兼顾微波与光化学催化耦合作用的大容量废水降解装置.pdf

本发明涉及一种兼顾微波与光化学催化耦合作用的大容量废水降解装置，属于废水处理技术领域。现有的针对含有机污染物工业废水的微波光催化降解技术中，存在反应器单罐废水处理量偏小、重复操作频度高等问题，本案旨在兼顾所述耦合作用的前提下解决上述问题。本案在反应器内部装设金属笼，将无极紫外灯连同其屏护用石英管一并包裹其内，并在石英管外壁与金属笼内壁之间保持一定的距离，由此在石英管外壁与金属笼内壁之间构成一个微波与光化学催化耦合作用区域，而在金属笼外壁与反应器内壁之间的区域，微波辐照作用被阻断，本案的结构允许通过大幅扩张所述无微波辐照区域的容积，达成反应器设计容量的大幅扩张，本案藉此克服所述问题。

权利要求书兼顾微波与光化学催化耦合作用的大容量废水降解装置，该装置的结构包括反应器，该反应器是一个中空的金属容器，该反应器其外形轮廓呈立方体形、长方体形、圆柱体形、椭圆柱体形、多棱柱体形、球体形或椭球体形，在该反应器内腔的底部位置装设有一些微孔曝气头，以及，石英管，该石英管架设在所述反应器的内腔位置，该石英管的两端装设有封堵盖头，分别位于石英管两端的所述封堵盖头上均开设有通气接口，以及，无极紫外灯，该无极紫外灯呈棒状、环状、球状、海星状或海胆状，该无极紫外灯的数量至少在一个以上，该数量至少在一个以上的无极紫外灯均架设在所述石英管的内部，以及，空气泵，该空气泵装设于反应器的外部，所述石英管其一端封堵盖头上的通气接口经由通气管道并透过反应器的壁与所述空气泵的出气口联通，所述石英管其另一端封堵盖头上的通气接口经由另一条通气管道与位于反应器内腔底部的微孔曝气头联通，以及，微波发生器，该微波发生器装设于反应器的外部，该微波发生器是磁控管，以及，波导管，该波导管是用于传输微波的构件，该波导管的一端与所述磁控管联通，该波导管的另一端透过反应器的壁与反应器的内腔联通，以及，膜分离组件，该膜分离组件装设在反应器的内腔位置，以及，水泵，该水泵位于反应器的外部，该膜分离组件经由通水管道并透过反应器的壁与水泵的进水口联通，该水泵的出水口与位于反应器外部的净水池联通，以及，另一台水泵，该另一台水泵位于反应器的外部，该另一台水泵的出水口经由另一条通水管道并透过反应器的壁与反应器的内腔联通，该另一台水泵的进水口与位于反应器外部的污染水水池联通，该反应器上方开设有尾气排放口，其特征在于，该波导管的透过反应器的壁的那一端进一步延伸进入反应器的内腔，以及，该反应器的结构还包括金属材质的笼状的微波辐照空域约束器，该笼状的微波辐照空域约束器上含有许多的孔洞，该笼状的微波辐照空域约束器的功能是约束微波辐照空域，该金属材质的笼状的微波辐照空域约束器就是一个金属笼，该金属笼装设在反应器的内腔位置，该波导管的深入反应器内腔的那个端口与该金属笼的内腔联通，所述联通指的是微波通道意义上的连接与贯通，所述石英管是架设在该金属笼的内部，两条所述通气管道均穿透该金属笼的壁，该金属笼的壁的结构位置是介于反应器内壁与石英管外壁之间的结构位置。
根据权利要求1所述的兼顾微波与光化学催化耦合作用的大容量废水降解装置，其特征在于，该金属笼其材质是不锈钢材质。
根据权利要求2所述的兼顾微波与光化学催化耦合作用的大容量废水降解装置，其特征在于，该金属笼由不锈钢冲孔板经模压、焊接、铆接或借助螺丝、螺帽等辅助性配件拼接制成。
根据权利要求2所述的兼顾微波与光化学催化耦合作用的大容量废水降解装置，其特征在于，该金属笼由不锈钢丝编织制成。
根据权利要求1所述的兼顾微波与光化学催化耦合作用的大容量废水降解装置，其特征在于，该金属笼的内壁与石英管的外壁之间的距离介于3.0厘米与30.0厘米之间。
