TW202007654A - 有機廢水處理裝置及其處理方法 - Google Patents
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Abstract
一種有機廢水處理裝置,其包括反應部、廢水供給部以及氧化劑供給部。反應部具有處理含有有機物質的廢水的至少一個反應槽。反應槽內具有至少一複合光觸媒,其吸收可見光範圍波長,而光催化分解或裂解廢水含有的有機物質。複合光觸媒包括至少一具有多孔性之觸媒載體以及多個奈米粒子。這些奈米粒子包含多個奈米金屬粒子及/或多個奈米金屬氧化物粒子。廢水供給部將廢水供給到反應槽內以及氧化劑供給部將至少一氧化劑供給到反應槽內。另提出一種有機廢水的處理方法。
Description
本發明是有關於一種廢水處理裝置,且特別是有關一種有機廢水處理裝置及其處理方法。
水資源缺乏與不足是人類將共同面臨的困境,故亟需解決與克服。除不斷開源增加水資源外,在節流方面除了節約用水外,水回收再利用被視為其中重要一環。廢水經過適當處理後,可依使用標的物的不同而進行回收再利用。早期由於受到處理技術及成本限制,大多是以去除水中顆粒及無機離子的方式達到回收再利用之目的。
然而,廢水中含有大量難降解的高濃度有機物會導致環境污染,隨著環保意識的抬頭,有機廢水的處理與回收也越來越受重視,因此,製作一種可以有效去除廢水中含有的有機物質的廢水處理裝置,實已成目前亟欲解決的課題。
本發明提供一種有機廢水處理裝置,其可以有效去除有機廢水中的有機物質。
本發明提供一種有機廢水處理方法,其可以有效去除有機廢水中的有機物質。
本發明提供一種有機廢水處理裝置包括反應部、廢水供給部以及氧化劑供給部。反應部具有處理含有有機物質的廢水的至少一個反應槽,其中反應槽內具有至少一複合光觸媒,其吸收可見光範圍波長,而光催化分解或裂解廢水含有的有機物質。複合光觸媒包括至少一具有多孔性之觸媒載體以及多個奈米粒子。觸媒載體的孔隙度大於或等於50%且小於100%。多個奈米粒子載置於觸媒載體上,這些奈米粒子包含多個奈米金屬粒子及/或多個奈米金屬氧化物粒子,且在複合光觸媒中的這些奈米粒子的重量含量範圍為1000ppm至4000ppm。廢水供給部將廢水供給到反應槽內。氧化劑供給部將至少一氧化劑供給到反應槽內,且氧化劑的供給量與廢水的處理量具有重量百分比X,且重量百分比X滿足關係式:0% < X < 10%。
本發明提供一種有機廢水處理方法。有機廢水處理方法包括以下步驟。提供前述之有機廢水處理裝置。將廢水自廢水供給部注入反應槽。將氧化劑自氧化劑供給部注入反應槽。廢水於反應槽內的停留時間至少30分。
基於上述,本發明的有機廢水處理裝置具有觸媒載體,可以使複合光觸媒較容易與水分離,因此,相較於複合光觸媒以近似於均相(homogeneous)狀態存在於廢水中的反應,本發明在有機廢水回收再利用的實際應用上會更具有優勢。此外,本發明之複合光觸媒可以吸收可見光範圍波長產生良好的觸媒催化功效,快速分解含碳、氫與氧的有機污染物。其穩定性高、操作簡單且成本低廉,並且可以回收反覆使用,無二次污染,有效去除有機廢水中的有機物質。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂,下文特舉實施例,並配合所附圖式作詳細說明如下。
在下文中將參照附圖更全面地描述本發明,在附圖中示出了本發明的示例性實施例。如本領域技術人員將認識到的,可以以各種不同的方式修改所描述的實施例,而不脫離本發明的精神或範圍。
這裡使用的術語僅僅是為了描述特定實施例的目的,而不是限制性的。如本文所使用的,除非內容清楚地指示,否則單數形式”一”、”一個”和”該”旨在包括複數形式,包括”至少一個”。”或”表示”及/或”。如本文所使用的,術語”及/或”包括一個或多個相關所列項目的任何和所有組合。還應當理解,當在本說明書中使用時,術語”包括”及/或”包括”指定所述特徵、區域、整體、步驟、操作、元件的存在及/或部件,但不排除一個或多個其它特徵、區域整體、步驟、操作、元件、部件及/或其組合的存在或添加。
