CN101538098A - 一种集成光催化和无机膜过滤技术的饮用水净化装置 - Google Patents

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史载锋
林小明
张苏敏
张琼梅
何文英
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Abstract

一种集成光催化和无机膜过滤技术的饮用水净化装置，包括活性炭过滤组件、无机膜过滤组件和光催化膜反应组件，水流从活性炭过滤组件流入，流经无机膜过滤组件，最终从光催化膜反应组件流出饮用净化水。本发明无机膜过滤组件以及光催化膜反应组件均采用立式安装，防止沉积物对膜的污染、避免流动死区，活性炭可采用食用乙醇浸泡再生并重复利用，并且无机膜过滤组件的无机膜机械强度高、耐腐蚀，整个装置各组件使用寿命长，无需经常清洗或更换；采用光催化膜反应灭菌，效果好，深度净水，将光催化剂负载于不锈钢或玻璃管内壁，采用紫外光源激发光催化膜反应，达到灭菌和降解微量有机物的目的，不存在催化剂分离的问题，不会造成水的二次污染。

Description

一种集成光催化和无机膜过滤技术的饮用水净化装置
技术领域
本发明涉及水源净化，利用光催化技术和无机膜过滤技术来净化饮用水，具体为一种集成光催化和无机膜过滤技术的饮用水净化装置。
背景技术
在饮用水处理方面，目前现有设备多是采用吸附的方法去除水中微量有机物，存在吸附平衡和饱和的限制，致使有机物去除不彻底。悬浮物过滤多采用棉质或有机膜滤芯，虽然可以取得较好的功率效果，但是机械强度和耐腐蚀性受限制，而且不能够起到灭菌的目的。灭菌措施多采用紫外灯灭菌，在无催化剂作用的情况下，该种方式灭菌效果不彻底，存在细菌光复活的现象。
中国专利CN02115309.4《家庭式光催化饮用水净化装置》，它包括流速控制器、初级处理装置、光催化处理装置和储水器；光催化处理装置为立罐式结构，它包括紫外光源及其玻璃管护套、内壁涂有光催化薄膜的普通玻璃管等；该发明的优点是采用了光催化膜反应处理技术。缺点是用于过滤悬浮物的滤芯在使用一段时间后需要更换，使用寿命受限制。
中国专利CN98125835.2《可连续光催化净化含有机污染物废水及饮用水的方法及设备》，属于半导体光催化反应技术领域，特别涉及连续光催化净化含有机污染物废水及饮用水的方法及设备。该设备采用催化剂颗粒粒径为16-220nm，处理后经分离器分离而得到合格水。该设备虽然采用了光催化技术，但催化剂颗粒的分离过程使得设备复杂化，而且存在超细颗粒分离不彻底的可能。
中国专利CN200710025817.4《一种用于饮用水深度处理的光催化集成装置》，涉及一种饮用水深度处理光催化集成装置，该装置由缓冲桶、气液混合泵、光催化反应器中一根或一根以上光催化反应管、过滤装置及相应管路构成，其特征在于光催化反应管由不锈钢管、石英套管、紫外灯和导流环组成，石英套管内置紫外灯，并置于不锈钢管中央，石英套管与不锈钢管之间的环隙间距为0.5～50mm。该装置采用颗粒状或纤维状催化剂，也存在催化剂分离的问题。
中国专利CN01237303.6《一种应用光催化技术的饮水机》，也应用了TiO2光催化灭菌技术，但采用的是TiO2颗粒，由于TiO2颗粒难以回收，存在对饮用水造成二次污染的可能。
