一种非接触微波催化水处理装置及水处理方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种非接触微波催化水处理装置及水处理方法，包括：石英反应器，其底部分布有若干柱状凹槽，柱状凹槽内填充有催化剂；微波发生器，用于产生微波；波导，连接微波发生器和石英反应器，柱状凹槽伸入波导中，石英反应器的溶液盛放区位于波导之外；以及搅拌器，位于石英反应器的溶液盛放区。该装置能够减少水体对微波的吸收，从而在保证有机废水降解效率的同时节约能耗，提升工艺经济性。

A Non-contact Microwave Catalytic Water Treatment Device and Water Treatment Method

【技术实现步骤摘要】
一种非接触微波催化水处理装置及水处理方法
本专利技术属于有机废水处理
，具体涉及一种利用微波液相放电高效处理有机废水的非接触微波催化水处理装置及水处理方法，该装置能够减少水体对微波的吸收，从而在保证有机废水降解效率的同时节约能耗，提升工艺经济性。
技术介绍
公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。现代工业生产规模日益发展扩大的同时，大量有毒有害的废水也在其生产过程中排放出来，对水体、土壤造成了不可逆的污染。这类废水一般来源于造纸业、皮革业、化工业、制药业、焦化业、食品加工、印染业以及垃圾渗滤液等行业，其COD含量通常较高，且常含有卤化物、硝基化合物、酚类化合物等结构复杂、性质稳定、难以降解的有机物质，所以也常称其为有机废水。如果不加以有效处理，具有致癌性、神经毒性和致突变性的该类废水最终可能会对水体生物和人类的生活造成严重的威胁及危害。微波作为一种新兴技术针对这种难降解有机废水有着较好的处理效果，将微波应用于有机废水处理主要利用了微波自身的热效应和非热效应。水体快速吸收微波后，可以有效提升反应体系温度，并且还能够诱导催化剂表面产生“高能位点”，大幅提高有机物在“高能位点”表面的反应速率与效率。其次利用了微波的诱导催化作用，即微波的“非热效应”。虽然微波本身不具催化效果，但其能够诱导强烈吸收微波的催化剂产生一种肉眼难见的“微区放电”现象，水体中的水分子和溶解氧能够在放电表面高能位点的作用下被激发产生具有很高氧化能力的·OH自由基，从而快速氧化目标有机物。另外，微波的量子能量约为10-6-10-3ev，从量子效应角度考虑，其能量不足以使化学键断裂，但可使化合物中某些化学键振动或转动，导致这些化学键的减弱，从而降低反应的活化能，促进目标化合物的分解与矿化。基于上述优势，微波与催化剂交互作用水处理技术得到了广泛的研究，LiLin等人利用微波来降解水体中的NH3-N，在小型试验装置内反应3min后NH3-N的去除效率可达100％，中试试验装置内反应60min后NH3-N的去除效率可达到80％。AliciaL等人研究了以活性炭和氧化铝负载铁作为催化剂的微波催化氧化反应，苯酚作为目标污染物实验结果表明，在当前实验条件下，苯酚氧化反应的进行主要是通过直接的芳香环的击穿，产生羧酸，而几乎没有检测到的有毒中间体的氢醌和对苯醌的形成。专利技术人发现，尽管微波针对难降解有机废水有着较高的处理效率，但是在实际应用中存在能耗严重的问题，大量的微波能被水体吸收，并且通过环境损失及溶液蒸发等途径而耗散。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的是提供一种非接触微波催化水处理装置及水处理方法，该装置能够减少水体对微波的吸收，从而在保证有机废水降解效率的同时节约能耗，提升工艺经济性。为了解决以上技术问题，本专利技术的技术方案为：一种非接触微波催化水处理装置，包括：石英反应器，其底部分布有若干柱状凹槽，柱状凹槽内填充有催化剂；微波发生器，用于产生微波；波导，连接微波发生器和石英反应器，柱状凹槽伸入波导中，石英反应器的溶液盛放区位于波导之外；以及搅拌器，位于石英反应器的溶液盛放区。向石英反应器中加入有机废水后，开启微波发生器，微波在波导的定向输送作用下，输送至石英反应器的柱状凹槽，与柱状凹槽中的催化剂进行交互，由于柱状凹槽中填充有催化剂，其中有机废水的量很少，微波的大部分能量被催化剂吸收，而被有机废水吸收的量很少，进而减少了微波损失、节省了能耗。微波被催化剂吸收后，产生“微区放电”效应，产生具有强氧化能力的羟基自由基等活性物质，该部分活性物质在搅拌器的搅拌作用下迅速向石英反应器的溶液盛放区扩散，有机废水中的有机物质被活性物质高效催化降解。搅拌器使扩散到溶液盛放区的活性物质迅速分散均匀，进而可以保持柱状凹槽中的催化剂区域与溶液盛放区的活性物质的浓度差，以保证活性物质的迅速扩散至溶液盛放区的有机废水，提高有机废水的处理效率。