本文使用的”約”、”近似”、或”實質上”包括所述值和在本領域普通技術人員確定的特定值的可接受的偏差範圍內的平均值,考慮到所討論的測量和與測量相關的誤差的特定數量(即,測量系統的限制)。例如,”約”可以表示在所述值的一個或多個標準偏差內,或±30%、±20%、±10%、±5%內。再者,本文使用的“約”、”近似”或“實質上”可依光學性質、反應性質或其它性質,來選擇較可接受的偏差範圍或標準偏差,而可不用一個標準偏差適用全部性質。
除非另有定義,本文使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有與本發明所屬領域的普通技術人員通常理解的相同的含義。將進一步理解的是,諸如在通常使用的字典中定義的那些術語應當被解釋為具有與它們在相關技術和本發明的上下文中的含義一致的含義,並且將不被解釋為理想化的或過度正式的意義,除非本文中明確地這樣定義。
圖1繪示為本發明的一實施例的一種有機廢水處理裝置的示意圖。圖2繪示為本發明的一實施例的一種複合光觸媒的示意圖。請參照圖1以及圖2,本實施例的有機廢水處理裝置100包括反應部110、廢水供給部120以及氧化劑供給部130。其中,廢水供給部120之說明可參閱後續描述。
反應部110中具有處理含有有機物質的廢水的至少一個反應槽111,廢水中的有機物質可以是有機酸、醇、染料或顏料。舉例而言,有機酸可以是乙二胺四乙酸(Ethylenediaminetetraacetic acid;EDTA)、醋酸、光電產業的廢水中常見的有機酸、其他半導體產業的廢水中常見的有機酸、或其它產業的廢水中常見的有機酸,醇可以是異丙醇(isopropanol;IPA)、乙醇、光電產業的廢水中常見的醇類、其他半導體產業的廢水中常見的醇類、或其它產業的廢水中常見的醇類,或者是任何產業之廢水中含有前述有機物質,但本發明不以此為限。廢水的來源可以是有機廢水處理裝置100所在區域的產業所產生的有機廢水或者位於有機廢水處理裝置100所在區域之外的產業所產生的有機廢水且經由運輸裝置(未繪示)將有機廢水運送至有機廢水處理裝置100所在區域(例如:輸送至廢水供給部120)。其中,運輸裝置(未繪示)可包含管線、汽車、船、或其它合適的運輸裝置。反應部110中的反應槽111數量可以視設計需求而進行調整。舉例而言,反應部110中也可以具有兩個反應槽111,但本發明不以此為限。反應槽111例如:可以為固定床反應器(fixed bed reactor;FBR),但不限於此。再者,為了讓有機廢水進入反應槽111之速度加快或者傳輸至反應槽111較高處,可選擇性的加入泵浦P於反應槽111與廢水供給部120之間,例如圖1所示。
反應槽111內具有至少一複合光觸媒114,反應部110中的複合光觸媒114數量可以視設計需求而進行調整,於本發明並不加以限制。在一些實施例中,反應部110內的複合光觸媒114與廢水的堆積密度約為0.5g/ml至0.6g/ml,但不限於此。複合光觸媒114包括至少一具有多孔性之觸媒載體114a(如圖2所示)以及多個奈米粒子114b(如圖2所示)。
