种消除污染的化学、物理、生物的方法很多，这些方法针对不同类型的污染物以及污染控制要求分别显示出了各自的优势。然而，总体来看，传统的处理技术有些只能使污染物转移，产生严重的二次污染；有些适应性差，当污染物浓度过高或过低时往往无能为力；而各种新的污染处理与控制方法，虽为有机污染物的去除提供了一些独到的技术，如液液萃取法、大孔吸附树脂法、膜分离法、超声波法等，但目前我国造纸、印染、制药、石化等行业及垃圾堆放场仍然有大量的有毒有机废水排出，并且缺乏高效的、彻底的处理方法。

当前，微波技术受到人们的普遍重视。微波是频率300MHz～3006Hz的电磁波。微波作用于物质的方式十分特殊。首先，微波是对物质分子水平上的直接作用，由微波场引起物质分子的“变极效应”，使加热更加迅速(热效应)；同时，大大增加了反应物分子间的碰撞几率，使反应活性增加(非热效应)。其次，微波作用具有选择性。微波加热时，极性物质很快升温，而非极性物质则不吸收或透过微波。微波已广泛应用于环境科学领域，如微波已成功用于环境样品的消解及饮用水的灭菌等，也有利用微波和外置紫外灯光降解有机污染物的技术，其中，紫外光是一种对有机物降解十分有效的能源，由于紫外线具有较高的能量，能够使大部分化学键发生断裂，或是与催化剂结合，产生活性物质，从而将有机污染物转变为二氧化碳和水，达到去污的目的。但是，这些方法的能耗大，设备复杂，同时，在降解目标污染物时，可能又带入新的污染。

近年来，有学者利用微波激发无电极灯产生紫外光来处理废水，如“微波-无极紫外光催化氧化水处理方法”(公开号CN 1482072A)，无极紫外灯应用于染料废水的降解(孟祥周等.无极紫外光降解活性艳蓝KN-R染料溶液的研究.武汉科技学院学报，2003，16(5)：32～36)，40mg/L活性艳蓝KN-R处理110min后，脱色率为73％，TOC去除34％。这种方法的优点在于，可产生紫外光的无电极灯并不需要额外的电源提供能量，而且，微波与紫外光协同作用的装置简单、易行。但是，这种无电极灯受微波激发时闪烁不定，发光效率不高，光强较小，降解所需时间较长；而且，无电极灯受激发后的温度可达到700～1400K，如不进行及时有效的降温，所激发的谱线将因自吸而变宽，并且缩短无电极灯的寿命。

三、发明内容

1、发明目的

本发明提供一种微波光催化处理废水的方法与装置，利用微波、微波激发无电极灯产生紫外-可见光、负载纳米催化剂光催化氧化废水中的有机污染物，为难降解有毒有机废水净化提供有效的方法和装置。

2、技术方案

本发明提出了微波光催化处理废水的方法和装置。微波光催化处理废水的方法，包括格栅除杂、静置沉淀、pH调节，废水经上述初步处理后进入微波光催化处理废水的装置，进行微波光催化。

废水的pH值要控制在2～10之间，超出范围的，需用酸碱进行pH调节。酸碱调节溶液pH范围为2～10。废水的微波光催化处理在微波光催化处理废水的装置中进行，水流方向采取下进上出或上进下出的方式；废水在微波光催化反应器中的停留时间为20～40分钟，废水溶液的温度保持在100℃以下，压力为常压：微波光催化的纳米催化剂为半导体材料TiO₂、ZnO、CdS，或是半导体材料掺杂Cu、Fe、Ag、Cd、Zn、Mn、Co、Ni等氧化物的复合催化剂，掺杂金属氧化物的质量百分比为0.1％～5.0％，纳米催化剂的制备采用溶胶-凝胶法、化学气相沉积法和溶液静置法等。

微波光催化处理废水的方法，其工作原理为：微波激发无电极灯产生紫外-可见光，经照射纳米催化剂膜表面后生成高电位的·OH或·OOH，并氧化有机污染物；或者激发产生的紫外-可见光直接对有机物进行光降解，实现废水的净化。