在一些实施例中，所述柱状凹槽的直径与长度的比例为1:5-8。经过试验发现，该长度比过大时，柱状凹槽较为细长结构，催化剂表面产生的活性物质难以迅速地扩散至有机溶液中，影响有机废水的处理效率。该长度比过小时，柱状凹槽为粗短结构，柱状凹槽中的催化剂的厚度较小，进入催化剂层的微波很容易穿过催化剂层进入有机废水中，导致微波的损失，增大能耗。在一些实施例中，所述柱状凹槽的直径与长度的比例为1:6-7。在该比例范围内，有机废水的处理能耗较低，有机废水的处理效率较高。在一些实施例中，所述柱状凹槽的直径与长度的比例为1:7.5。在该比例时，有机废水的处理能耗很低，有机废水的处理效率最好。在一些实施例中，所述催化剂为颗粒状，催化剂的粒径为10-30目。催化剂粒径较小时，催化剂的填充较密实，产生的活性物质难以快速扩散至有机废水中，影响有机废水的处理效率；而催化剂的粒径较大时，颗粒之间的空间较大，可以存放较多的水，该部分水会吸收较多的微波，会增大微波的损失。在一些实施例中，所述若干柱状凹槽均布于石英反应器的底部。在一些实施例中，所述柱状凹槽的轴线与波导的轴线垂直。以最小的长度覆盖最大的微波传输面积，即提高了微波的利用率，又可以提高活性物质的扩散速度。在一些实施例中，所述波导的与微波发生器相对的一端设置截止波导。可以防止波导中的微波进入周围环境中。一种非接触微波催化水处理方法，包括如下步骤：将催化剂填充满柱状凹槽，将石英反应器与波导连接，使柱状凹槽伸入波导中；开启微波发生器，产生的微波进入柱状凹槽中，被催化剂吸收，在催化剂表面产生活性物质，活性物质扩散至有机废水中，对有机废水中的有机污染物进行降解。将催化剂填充满柱状凹槽，可以防止过多的水对微波产生吸收作用。当需要填充的催化剂量少时，可以仅将部分柱状凹槽填充满催化剂，其他柱状凹槽内可以填充非吸波物质，以减少废水对微波的吸收损耗。在一些实施例中，所述微波的功率为0-1000W，根据具体的有机废水调节合适的微波功率范围。微波产生的高温也会加速活性物质的扩散，提高有机废水的降解效率。在一些实施例中，所述催化剂为活性炭或碳毡负载二氧化钛。碳毡负载二氧化钛为将纳米二氧化钛与水混合成浊液，之后用喷枪喷在碳毡上经干燥后制成。在一些实施例中，所述催化剂与有机废水的质量比为1:400-550。本专利技术的有益技术效果为：本专利技术中微波只与催化剂及少部分水溶液进行了交互作用，绝大多数的微波能量被催化剂吸收，并由此而产生了“微区放电”效应，水溶液中的污染物质在催化剂表面被放电过程产生的活性物质高效催化降解。在整个工艺流程中，水溶液吸收微波能量极少，因此也没有因水溶液蒸发而耗散的能量，整体能耗较低，相应的提升了工艺流程经济性。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为本专利技术的实施例微波液相放电处理有机废水实验系统的结构示意图；图2为本专利技术实施例1的微波功率对有机废水降解效率的影响曲线图；图3为本专利技术实施例2的催化剂添加量对有机废水降解效率的影响曲线图。其中，1、微波发生器，2、波导，3、微波辐射，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非接触微波催化水处理装置，其特征在于：石英反应器，其底部分布有若干柱状凹槽，柱状凹槽内填充有催化剂；微波发生器，用于产生微波；波导，连接微波发生器和石英反应器，柱状凹槽伸入波导中，石英反应器的溶液盛放区位于波导之外；以及搅拌器，位于石英反应器的溶液盛放区。

【技术特征摘要】
1.一种非接触微波催化水处理装置，其特征在于：石英反应器，其底部分布有若干柱状凹槽，柱状凹槽内填充有催化剂；微波发生器，用于产生微波；波导，连接微波发生器和石英反应器，柱状凹槽伸入波导中，石英反应器的溶液盛放区位于波导之外；以及搅拌器，位于石英反应器的溶液盛放区。2.根据权利要求1所述的非接触微波催化水处理装置，其特征在于：所述柱状凹槽的直径与长度的比例为1:5-10；优选的，所述柱状凹槽的直径与长度的比例为1:6-7。优选的，所述柱状凹槽的直径与长度的比例为1:7.5。3.根据权利要求1所述的非接触微波催化水处理装置，其特征在于：所述催化剂为颗粒状，催化剂的粒径为10-30目。4.根据权利要求1所述的非接触微波催化水处理装置，其特征在于：所述若干柱状凹槽均布于石英反应器的底部。5.根据权利要求1所述的非接触微波催化水处理装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛岩鹏，薛超，董伟，吴含，王文龙，陈桂芳，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37