觸媒載體114a具有一孔隙度(porosity),孔隙度的定義為多孔性之觸媒載體114a中孔隙的體積佔多孔性之觸媒載體114a總體積的百分比,當多孔性之觸媒載體114a的孔隙度越高時,代表可含浸於多孔性之觸媒載體114a孔隙間的廢水量可以越多,也就是說,當孔隙度越高時,可以使更多含有有機物質的廢水可以進入觸媒載體114a孔隙間進行反應,提高反應效率,多孔性之觸媒載體114a的孔隙度大於或約等於50%且小於100%時較佳。多孔性之觸媒載體114a例如是活性碳、矽藻石、氧化鋁、沸石、凝膠、錳砂、水泥、高分子吸水材料(如海綿)、吸水塗料材,但本發明不以此為限。此外,由於本發明的複合光觸媒114具有多孔性之觸媒載體114a,可以使複合光觸媒114較容易與水分離,因此,相較於複合光觸媒114以近似於均相(homogeneous)狀態存在於廢水中的反應,本發明在有機廢水回收再利用的實際應用上會更具有優勢。
多個奈米粒子114b載置於多孔性之觸媒載體114a上,多個奈米粒子114b含多個奈米金屬粒子或多個奈米金屬氧化物粒子其中至少一者,在複合光觸媒114中的多個奈米粒子114b的重量含量範圍約為1000百萬分率(parts per million;ppm)至4000ppm。奈米金屬粒子例如是奈米金粒子、奈米鉑粒子、奈米錳粒子、奈米鐵粒子、奈米銅粒子、奈米鈷粒子、奈米鎳粒子或奈米銀粒子。奈米金屬氧化物粒子可以是氧化鐵(例如:Fe2
O3
)、氧化銅(例如:CuO)、氧化亞銅(例如:Cu2
O)、氧化鈷(例如:CoO、Co2
O3
、Co3
O4
)、氧化鎳(例如:NiO、Ni2
O3
)、氧化錳(例如:MnO、Mn3
O4
、Mn2
O3
、MnO2
),也可以是包含下述化學式(1)表示的化合物: A2+
(B3+
)2
X4
化學式(1) 其中,A2+
表示Zn2+
、Sn2+
、Cu2+
、Fe2+
、Mn2+
、Ni2+
、Co2+
或Ag2 2+
,B3+
表示Fe3+
、Mn3+
或Cr3+
,X表示O2-
。
在一實施例中,較佳情況前述化學式(1)化合物是具有尖晶石晶體結構(spinel structure)之化合物,所謂尖晶石晶體結構包括正尖晶石結構(normal spinel structure)或反尖晶石結構(inverse spinel structure)。
在一實施例中,較佳情況是A及/或B為磁性元素時,奈米金屬氧化物粒子具有磁性,如此一來,可藉由磁鐵吸附收集而使複合光觸媒114可被重複使用。前述的磁鐵例如為永久磁鐵或電磁鐵。
在一實施例中,A2+
表示Zn2+
,B3+
表示Fe3+
。
在另一實施例中,A2+
表示Ag2 2+
,B3+
表示Fe3+
。
將前述的奈米金屬粒子或前述的奈米金屬氧化物粒子其中至少一者在觸媒載體114a中摻雜約1至6小時,再將前述摻雜奈米金屬粒子或奈米金屬氧化物粒子的觸媒載體114a在約攝氏60至300度下煅燒約1至24小時,而可得到複合光觸媒114。前述的觸媒載體114a例如是具有多孔性之活性炭,但本發明不限於此。
請繼續參照圖1,廢水供給部120將含有有機物質的廢水供給到反應槽111內,以及氧化劑供給部130將氧化劑供給到反應槽111內,且氧化劑的供給量與廢水的處理量具有一重量百分比X,且重量百分比X滿足關係式:0% < X < 10%。在一些實施例中,重量百分比X滿足關係式:0.5% < X < 3%,但本發明不以此為限。氧化劑例如是過氧化物、超氧化物,或其組合。舉例而言,氧化劑可以是過氧化氫(hydrogen peroxide;H2
O2
),但不限於此。再者,為了讓氧化劑供給部130將氧化劑進入反應槽111之速度加快,可選擇性的加入泵浦P於反應槽111與氧化劑供給部130之間,例如圖1所示。
在部份實施例中,反應部110可選擇性的更包括發光裝置112,以提供複合光觸媒114可吸收之波長範圍,但不限於此。於其它實施例中,反應部110亦可不包含發光裝置112。發光裝置112為可以發出可見光波長範圍(約380奈米(nanometer;nm)至約780奈米)的發光裝置。舉例而言,發光裝置112可以是可見光燈管、有機或無機發光元件、鈣鈦礦發光元件、或其它合適的發光元件,但本發明不以此為限。在一些實施例中,反應部110上方可以具有透光窗口(未繪示),以使太陽光或其他可見光光源可以透過此透光窗口照射至複合光觸媒114,且其它可見光光源可參閱前述之發光裝置112所述的類型選用。