根据权利要求5所述的兼顾微波与光化学催化耦合作用的大容量废水降解装置，其特征在于，该金属笼的内壁与石英管的外壁之间的距离介于10.0厘米与20.0厘米之间。

说明书兼顾微波与光化学催化耦合作用的大容量废水降解装置
技术领域
本发明涉及一种兼顾微波与光化学催化耦合作用的大容量废水降解装置，属于C02F废水处理技术领域。
背景技术
微波光催化降解处理技术，作为一种有效的针对含有机污染物工业废水的无害化处理技术，近年来发展迅猛。
关于微波光催化降解技术，作为一例，可以参见公开号为CN102260003A的中国专利申请案。
该公开号为CN102260003A的中国专利申请案，是以微波作为激发源，激发无极紫外灯发射紫外线，于液体内部照射掺有光催化剂二氧化钛的悬浊液，该无极紫外灯被石英管所笼罩保护着，有空气泵向该石英管内腔持续注入空气，由石英腔溢出的空气经由管道与位于反应器底部的微孔曝气头联通，该反应器内部的下方区域为曝气区，该反应器内部的上方区域是微波光催化反应区，该方案还以反应器内置的膜分离组件，来提析净化后的水，并以该膜分离组件实现光催化剂二氧化钛微粒的截留再用；该方案还在无极紫外光源与膜分离组件之间架设隔板，用于防止紫外线对有机质的膜分离组件的辐射损伤；通入反应器内部的空气，部分直接参与依托光催化剂二氧化钛的光催化降解反应，还有一部分空气，在紫外光的直接照射下，生成一定量的臭氧，该生成的臭氧当然也发挥着针对有机污染物的直接的氧化降解作用。
该公开号为CN102260003A的中国专利申请案毫无疑问为微波光催化废水降解技术的进步起到了不可忽视的推动作用，其研发人员在该领域所展开的工作令人敬佩。
基于由衷的敬佩之意，以及，共同的努力方向，我们下面要谈的是问题。
我们知道，液态水体其本身也能够吸收微波的能量，并导致被处理的液态水体其本身的温升效应，而这种伴随废水处理过程而出现的温升效应，却不是我们所期待的情形，换句话说，来自磁控管的微波能量没有完全被用于激发无极紫外灯，而有相当一部分本应只用于激发无极紫外灯的微波能量被耗散于所述的温升效应，该种不受待见的温升效应造成了不必要的微波能量浪费，鉴于上述公开号为CN102260003A的中国专利申请案所展示的装置结构方案，其合理的途径，只能是通过减少微波光催化反应器的体积或者说减少单罐处理容量来来达成弱化微波多余耗散的目的，关于这一点，在该CN102260003A申请案其具体实施方式中清晰表达了关于该装置结构整体的适宜尺寸，其所表达的优选尺寸对应的就是一个外形很小的装置，那么，如此一来，反应器内壁与微波辐射源的距离小了，与微波接触的废水量小了，废水所吸收的微波能量相对也小了，与之相对应地，单罐的废水处理量因此也小了，更具体地说，其实施例中所表达的装置适宜尺寸所对应的内部容积是40升，也即单罐废水处理量是40升，即0.04立方，换句话说，其一次全套、全程操作只解决了0.04立方的工业废水，那么，就需要进行很多次的由首至尾的全套操作的重复，其处理量的累加才具有工业规模的意义，打个比方说，只是个大致的比方，该案其优选结构尺寸大致对应的单罐0.04立方这样的废水处理量，需要重复1000次的由首至尾的全套、全程操作，其累加量，才能达到40立方这样一个具有工业水平的的废水处理量，如此过度繁琐的重复操作将导致人力、物力的严重浪费，可见，该种由CN102260003A所展示的方案其实际的废水降解处理效率可能不能尽如人意。因此，如何在不造成更多微波能量浪费或减少微波能量浪费的前提下，增加单罐废水处理量，减少该间歇式废水处理装置的不必要的太多的由首至尾的重复操作次数，提高其废水处理效率，是一个有意义的值得关注的技术问题。
另一方面，据文献报道，某些体系，在微波直接辐照废水液体的情况下，光化学催化降解效率确有提高，也就是说，在某些体系中，微波直接辐照废水液体与光化学催化降解之间，存在一定的耦合作用。