上述的微波光催化处理废水的装置，包括微波反应炉、废水反应室和无电极灯，微波反应炉腔中安放废水反应室，废水反应室内壁的凸柱上架设环形固定器，无电极灯插入环形固定器的小孔中，石英搅拌器置于废水反应室中，石英搅拌器中轴经废水反应室上部和微波反应炉上部的开口与外部旋转电机相连。

本发明提出的微波光催化处理废水的装置，微波反应炉两侧壁内置有波导器和5～20个磁控管，每个磁控管的功率为0.5～2.0kW，微波反应炉内壁采用不锈钢材料或含镍、铝的材料；废水反应室容器为透过微波的材料，采用聚四氟乙烯、聚苯乙烯、陶瓷等材质，容器上盖为可拆式开口盖；废水反应室内壁凸起有3～9个凸柱，凸柱上放置环形固定器，用以固定无电极灯；环形固定器采用不吸收紫外光的石英材料，环形固定器上有4～8个大小合适的小孔；石英搅拌器为-同轴多页石英板，石英板上负载纳米催化剂，石英搅拌器不但具有搅拌作用，还有催化剂载体和可透过紫外光、提高光利用率的功能；微波无电极灯为石英中空的圆柱体或长方体，无电极灯的底圆直径与环行固定器上的小孔直径相一致，其高度不低于废水反应室高度的2/3；无电极灯的制作工艺为抽空气至2.5～5.0kPa后，充入0.5～2.0kPa氩气或氦气，并滴加金属汞1～5滴，最后密封；废水反应室的进水口和出水口与聚四氟乙烯水管相连；微波反应炉侧面和上部的开口处均裹有铝套。

有益效果

本发明与现有技术相比，将微波无电极灯浸于废水溶液中，使其表面温度始终保持在100℃(水的沸点)以下，可延长无电极灯使用寿命，且无电极灯产生的紫外-可见光直接作用于有机废水，能提高光催化降解效率；该装置简单，占地面积少，反应压力为常压，能耗少；综合了微波作用与紫外-可见光、催化剂的光催化氧化技术，能够催化降解有毒有害、用常规方法难以降解的有机污染物，特别是酚类、染料、激素、农药等，对有机物浓度小于100mg/L的废水，去除率达90％以上。

四、附图说明

图1是本发明方法流程示意图。

图2是本发明装置剖视图。

图3是石英搅拌器结构示意图。

图4是环形固定器俯视图。

五、具体实施方式

以下通过实例进一步说明。

实施例1

配制50mg/L间硝基苯酚水溶液模拟含酚废水，无需格栅除杂，静置后调节溶液pH3～7，含酚废水经流量计[4]及泵[5]以1.5L/min的流速进入25L的废水反应室[11]，速度控制在使废水反应室[11]内的废水停留15～20分钟，水流方向为上进下出的方式。微波功率1000W，位于微波场中的4根无电极灯[17]受到微波激发后，产生紫外-可见光，利用溶胶-凝胶法负载在石英搅拌器[13]上的Ti0₂纳米催化剂受到紫外-可见光照射，同时，石英搅拌器[13]在电机[12]带动下以30r/m的速度旋转，此时，含酚废水溶液同时受到微波、紫外-可见光以及TiO₂纳米催化剂的作用。废水反应室[11]中产生的蒸气通过上部开口排出，浸于废水中的无电极灯[17]温度小于100℃。经废水出口[19]排出的间硝基苯酚浓度小于5mg/L，TOC减少76％。

实施例2

配制50mg/L若丹明-B水溶液模拟染料废水，调节pH值为3～7，静置后经流量计[4]及泵[5]以1L/min的流速进入25L的废水反应室[11]，速度控制在使反应室内的废水停留25～30分钟，水流方向为上进下出的方式。微波功率1500W，安置于反应室中的6根无电极灯[17]受到微波激发后，产生紫外-可见光，石英搅拌器[13]上负载Mn/TiO₂催化剂，掺杂量0.5％，石英搅拌器在外部电机[12]带动下以20r/min的速度旋转。废水反应室中的温度小于100℃，常压。经废水出口排出的废水中若丹明-B的浓度小于10mg/L，TOC减少70％。将排出的废水经回流再处理[8]，其余步骤同前，出水经检测，剩余若丹明-B小于1mg/L，剩余TOC减少至初始浓度的5％。