複合光觸媒114可以吸收可見光範圍波長的光。複合光觸媒114吸收可見光範圍波長的光之後,可以產生電子電洞對,進而催化氧化劑產生具有高氧化能力之氫氧自由基或超氧離子來分解或裂解廢水中所含有的有機物質,最後廢水中的有機物質最終可以氧化為二氧化碳(CO2
)以及水(H2
O),其中,水可經由流出口Wout傳輸至合適的機台、合適的場地、合適的放流處、或其它合適的場地,而二氧化碳(CO2
)可被收集做為化學或物理反應的氣體之一、或其它合適的用途。因此,本發明之複合光觸媒114可以吸收可見光範圍波長產生良好的觸媒催化功效,快速分解含碳、氫與氧的有機污染物。其穩定性高、操作簡單且成本低廉,並且可以回收反覆使用,無二次污染,有效去除有機廢水中的有機物質。
在一些實施例中,氫氧自由基分解或裂解有機物質的程度可以視設計需求而調整,舉例而言,在一些具有發色團(Chromophore)的低濃度有機廢水中,反應只需要分解或裂解發色團達到脫色的效果即可排放,並不需要將有機物質礦化為二氧化碳以及水,因此,可以減少光催化的時間,進一步降低成本,但本發明不以此為限。
有機廢水處理裝置100更包括循環部140,具有將分解或裂解後之廢水再進入反應槽111之循環管線140a,以讓廢水中殘留的有機物質分解或裂解。本發明藉由循環管線140a設置可以使未達排放標準的廢水能再次進行光催化反應,進一步繼續分解廢水中的有機物質。再者,為了讓分解或裂解後之廢水再進入反應槽111之速度加快或者傳輸至反應槽111較高處,可選擇性的加入泵浦P於循環部140(例如:循環管線140a)中,例如圖1所示。
請參照表1,在本發明中發現在原水pH值約為2,原水總有機碳(Total organic carbon;TOC)值約為138,400ppm,停留時間至少約30分鐘,例如:約為1小時的條件下,若只單純添加約3%的過氧化氫,即便還是可以稍微將原水TOC值降低至約123,600ppm,然而,若同時使用本發明之複合光觸媒114搭配約3%的過氧化氫,則可以大幅的降低原水TOC值至約18,200ppm,下降幅度約為87%,也就是說,氧化劑搭配本發明之複合光觸114媒可以大大提升其產生氫氧自由基的能力,加速其分解或裂解有機物質的反應效率。
圖3繪示為使用本發明的一實施例的一種有機廢水處理裝置100的處理方法的處理步驟圖。
請參照圖3,在一實施例中,步驟S210及步驟S220步驟其中一者,可將步驟中所述的流體注入反應槽111中。舉例而言,可以先進行步驟S210再進行步驟S220,也就是先將廢水自廢水供給部120注入反應槽111中,再將氧化劑自氧化劑供給部130注入反應槽111,但本發明不以此為限。在又一實施例中,也可以同時進行步驟S210以及步驟S220,也就是同時將廢水自廢水供給部120注入反應槽111中以及將氧化劑自氧化劑供給部130注入反應槽111,但本發明不以此為限。
在一些實施例中,廢水供給部120可以是儲液槽121,儲液槽121上方具有進水口Win,待處理的廢水可以先輸送至儲液槽121儲存,之後再注入反應槽111,提升製程設計的彈性,但本發明不以此為限。其中,廢水之來源可參閱前述段落所描述。
在一些實施例中,廢水與氧化劑可以經由泵浦(pump)P注入反應槽111,但本發明不以此為限。
接著,在將廢水與氧化劑注入反應槽111後,進行步驟S230。於步驟S230中,在反應槽111內複合光觸媒114吸收可見光範圍波長後,可以產生電子電洞對,進而催化氧化劑產生具有高氧化能力之氫氧自由基或超氧離子來分解或裂解廢水含有的有機物質。
在一些實施例中,廢水於具有照光狀態下的複合光觸媒114的反應槽111內的停留時間至少約30分鐘,例如:至少約1小時,但本發明不限於此。
