一種光催化-膜分離耦合的有機(jī)廢水處理裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種光催化-膜分離耦合的有機(jī)廢水處理裝置，屬于廢水處理【技術(shù)領(lǐng)域】。處理裝置包括光催化系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、膜分離系統(tǒng)；光催化系統(tǒng)由反應(yīng)容器、紫外輻照燈和納米TiO2光催化劑組成；曝氣系統(tǒng)由鼓風(fēng)機(jī)和曝氣盤組成；膜分離系統(tǒng)采用納米孔皮層結(jié)構(gòu)PVDF中空纖維膜。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：水中有機(jī)污染物在紫外光作用下經(jīng)納米TiO2光催化劑在反應(yīng)區(qū)內(nèi)降解，處理后的廢水經(jīng)膜過濾抽出反應(yīng)區(qū)，納米TiO2光催化劑被中空纖維膜截留在反應(yīng)區(qū)，保證了光催化劑在反應(yīng)區(qū)的濃度，也解決了光催化劑的回收難題。
【專利說明】一種光催化-膜分離耦合的有機(jī)廢水處理裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種有機(jī)廢水處理裝置，具體涉及一種光催化-膜分離耦合的有機(jī)廢 水處理裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 光催化降解是一種新型的廢水處理技術(shù)，具有高效、節(jié)能、使用范圍廣等特點(diǎn)，可 與任何有機(jī)物反應(yīng)，對(duì)難生物降解的有機(jī)物可以直接礦化為無機(jī)小分子，具有廣泛的應(yīng)用 前景，成為近年來廢水處理的新的熱門技術(shù)。有關(guān)光催化降解的研究工作基本圍繞如何提 高光催化效率、開發(fā)新型光催化劑、具有可見光降解性能的光催化劑、如何高效快速的實(shí)現(xiàn) 納米光催化劑的回收等。
[0003] 納米Ti02光催化劑光催化活性高，穩(wěn)定性強(qiáng)，價(jià)格相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外研 究者的關(guān)注。110 2催化劑的使用一種是固定于載體上；另一種是分散于溶液之中。后者稱 為懸浮態(tài)，這種方式中，Ti02催化劑分布均勻，比表面積較涂覆式大十幾倍，催化效率更高。 但細(xì)小Ti0 2微粒不易為傳統(tǒng)的分離技術(shù)(絮凝、沉淀)分離回收，重復(fù)利用率較低，排出液易 產(chǎn)生二次污染，限制了其應(yīng)用。針對(duì)此問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。如懸浮型磁載 Ti〇 2光催化劑，保持懸浮體系較高的光催化效率，利用磁性技術(shù)實(shí)現(xiàn)Ti〇2的回收。但是在 磁性載體與Ti〇 2的結(jié)合過程中，操作條件容易造成Ti〇2光催化活性的降低，并可能通過氧 化磁載材料等而影響磁分離性能。此外，磁載材料和Ti0 2結(jié)合的牢固性也有待進(jìn)一步研究。 有的學(xué)者利用納米1102微球來解決其回收問題，通過特殊的工藝制得中空型微球負(fù)載納米 Ti〇 2光催化劑，但是中空微球的制備方法和操作條件對(duì)光催化降解效率影響較大。所以尋 找高效、簡(jiǎn)便的Ti〇2光催化劑分離技術(shù)，對(duì)光催化技術(shù)的發(fā)展十分重要。