实施例3

配制40mg/L双酚A水溶液模拟含环境激素废水，调节pH3～7，静置后经流量计[4]及泵[5]以1L/min的流速进入25L的废水反应室[11]，速度控制在使反应室内的废水停留25～30分钟，水流方向为上进下出的方式。微波功率1500W，安置于反应室中6根无电极灯[17]受到微波激发后，产生紫外-可见光，石英搅拌器[13]上负载的Ni/TiO₂催化剂(掺杂量0.5％)受到紫外-可见光的照射，同时，石英搅拌器在外部电机[12]带动下以20r/min的速度旋转。废水反应室中的温度小于100℃，常压。经废水出口排出的废水中双酚A的浓度为10mg/L左右，TOC减少50％。将排出的废水经回流再处理[8]，其余步骤同前，出水经检测，剩余双酚A2mg/L，剩余TOC为初始浓度的8％。

实施例4

配制30mg/L阿特拉津水溶液模拟农药废水，无需过滤，调节pH 3～7，静置后经流量计[4]及泵[5]以1L/min的流速进入25L的废水反应室[11]，废水在反应室内的停留时间为25～30分钟，水流方向为上进下出的方式。微波功率1500W，已安置于反应室中6根无电极灯[17]受到微波激发后，产生紫外-可见光，石英搅拌器[13]上负载的Co/TiO₂催化剂(掺杂量1.0％)受到紫外-可见光的照射，同时，石英搅拌器在外部电机[12]带动下以20r/m的速度旋转，此时，含农药废水溶液同时受到微波、紫外-可见光以及Co/TiO₂催化剂的作用。废水反应室中的温度小于100℃，常压。经废水出口排出的废水中阿特拉津的浓度小于5mg/L，TOC减少60％。将排出的废水经回流再处理[8]，其余方法同前，出水经检测，无阿特拉津剩余，剩余TOC为初始浓度的5％。

实施例5

某实验室混合废水，主要成份为苯酚、对氯苯酚、间硝基苯酚、甲基橙、若丹明-B、双酚A、壬基酚、阿特拉津、对硫磷，处理前TOC为82mg/L，经格栅除杂，静置后，调节pH3～7，清夜经流量计[4]及泵[5]以1L/min的流速进入25L的废水反应室[11]，废水在反应室内停留25～30分钟，水流方向为上进下出的方式。微波功率3000W，环行固定器上插入8根无电极灯[17]，石英搅拌器[13]上负载Cu/TiO₂催化剂，掺杂量1.0％，同时，石英搅拌器在电机[12]带动下以20r/m的速度旋转。废水反应室中的温度小于100℃，常压。经废水出口排出的废水，TOC减少65％。将排出的废水经回流再处理[8]一次，剩余TOC为初始溶液TOC的6％。

实施例6

某造纸厂废水，处理前pH＝13，TOC大于100mg/L，经格栅除杂[1]，静置沉淀[2]，清水稀释溶液TOC至70mg/L，pH调节[3]调节溶液pH值为3～7，经流量计[4]及泵[5]以1L/min的流速进入微波光催化处理废水的装置中25L的废水反应室[11]，废水在反应室内停留25～30分钟，水流方向为上进下出的方式。微波功率3000W，环行固定器上插入8根无电极灯[17]，石英搅拌器[13]上负载Cu/TiO₂催化剂，掺杂量1.0％，同时，石英搅拌器在电机[12]带动下以20r/m的速度旋转。废水反应室中的温度小于100℃，常压。经废水出口进行出水排放[7]，TOC减少50％。将排出的废水经回流再处理[8]一次，剩余TOC10mg/L。