在一些實施例中,反應槽111若是具有循環部140的連續式反應槽,則廢水於反應槽111內的停留時間為水力停留時間(Hydraulic Retention Time;HRT),水力停留時間為反應槽111之有效體積除以反應槽111的流通量。也就是說,水力停留時間為巨觀狀態下,廢水可以於反應槽111中停留的時間。舉例而言,若反應槽111的有效體積約為700升(liter;l),流通量約為700升/小時,則水力停留時間約為1小時。
另外,由於光催化反應是發生於多孔性之觸媒載體114a孔洞內的複合光觸媒114表面上,因此,光催化反應的反應效率是與廢水能夠進入觸媒載體114a孔洞的量呈正相關。也就是說,若反應槽111為具有循環部140的連續式反應槽,則廢水可以為一直在流動的流體。相較於複合光觸媒114靜置於廢水中進行光催化反應,廢水在流動的狀態下能夠不間斷地沖入觸媒載體114a孔洞中,提高廢水進入觸媒載體114a孔洞的量,甚至可以於觸媒載體114a孔洞中產生紊流(Turbulent flow)提高質傳(mass transfer)反應速率,進而更有效的分解或裂解廢水中的有機物質。
請繼續參照圖3,在廢水於反應槽111內停留至少1小時進行光催化分解反應後,可以進行步驟S240,也可以進行步驟S250。一些實施例中,可直接將分解或裂解後之廢水由反應部110下的出水口(未繪示)排出。
在另一些實施例中,有機廢水處理裝置100更包含循環部140,具有將分解或裂解後之廢水再進入反應槽111之循環管線140a,以讓廢水中殘留的有機物質分解或裂解,因此,可以進行步驟S250,將分解或裂解後之廢水再進入反應槽111之循環管線140a,以讓廢水中殘留的有機物質繼續分解或裂解。
去色處理
實驗例1
在本發明的實驗例1中使用的汙水水樣為若丹明B(rhodamineB;RhB)標準染劑,若丹明B的濃度約為30ppm,處理前色度(chromaticity)為大於3600,使用的氧化劑約為0.3%的H2
O2
,反應部110尺寸例如:長度約為33公分(centimeter;cm)、寬度約為34公分、高度約為77公分,反應槽111為固定床反應器,反應槽111體積約為1500毫升,流通水量約為700毫升/小時,停留時間約為1小時,使用的複合光觸媒114中的觸媒載體114a為活性碳,孔隙度約為50%,奈米金屬氧化物粒子例如為氧化鐵,但不限於此。
實驗結果顯示,本發明的實驗例1可以將若丹明B的色度從處理前的大於3600降至約24,去色率大於99%,代表本發明的實驗例1在工業的實際應用上也具有很好的去色效果。
綜上所述,本發明的有機廢水處理裝置具有觸媒載體,可以使複合光觸媒較容易與水分離,因此,相較於複合光觸媒以近似於均相(homogeneous)狀態存在於廢水中的反應,本發明在有機廢水回收再利用的實際應用上會更具有優勢。此外,本發明之複合光觸媒可以吸收可見光範圍波長產生良好的觸媒催化功效,快速分解含碳、氫與氧的有機污染物。其穩定性高、操作簡單且成本低廉,並且可以回收反覆使用,無二次污染,有效去除有機廢水中的有機物質。
雖然本發明已以實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明的精神和範圍內,當可作些許的更動與潤飾,故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧有機廢水處理裝置110‧‧‧反應部111‧‧‧反應槽112‧‧‧發光裝置114‧‧‧複合光觸媒114a‧‧‧多孔性之觸媒載體114b‧‧‧奈米粒子120‧‧‧廢水供給部121‧‧‧儲液槽130‧‧‧氧化劑供給部140‧‧‧循環部140a‧‧‧循環管線P‧‧‧泵浦Win‧‧‧進水口Wout‧‧‧流出口