因此，如何在兼顾所述耦合作用的前提下，提高废水降解装置的处理效率，值得探讨。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，在兼顾所述耦合作用的前提下，研发一种能够允许大幅提升反应罐设计容量、有助于减少不必要重复操作次数的新型的废水微波光催化降解处理装置。
本发明通过如下方案解决所述技术问题，该方案提供一种兼顾微波与光化学催化耦合作用的大容量废水降解装置，该装置的结构包括反应器，该反应器是一个中空的金属容器，该反应器其外形轮廓呈立方体形、长方体形、圆柱体形、椭圆柱体形、多棱柱体形、球体形或椭球体形，在该反应器内腔的底部位置装设有一些微孔曝气头，以及，石英管，该石英管架设在所述反应器的内腔位置，该石英管的两端装设有封堵盖头，分别位于石英管两端的所述封堵盖头上均开设有通气接口，以及，无极紫外灯，该无极紫外灯呈棒状、环状、球状、海星状或海胆状，该无极紫外灯的数量至少在一个以上，该数量至少在一个以上的无极紫外灯均架设在所述石英管的内部，以及，空气泵，该空气泵装设于反应器的外部，所述石英管其一端封堵盖头上的通气接口经由通气管道并透过反应器的壁与所述空气泵的出气口联通，所述石英管其另一端封堵盖头上的通气接口经由另一条通气管道与位于反应器内腔底部的微孔曝气头联通，以及，微波发生器，该微波发生器装设于反应器的外部，该微波发生器是磁控管，以及，波导管，该波导管是用于传输微波的构件，该波导管的一端与所述磁控管联通，该波导管的另一端透过反应器的壁与反应器的内腔联通，以及，膜分离组件，该膜分离组件装设在反应器的内腔位置，以及，水泵，该水泵位于反应器的外部，该膜分离组件经由通水管道并透过反应器的壁与水泵的进水口联通，该水泵的出水口与位于反应器外部的净水池联通，以及，另一台水泵，该另一台水泵位于反应器的外部，该另一台水泵的出水口经由另一条通水管道并透过反应器的壁与反应器的内腔联通，该另一台水泵的进水口与位于反应器外部的污染水水池联通，该反应器上方开设有尾气排放口，重点是，该波导管的透过反应器的壁的那一端进一步延伸进入反应器的内腔，以及，该反应器的结构还包括金属材质的笼状的微波辐照空域约束器，该笼状的微波辐照空域约束器上含有许多的孔洞，该笼状的微波辐照空域约束器的功能是约束微波辐照空域，该金属材质的笼状的微波辐照空域约束器就是一个金属笼，该金属笼装设在反应器的内腔位置，该波导管的深入反应器内腔的那个端口与该金属笼的内腔联通，所述联通指的是微波通道意义上的连接与贯通，所述石英管是架设在该金属笼的内部，两条所述通气管道均穿透该金属笼的壁，该金属笼的壁的结构位置是介于反应器内壁与石英管外壁之间的结构位置。
所述金属材质一词，其本身的技术含义，是公知的。
所述磁控管，以及，波导器件、波导管、波导头等等表达，其技术含义对于微波技术领域的专业人员而言是公知的。所述磁控管，以及，波导管等，均有市售；所述磁控管，以及，波导管等，也可以向专业厂家定制；所述波导管当然也可以根据需要自行制作，该制作对于微波技术领域的专业人员而言，波导器件的制作是简单的。
所述石英管，其技术含义是公知的；所述石英管市场有售。
所述无极紫外灯，其技术含义对于光源技术领域的专业人员而言是公知的；所述无极紫外灯市场有售；所述无极紫外灯其形状、尺寸、内部所填充气体、灯壁材料、灯壁厚度，等等，也可以根据具体设计需要，向电光源制造企业定制。当然，也可以自行制作。无极紫外灯的制作对于具备电光源专业知识的专业人员而言，其制作技术是简单的。
所述水泵、空气泵、微孔曝气头、膜分离组件等等，其技术含义对于其各自相应的技术领域的专业人员而言，均是公知的，并且均有市售。
本案所述金属笼可以是由任何金属材质制成的金属笼；但是，鉴于废水降解处理所涉强氧化性条件，不锈钢材质是优选材质。