[0004] 膜分離技術(shù)是迅速發(fā)展起來的一種新型分離、凈化技術(shù)。在廢水處理過程中，它 是借助膜表面的微孔截留作用來達(dá)到分離脫除污染物的目的，無相變和二次污染，常溫下 連續(xù)操作，具有能耗低、設(shè)備體積小、操作方便、容易放大等優(yōu)勢(shì).然而，膜污染問題導(dǎo) 致膜通量下降，并縮短膜的使用壽命，盡管控制膜污染措施取得了一定的研究進(jìn)展，但 仍是膜分離技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸。對(duì)于光催化劑納米顆粒，目前沒有相應(yīng)的過濾膜用于其 分離。納濾、反滲透膜可以達(dá)到納米級(jí)顆粒的截留，但是此過程需消耗大量動(dòng)力，而且對(duì)料 液的預(yù)處理有很高的要求，非常不適合納米110 2顆粒的截留回收。中空纖維膜是用在廢水 處理中最廣泛的膜技術(shù)之一，可以通過控制鑄膜液組成，紡絲工藝參數(shù)制得對(duì)納米顆粒具 有截留效果的中空纖維膜。
[0005] 紫外光的照射和光催化過程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)氧化性羥基自由基，會(huì)破壞膜材料的結(jié) 構(gòu)，從根本上破壞分離膜和整個(gè)光催化-膜分離處理工藝。此外，膜分離過程需要膜承 受一定的壓力和水流的沖刷作用。因此，膜要求具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性。無機(jī) 陶瓷膜比較耐紫外光的照射和光催化過程中產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性羥基自由基，可以較好地滿足 實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性要求，但由于其價(jià)格昂貴，納米孔難以制得等缺點(diǎn)。因此，尋求廣泛采用且價(jià) 格相對(duì)低廉的有機(jī)高分子聚合膜成為首選。絕大部分有機(jī)高分子聚合膜在紫外光降解環(huán)境 中穩(wěn)定性很差，但是聚偏氟乙烯膜耐紫外光的照射和光催化過程中產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性羥基自 由基，是十分優(yōu)異的過濾膜材料。通過控制鑄膜液組成，制得納米孔皮層結(jié)構(gòu)的中空纖維 膜，可以對(duì)水中的納米Ti02顆粒實(shí)現(xiàn)截留，可以解決光催化技術(shù)中光催化劑回收難的問題， 又能解決膜分離工藝發(fā)展的膜污染問題，二者的耦合過程還能產(chǎn)生一系列的協(xié)同作用，從 而大大提高水處理的效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種光催化-膜分離耦合的有機(jī)廢水處理裝置，該處理裝 置可以對(duì)水中的納米Ti0 2顆粒實(shí)現(xiàn)截留，可以解決光催化技術(shù)中光催化劑回收難的問題， 又能解決膜分離工藝發(fā)展的膜污染問題。
[0007] 本發(fā)明是這樣來實(shí)現(xiàn)的，一種光催化-膜分離耦合的有機(jī)廢水處理裝置，其特征 在于：它包括光催化系統(tǒng)，曝氣系統(tǒng)和膜分離系統(tǒng)；所述光催化系統(tǒng)由反應(yīng)容器、納米光催 化劑、紫外光輻照發(fā)生器組成；所述曝氣系統(tǒng)由鼓風(fēng)機(jī)和曝氣盤組成；所述膜分離系統(tǒng)采 用納米孔皮層結(jié)構(gòu)PVDF中空纖維膜，所述PVDF中空纖維膜對(duì)納米光催化劑顆粒的截留率 超過99%。
[0008] 進(jìn)一步的，所述PVDF中空纖維膜封裝成浸沒簾式PVDF中空纖維膜組件和外壓式 PVDF中空纖維膜組件，不同的耦合方式選用不同的膜組件。 進(jìn)一步的，所述膜分離系統(tǒng)和光催化降解系統(tǒng)的耦合的第一種形式：浸沒簾式PVDF中 空纖維膜組件內(nèi)置于光催化系統(tǒng)的反應(yīng)容器中，外接真空抽吸泵，將處理后的廢水抽走，將 反應(yīng)區(qū)中的納米光催化劑截留。
[0009] 進(jìn)一步的，所述膜分離系統(tǒng)和光催化系統(tǒng)的耦合的第二種形式：外壓式PVDF中空 纖維膜組件置于光催化降解系統(tǒng)的反應(yīng)容器外部，廢水容器中經(jīng)處理后的廢水由循環(huán)泵泵 入外壓式PVDF中空纖維膜組件內(nèi)，水透過膜后排放，Ti0 2納米顆粒被截留后返回反應(yīng)器中， 繼續(xù)參與光降解活動(dòng)。