圖1繪示為本發明的一實施例的一種有機廢水處理裝置的示意圖。 圖2繪示為本發明的一實施例的一種複合光觸媒的示意圖。 圖3繪示為使用本發明的一實施例的一種有機廢水處理裝置的處理方法的處理步驟圖。
100‧‧‧有機廢水處理裝置
110‧‧‧反應部
111‧‧‧反應槽
112‧‧‧發光裝置
114‧‧‧複合光觸媒
120‧‧‧廢水供給部
121‧‧‧儲液槽
130‧‧‧氧化劑供給部
140‧‧‧循環部
140a‧‧‧循環管線
P‧‧‧泵浦
Win‧‧‧進水口
Wout‧‧‧流出口
Claims (12)
- 一種有機廢水處理裝置,包括: 一反應部,具有處理含有有機物質的廢水的至少一個反應槽,其中該反應槽內具有至少一複合光觸媒,其吸收可見光範圍波長,而光催化分解或裂解該廢水含有的該有機物質,且該複合光觸媒包括: 至少一具有多孔性之觸媒載體,且其孔隙度大於或等於50%且小於100%;以及 多個奈米粒子,載置於該觸媒載體上,該些奈米粒子包含多個奈米金屬粒子或多個奈米金屬氧化物粒子其中至少一者,且在該複合光觸媒中的該些奈米粒子的重量含量範圍為1000ppm至4000ppm; 一廢水供給部,將該廢水供給到該反應槽內;以及 一氧化劑供給部,將至少一氧化劑供給到該反應槽內,且該氧化劑的供給量與該廢水的處理量具有一重量百分比X,且該重量百分比X滿足關係式:0% < X < 10%。
- 如申請專利範圍第1項所述的有機廢水處理裝置,其中該有機物質包括下列至少一者之有機酸、醇、染料或顏料。
- 如申請專利範圍第1項所述的有機廢水處理裝置,其中該氧化劑包括下列至少一者之過氧化物或超氧化物。
- 如申請專利範圍第1項所述的有機廢水處理裝置,其中該些奈米金屬粒子包括下列至少一者之奈米金粒子、奈米鉑粒子、奈米錳粒子、奈米鐵粒子、奈米銅粒子、奈米鈷粒子、奈米鎳粒子或奈米銀粒子。
- 如申請專利範圍第1項所述的有機廢水處理裝置,其中該些奈米金屬氧化物粒子以下述化學式(1)表示: A2+ (B3+ )2 X4 化學式(1) 其中,A2+ 表示Zn2+ 、Sn2+ 、Cu2+ 、Fe2+ 、Mn2+ 、Ni2+ 、Co2+ 或Ag2 2+ ,B3+ 表示Fe3+ 、Mn3+ 或Cr3+ ,X表示O2- 。
- 如申請專利範圍第1項所述的有機廢水處理裝置,其中該些奈米金屬氧化物粒子包含下列至少一者:Fe2 O3 、CuO、Cu2 O、CoO、Co2 O3 、Co3 O4 、NiO、Ni2 O3 、MnO、Mn3 O4 、Mn2 O3 或MnO2 。
- 如申請專利範圍第1項所述的有機廢水處理裝置,其中該重量百分比X滿足關係式:0.5% ≦ X ≦ 3%。
- 如申請專利範圍第1項所述的有機廢水處理裝置,其中於該反應部內的該複合光觸媒與該廢水的堆積密度為0.5g/ml至0.6g/ml。
- 如申請專利範圍第1項所述的有機廢水處理裝置,其中該反應部更包括一發光裝置,以提供該複合光觸媒可吸收之波長範圍。
- 如申請專利範圍第1項所述的有機廢水處理裝置,更包含一循環部,具有將分解或裂解後之該廢水再進入該反應槽之一循環管線,以讓該廢水中殘留的該有機物質分解或裂解。
- 一種有機廢水的處理方法,包括: 提供如請求項1至9中任一項之有機廢水處理裝置; 將該廢水自該廢水供給部注入該反應槽; 將該氧化劑自該氧化劑供給部注入該反應槽;其中: 該廢水於該反應槽內的停留時間至少30分鐘。
- 如申請專利範圍第11項所述的處理方法,其中該有機廢水處理裝置更包含一循環部,具有將分解或裂解後之該廢水再進入該反應槽之一循環管線,以讓該廢水中殘留的該有機物質分解或裂解,且該處理方法更包含: 將分解或裂解後之該廢水自該再該循環部進入該反應槽,以讓該廢水中殘留的該有機物質分解或裂解。
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