本发明依托海南省自然科学基金资助课题“纳米光催化剂的负载与应用技术研究”，在已申请专利200510040893.3《TiO2光催化在陶瓷表面的负载方法》的基础上，将光催化剂负载于不锈钢或玻璃管内壁，采用紫外光源激发光催化反应，达到灭菌和降解微量有机物的目的。同时连用机械强度高、耐腐蚀的无机膜过滤和活性炭吸附，对自来水进行去除有机物和悬浮物的预处理。自来水经物理吸附和过滤等预处理，再利用光催化膜反应进行深度处理后即可实现自洁饮用的目的。
发明内容
本发明要解决的问题是：现有的饮用水净化装置采用有机膜过滤，有机膜机械强度和耐腐蚀性受限制，不易清洗，需要经常更换，而且不能灭菌；采用紫外灯灭菌在无催化剂作用的情况下效果不彻底，存在细菌光复活的现象；采用光催化膜反应灭菌的净化装置大都存在催化剂分离的问题。
本发明的技术方案为：一种集成光催化和无机膜过滤技术的饮用水净化装置，包括活性炭过滤组件、无机膜过滤组件和光催化膜反应组件，活性炭过滤组件、无机膜过滤组件和光催化膜反应组件依次连接，水流从活性炭过滤组件流入，流经无机膜过滤组件，最终从光催化膜反应组件流出饮用净化水。
本发明光催化膜反应组件的主体为膜反应管，膜反应管的内壁负载有光催化剂薄膜，光源置于膜反应管的轴心位置，光源外套有石英套管；膜反应管为立式结构，至少一端采用不锈钢法兰密封，水流由底部的进水口，经分布器均匀进入膜反应管，由顶部的出水口流出引用净化水。
本发明无机膜过滤组件采用错流过滤，无机膜过滤组件的无机膜构成的水流通路位于两端用法兰密封的不锈钢管内，所述水流通路竖直设置，过滤后的水进入无机膜与不锈钢管之间，再流入光催化膜反应组件。无机膜为无机陶瓷膜，平均膜孔径小于1μm，无机陶瓷膜附着在多孔陶瓷管上，所述多孔陶瓷管为水流通路，置于两端用法兰密封的不锈钢管内，多孔陶瓷管的两端采用密封圈与不锈钢管隔绝，水流由多孔陶瓷管底部进入，未经无机膜过滤的水由多孔陶瓷管顶部流出，过滤后的水流入多孔陶瓷管与不锈钢管之间的空间。
本发明活性炭过滤组件的活性炭为粒径大于1μm的颗粒，可再生并重复利用，如采用食用乙醇浸泡。
本发明光催化膜反应组件的膜反应管的管材种类包括不锈钢、玻璃和陶瓷；膜反应管内壁负载的光催化剂包括TiO2、掺杂型TiO2；膜反应管内光源为功率小于15W的紫外灯或辐射光谱含小于400nm的电致发光光源。
本发明提供了一种联合使用活性炭吸附、无机膜过滤和TiO2光催化高效灭菌和去除微量有机物的饮用水净化装置，该装置适用于自来水深度净化，制备可供直接饮用的净水。本发明由三部分构成，活性炭过滤组件和无机膜过滤组件为预处理部分，用于去除自来水中的部分有机物和余氯以及自来水中的悬浮物，光催化膜反应组件为深度处理部分：在紫外光和负载于膜反应管内壁的光催化剂薄膜的作用下，达到快速灭菌、降解余氯以及残留有机物的效果，经深度处理后，细菌无光复活现象。自来水顺次经过以上三部分的作用，可以直接饮用。
本发明采用了无机膜代替常用的棉质或有机膜滤芯，以错流过滤的方式去除悬浮物，并且水流方向为竖直设置，自来水经活性炭吸附后，由无机膜过滤，未经无机膜过滤的水，沿无机膜构成的水流通路直接流出作为洗洁用水，同时该过程可以起到冲洗无机膜膜管内壁沉积物的作用，从而避免长期使用过程中滤芯的更换。