实施例7

微波光催化处理废水的装置，包括微波反应炉[10]、废水反应室[11]和无电极灯[17]，微波反应炉[10]腔中安放废水反应室[11]，废水反应室[11]内壁的凸柱[18]上架设环形固定器[14]，无电极灯[17]插入环形固定器[14]的小孔中，石英搅拌器[13]置于废水反应室[11]中，石英搅拌器[13]中轴经废水反应室[11]上部和微波反应炉[10]上部的开口与外部旋转电机[12]相连。微波反应炉[10]两侧壁内置有波导器[16]和10个磁控管[15]，每个磁控管的功率为1kW，无电极灯高度为废水反应室[11]高度的1/2。石英搅拌器[13]为一同轴多页石英板，置于环行固定器的空心圆中央，其轴通过废水反应室[11]和微波反应炉[10]上部的开口与旋转电机[12]相连。废水反应室内壁凸起有6个凸柱[18]，废水反应室上盖为可拆式开口盖，环形固定器[14]上有6个小孔，无电极灯[17]插入环形固定器[14]的小孔中。无电极灯[17]的制作方法为抽空气至2.5～5.0kPa后，充入0.5～2.0kPa氩气、氦气等惰性气体，并滴加金属汞1～10滴，最后密封。废水反应室[11]为聚四氟乙烯、聚苯乙烯、陶瓷等耐热、耐腐蚀材料，微波反应炉[10]内壁采用不锈钢材料或含镍、铝的材料。

Claims

1.一种微波光催化处理废水的方法，包括格栅除杂、静置沉淀、pH调节，其特征在于废水经上述初步处理后进入微波光催化处理废水的装置，进行微波光催化，在所述微波光催化处理废水的装置中，废水的温度保持在100℃以下，微波激发无电极灯产生紫外-可见光，并照射纳米催化剂，实现废水的净化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于废水的pH值控制在2～10，超出范围的，用酸碱进行pH调节。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于废水在微波光催化处理废水的装置中的停留时间为20～40分钟，压力为常压。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于微波光催化的纳米催化剂为纯半导体材料TiO₂、ZnO或CdS，或是所述纯半导体材料掺杂金属氧化物的复合催化剂，掺杂金属氧化物的质量百分比为0.1％～5.0％，所述金属氧化物为Cu、Fe、Ag、Cd、Zn、Mn、Co或Ni的金属氧化物。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述的微波光催化处理废水的装置，包括微波反应炉[10]、废水反应室[11]和无电极灯[17]，其特征在于微波反应炉[10]腔中安放废水反应室[11]，废水反应室[11]内壁的凸柱[18]上架设环形固定器[14]，无电极灯[17]插入环形固定器[14]的小孔中，石英搅拌器[13]置于废水反应室[11]中，石英搅拌器[13]中轴经废水反应室[11]上部和微波反应炉[10]上部的开口与外部旋转电机[12]相连。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于微波反应炉[10]两侧壁内置有波导器[16]和5～20个磁控管[15]，每个磁控管的功率为0.5～2.0kW，无电极灯高度不低于废水反应室[11]高度的2/3。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于石英搅拌器[13]为一同轴多页石英板，置于环行固定器的空心圆中央，该石英搅拌器的轴通过废水反应室[11]和微波反应炉[10]上部的开口与旋转电机[12]相连。

8.根据权利要求5或6或7所述的方法，其特征在于废水反应室内壁凸起有3～9个凸柱[18]，废水反应室上盖为可拆式开口盖，环形固定器[14]上有4～8个小孔，无电极灯[17]插入环形固定器[14]的小孔中。

9.根据权利要求5或6或7所述的方法，其特征在于无电极灯[17]的制作方法为抽空气至2.5～5.0kPa后，充入0.5～2.0kPa氩气或氦气，并滴加金属汞1～5滴，最后密封。

10.根据权利要求5或6或7所述的方法，其特征在于废水反应室[11]为耐热、耐腐蚀材料聚四氟乙烯、聚苯乙烯或陶瓷，微波反应炉[10]内壁采用不锈钢材料或含镍、铝的材料。