优选的所述金属笼可以是由不锈钢冲孔板经模压、焊接、铆接或借助螺丝、螺帽等辅助性配件拼接制成的金属笼。
优选的所述金属笼也可以是由不锈钢丝编织制成的金属笼。
应用本案装置，反应器内的废水以及由反应器底部鼓泡而上的含臭氧空气可以透过金属笼的众多孔洞或网眼进入金属笼与石英管之间的区域，废水与含臭氧空气在此区域一并参与微波光化学耦合催化氧化降解作用，而受到一定降解作用之后的废水，又可以自由地透过金属笼的众多的孔洞或网眼由金属笼内部向外逸出，如此循环地、往复地、自动地不断进行着降解作用，直至整个反应器内部的全部废水都达到降解指标。
本案金属笼的内壁与石英管外壁之间的距离没有限制，该距离可以是任意的距离；但是，该金属笼的内壁与石英管的外壁之间的距离的优选值是介于3.0厘米与30.0厘米之间。
该金属笼的内壁与石英管的外壁之间的距离的更进一步优选的数值范围是介于10.0厘米与20.0厘米之间。
本案装置中，借助于金属笼对微波辐照空域的隔离与限制作用，在金属笼与反应器内壁之间的区域，形成了一个不属于光化学与微波耦合催化降解的直接作用区域，由于微波基本上无法影响到该区域，微波在这一区域因废水的单纯的致热吸收而造成的能量无益耗散得以遏制，如此，无论该区域体积怎样扩大，都是允许的；基于此，本案装置的结构，允许大幅度地扩张所述反应器的单罐设计处理容量，允许大幅度地扩张反应器的体积，当然，是通过金属笼来限制微波辐照空域，并大幅扩张金属笼与反应器内壁之间的空域的设计体积来实现的。其它因素，例如，微波辐照功率、紫外光波长范围、紫外光光强度的大小、光化学催化剂二氧化钛纳米粉或所使用的各型改性催化剂纳米粉其本身的粒径、制备工艺、催化效能等等，也都会影响到本案装置的废水处理能力，这些不是本案的重点。
本案装置的结构，还可以包括一些附件，所述附件例如：与磁控管冷却管道连接的冷却水循环系统或风冷系统；所述附件还例如用于将无极紫外灯固定在石英管之内的固定支架；所述附件再例如用于将所述金属笼固定在反应器之内的支持构件；所述附件更例如用于将所述金属笼吊挂在反应器之内的吊挂构件；所述附件当然也可以包括将所述石英管固定在所述金属笼之内的支架或固定架或吊架；所述附件又例如装设于各个液流及气流管道上的开关、阀门，等等。
所述附件也可以包括用于保护膜分离组件免受紫外线辐照的隔板；所述隔板不是必须的，因为在体积够大的情况下，紫外光源与膜分离组件的装设距离可以相隔得足够远，以至于紫外光无法穿透和到达膜分离组件所在的结构位置。
所述内含无极紫外灯的石英管的数量不限。
所述膜分离组件的数量不限。
本发明的优点是，以金属笼将无极紫外灯及其屏护用石英管笼罩其内，金属笼同时约束微波的作用空域，如此，在石英管外壁与金属笼内壁之间的空域形成了一个微波与光化学催化耦合作用的废水降解区域，而且，金属笼的多孔洞或多网眼的结构，不影响废水及反应器底部鼓泡而上的空气自由进、出该空域；而在金属笼与反应器内壁之间的空域，废水水体对微波的单纯的致热吸收被遏制，由此大幅弱化了微波能量的无益耗散；通过大幅扩张该无微波辐照空域的设计体积，可以实现单罐反应器体积的大幅扩张，允许反应器单罐废水处理量大幅提升，而不用再担心微波能量过多地耗散于无益的废水水体温升效应。
基于本案的结构，装置的设计容积即单罐废水处理量可以扩张到数个立方至数十个立方；甚至单罐数百个立方的容积，也是允许的；基于本案此结构，可以大幅度地降低全套、全程操作的频度，有利于人力、物力的节约。
本案方案在兼顾所述微波与光化学催化耦合作用的前提下，达成了反应器设计容量大幅扩张的目标。
附图说明
图1是本案装置结构的简约的透视示意图。