[0010] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：水中有機(jī)污染物在紫外光作用下經(jīng)納米Ti〇2光催化劑在反應(yīng)區(qū) 內(nèi)降解，處理后的廢水經(jīng)膜過濾抽出反應(yīng)區(qū)，納米Ti〇 2光催化劑被中空纖維膜截留在反應(yīng) 區(qū)，保證了光催化劑在反應(yīng)區(qū)的濃度，也解決了光催化劑的回收難題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明的聚偏氟乙烯中空纖維膜微觀結(jié)構(gòu)圖一。
[0012] 圖2為本發(fā)明的聚偏氟乙烯中空纖維膜微觀結(jié)構(gòu)圖二。
[0013] 圖3為本發(fā)明的浸沒簾式膜分離-光催化耦合反應(yīng)器裝置。
[0014] 圖4為本發(fā)明的外壓式膜分離-光催化耦合反應(yīng)器裝置。
[0015] 在圖中，1、浸沒式簾式膜組件或外壓式膜組件，2、反應(yīng)容器，3、收集液儲(chǔ)罐，4、循 環(huán)泵，5、曝氣機(jī)，6、紫外燈光源，7、真空抽吸泵，8、曝氣盤。

【具體實(shí)施方式】
[0016] 本發(fā)明面向納米Ti02光催化顆粒截留的PVDF中空纖維膜制備：聚偏氟乙烯膜材 料22%，復(fù)配型致孔添加劑15%，溶劑58%，非溶劑添加劑5%，經(jīng)過溶解后制得鑄膜液，經(jīng)干噴 濕紡干濕相轉(zhuǎn)化法制得納米孔皮層結(jié)構(gòu)的聚偏氟乙烯中空纖維膜(如圖1、圖2所示)，制得 的聚偏氟乙烯中空纖維膜對(duì)納米Ti02光催化顆粒的截留率達(dá)到99%。將制得的聚偏氟乙烯 中空纖維膜封裝成浸沒簾式膜組件（圖3中1)和外壓式膜組件（圖4中1)。
[0017] 如圖3所示，將浸沒簾式膜組件1放在光催化反應(yīng)器的反應(yīng)容器2中，外接真空 抽吸泵7,真空抽吸泵7和浸沒簾式膜組件1之間設(shè)置收集液儲(chǔ)罐3,處理污水由循環(huán)泵4 循環(huán)，用量為〇. 5-5. Og/L納米Ti02催化劑加入反應(yīng)容器2中，曝氣機(jī)5通過曝氣盤8以 0. 3-0. 5L/min速度在反應(yīng)容器2中加氣，使得納米Ti02催化劑懸浮在反應(yīng)容器2中，反應(yīng) 容器2頂部放置紫外燈光源6,廢水中污染物在紫外燈光源發(fā)射出的紫外光作用下經(jīng)納米 Ti02顆粒礦化成無機(jī)小分子。光降解一段時(shí)間后，開啟真空抽吸泵7,處理后的廢水經(jīng)浸沒 簾式膜組件1經(jīng)泵抽出外反應(yīng)容器外，納米Ti0 2催化劑被截留在反應(yīng)容器內(nèi)，繼續(xù)對(duì)水中 有機(jī)污染物降解。
[0018] 如圖4所示，將外壓式膜組件1用循環(huán)泵4和管路串聯(lián)在光催化反應(yīng)器的反應(yīng)容 器2外部，外接真空抽吸泵7,真空抽吸泵7和外壓式膜組件1之間設(shè)置收集液儲(chǔ)罐3,處理 污水由循環(huán)泵4循環(huán)，用量為0. 5-5. Og/L納米Ti02催化劑加入反應(yīng)容器2中，曝氣機(jī)5通 過曝氣盤8以0. 3-0. 5L/min速度在反應(yīng)容器2中加氣，使得納米Ti02催化劑懸浮在反應(yīng) 容器2中，反應(yīng)容器2頂部放置紫外燈光源6,廢水中污染物在紫外燈光源發(fā)射出的紫外光 作用下經(jīng)納米Ti0 2顆粒礦化成無機(jī)小分子。光降解一段時(shí)間后，開啟真空抽吸泵7,處理后 的廢水經(jīng)外壓式膜組件1經(jīng)泵抽出外反應(yīng)容器外，納米110 2催化劑被截留在反應(yīng)容器內(nèi)， 繼續(xù)對(duì)水中有機(jī)污染物降解。