图中，1是反应器，2、5分别是两台装设位置不同的水泵，3是微孔曝气头，4是膜分离组件，6是石英管，7是金属材质的笼状的微波辐照空域约束器，它就是一个金属笼，8是无极紫外灯，9是空气泵，10是磁控管，11是深入反应器内腔的波导管，12、15分别是石英管两端的封堵盖头，13是尾气排放口，14指示位于金属笼内壁与石英管外壁之间的微波耦合光化学催化降解反应区域，16指示介于反应器内壁与金属笼外壁之间的微波不能到达的区域。
具体实施方式
在图1所展示的本案实施例中，该装置的结构包括反应器1，该反应器1是一个中空的金属容器，该反应器1其外形轮廓呈立方体形、长方体形、圆柱体形、椭圆柱体形、多棱柱体形、球体形或椭球体形，在该反应器1内腔的底部位置装设有一些微孔曝气头3，以及，石英管6，该石英管6架设在所述反应器1的内腔位置，该石英管6的两端装设有封堵盖头，所述封堵盖头分别是封堵盖头12和封堵盖头15，分别位于石英管6两端的所述封堵盖头12及15上均开设有通气接口，以及，无极紫外灯8，该无极紫外灯8呈棒状、环状、球状、海星状或海胆状，该无极紫外灯8的数量至少在一个以上，该数量至少在一个以上的无极紫外灯8均架设在所述石英管6的内部，以及，空气泵9，该空气泵9装设于反应器1的外部，所述石英管6其一端封堵盖头12上的通气接口经由通气管道并透过反应器1的壁与所述空气泵9的出气口联通，所述石英管6其另一端封堵盖头15上的通气接口经由另一条通气管道与位于反应器1内腔底部的微孔曝气头3联通，以及，微波发生器，该微波发生器装设于反应器1的外部，该微波发生器是磁控管10，以及，波导管，该波导管是用于传输微波的构件，该波导管的一端与所述磁控管联通，该波导管的另一端透过反应器的壁与反应器的内腔联通，以及，膜分离组件4，该膜分离组件4装设在反应器1的内腔位置，以及，水泵5，该水泵5位于反应器1的外部，该膜分离组件4经由通水管道并透过反应器1的壁与水泵5的进水口联通，该水泵5的出水口与位于反应器外部的净水池联通，以及，另一台水泵2，该另一台水泵2位于反应器1的外部，该另一台水泵2的出水口经由另一条通水管道并透过反应器1的壁与反应器1的内腔联通，该另一台水泵2的进水口与位于反应器1外部的污染水水池联通，该反应器1上方开设有尾气排放口13，重点是，该波导管11的透过反应器1的壁的那一端进一步延伸进入反应器1的内腔，以及，该反应器1的结构还包括金属材质的笼状的微波辐照空域约束器7，该笼状的微波辐照空域约束器7上含有许多的孔洞，该笼状的微波辐照空域约束器7的功能是约束微波辐照空域，该金属材质的笼状的微波辐照空域约束器7就是一个金属笼，该金属笼7装设在反应器1的内腔位置，该波导管11的深入反应器1内腔的那个端口与该金属笼7的内腔联通，所述联通指的是微波通道意义上的连接与贯通，所述石英管6是架设在该金属笼7的内部，两条所述通气管道均穿透该金属笼7的壁，该金属笼7的壁的结构位置是介于反应器1内壁与石英管6外壁之间的结构位置。
所述金属材质一词，其本身的技术含义，是公知的。
金属笼7可以是由任何金属材质制成的金属笼；但是，鉴于废水降解处理所涉强氧化性条件，不锈钢材质是优选材质。
优选的所述金属笼7可以是由不锈钢冲孔板经模压、焊接、铆接或借助螺丝、螺帽等辅助性配件拼接制成的金属笼。
优选的所述金属笼7也可以是由不锈钢丝编织制成的金属笼。
金属笼7的内壁与石英管6外壁之间的距离没有限制，该距离可以是任意的距离；但是，该金属笼7的内壁与石英管6的外壁之间的距离的优选值是介于3.0厘米与30.0厘米之间，在该范围之内的任何数值都是允许实施的优选数值。
金属笼7的内壁与石英管6的外壁之间的距离的更进一步优选的数值范围是介于10.0厘米与20.0厘米之间，在该范围之内的任何数值都是允许实施的更进一步优选的数值。
实施图例中没有绘出所述其它附件。
本案的实施方式不限于图例方式。