[0019] 實(shí)施例1 : 將0.5m2浸沒簾式膜組件放在光催化反應(yīng)器的反應(yīng)容器中，外接真空抽吸泵，光降 解-膜分離耦合反應(yīng)器裝置如圖3所示。將濃度為20mg/L的甲基橙污水以和用量為5g/L 納米1102催化劑加入反應(yīng)器混合，水力停留時(shí)間為2h，紫外光輻照計(jì)電流15A，輻照強(qiáng)度為 80Mw/cm 2,加氣速度為0. 4L/min。真空抽吸泵抽出的水量為80L/m2. h，抽出水中納米Ti02濃 度低于〇. lg/L，甲基橙含量為0,污染物去除率達(dá)到100%。
[0020] 實(shí)施例2 : 將0. 6m2外壓式膜組件用循環(huán)泵串聯(lián)在光催化反應(yīng)器的廢水容器外部，膜組件出水側(cè) 外接真空抽吸泵，光降解-膜分離耦合反應(yīng)器裝置如圖4所示。將濃度為20mg/L的雙酚 A污水以和用量為5g/L納米Ti02催化劑加入反應(yīng)器混合，紫外光輻照計(jì)電流20A，輻照強(qiáng) 度為115Mw/cm 2,加氣速度為0. 5L/min。真空抽吸泵抽出的水量為75L/m2. h，抽出水中納米 Ti〇2濃度低于0. lg/L，雙酚A含量為0,污染物去除率達(dá)到100%。
【權(quán)利要求】
1. 一種光催化-膜分離耦合的有機(jī)廢水處理裝置，其特征在于：它包括光催化系統(tǒng)， 曝氣系統(tǒng)和膜分離系統(tǒng)；所述光催化系統(tǒng)由反應(yīng)容器、納米光催化劑、紫外光輻照發(fā)生器組 成；所述曝氣系統(tǒng)由鼓風(fēng)機(jī)和曝氣盤組成；所述膜分離系統(tǒng)采用納米孔皮層結(jié)構(gòu)PVDF中空 纖維膜，所述PVDF中空纖維膜對(duì)納米光催化劑顆粒的截留率超過99%。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光催化-膜分離耦合的有機(jī)廢水處理裝置，其特征在于： PVDF中空纖維膜封裝成浸沒簾式PVDF中空纖維膜組件和外壓式PVDF中空纖維膜組件，不 同的耦合方式選用不同的膜組件。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種光催化-膜分離耦合的有機(jī)廢水處理裝置，其特征 在于：膜分離系統(tǒng)和光催化降解系統(tǒng)的耦合的第一種形式：浸沒簾式PVDF中空纖維膜組件 內(nèi)置于光催化系統(tǒng)的反應(yīng)容器中，外接真空抽吸泵，將處理后的廢水抽走，將反應(yīng)區(qū)中的納 米光催化劑截留。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種光催化-膜分離耦合的有機(jī)廢水處理裝置，其特征 在于：膜分離系統(tǒng)和光催化系統(tǒng)的耦合的第二種形式：外壓式PVDF中空纖維膜組件置于光 催化系統(tǒng)的反應(yīng)容器外部，廢水在反應(yīng)容器中經(jīng)降解后由循環(huán)泵泵入外壓式PVDF中空纖 維膜組件內(nèi)，水透過膜后排放，Ti0 2納米顆粒被截留后返回反應(yīng)容器中，繼續(xù)參與光降解活 動(dòng)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光催化-膜分離耦合的有機(jī)廢水處理裝置，其特征在 于：納米孔皮層結(jié)構(gòu)PVDF中空纖維膜的制備是：聚偏氟乙烯膜材料22%，復(fù)配型致孔添加劑 15%，溶劑58%和非溶劑添加劑5%，上述材料經(jīng)過溶解后制得鑄膜液，經(jīng)干噴濕紡干濕相轉(zhuǎn) 化法制成。
【文檔編號(hào)】C02F9/08GK104086037SQ201410365650
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月30日
【發(fā)明者】董永全, 吳詩(shī)婷, 許輝, 吳冬冬, 肖冬平, 嚴(yán)斐斐 申請(qǐng)人:南昌航空大學(xué)