本发明无机膜过滤组件以及光催化膜反应组件均采用立式安装，防止沉积物对膜的污染、避免流动死区，活性炭可采用食用乙醇浸泡再生并重复利用，并且无机膜过滤组件的无机膜机械强度高、耐腐蚀，整个装置各组件使用寿命长，无需经常清洗或更换；采用光催化膜反应灭菌，效果好，深度净水，将光催化剂负载于不锈钢或玻璃管内壁，采用紫外光源激发光催化膜反应，达到灭菌和降解微量有机物的目的，不存在催化剂分离的问题，不会造成水的二次污染。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为本发明装置的光催化膜反应组件结构图。
图3为本发明装置的无机膜过滤组件结构图。
具体实施方式
如图1，本发明装置包括活性炭过滤组件1、无机膜过滤组件2和光催化膜反应组件3，活性炭过滤组件1、无机膜过滤组件2和光催化膜反应组件3依次连接，水流4从活性炭过滤组件1流入，流经无机膜过滤组件2，在无机膜过滤组件2，未通过无机膜过滤的水流出作为洗洁用水5，经过过滤的水流入光催化膜反应组件3，最终从光催化膜反应组件3流出饮用净化水6。
图2为本发明装置的光催化膜反应组件结构图，光催化膜反应组件的主体为膜反应管31，膜反应管31为立式结构，膜反应管31的管材种类包括不锈钢、玻璃和陶瓷；膜反应管31内壁负载有光催化剂薄膜32，所述光催化剂包括TiO2、掺杂型TiO2；光源33置于膜反应管31的轴心位置，光源33为功率小于15W的紫外灯或辐射光谱含小于400nm的电致发光光源，光源33外设有石英套管34保护。膜反应管31顶部采用不锈钢法兰35密封，石英套管34与不锈钢法兰35的连接处设有密封部件38，水流由底部的进水口36，经分布器均匀进入膜反应管31，在紫外光和光催化剂薄膜的共同作用下，进行灭菌和降解残留的微量有机物，最后由顶部的出水口37流出引用净化水6，完成饮用水净化处理，处理后的水可直接引用。
图3是本发明装置的无机膜过滤组件结构图，无机膜过滤组件为立式结构，采用错流过滤，无机膜过滤组件的无机膜21为无机陶瓷膜，平均膜孔径小于1μm，无机陶瓷膜附着在多孔陶瓷管22上，所述多孔陶瓷管22构成水流通路，置于两端用法兰25密封的不锈钢管23内，多孔陶瓷管22的两端采用密封圈24与不锈钢管23隔绝，水流由多孔陶瓷管22底部进入，未经无机膜21过滤的水由多孔陶瓷管22顶部流出，可作为洗洁用水5，过滤后的水流入多孔陶瓷管22与不锈钢管23之间的空间，流入光催化膜反应组件。
本发明具体是这样实现的：将活性炭填充在竖直的底端封闭的筒体内，自来水由引流管进入筒体底部，经活性炭层除去有机物等一些杂质后，溢流进入无机膜过滤组件，其中，用于吸附的活性炭为粒径大于1μm的颗粒，可采用食用乙醇浸泡再生并重复利用。膜过滤组件采用错流过滤，在压力的作用下，一部分水沿径向渗透到附有无机陶瓷膜的多孔陶瓷管外，进入多孔陶瓷管与不锈钢套管形成的壳体内，并流入光催化膜反应组件，其余未通过无机陶瓷膜的水则由多孔陶瓷管顶端流出，作为一般洗洁用水。多孔陶瓷管顶端可设置阀门，调节多孔陶瓷管内水体的压力，进而控制渗透通量，该过程即为错流过滤，可以及时清除多孔陶瓷管内无机陶瓷膜表面的大部分沉积物，而无需更换多孔陶瓷管以清洁或更换附着的无机陶瓷膜。
经无机膜过滤组件过滤的水进入光催化膜反应组件。光催化膜反应组件的主体为膜反应管，以钛酸丁酯、冰醋酸、正丁醇、水的摩尔比为1∶8∶10∶3的比例配制TiO2溶胶，将陶瓷管的内壁用水清洗干净，并于稀盐酸中浸泡30min，然后再用蒸馏水洗净，之后在120℃的温度下于鼓风干燥箱中烘干一小时，待载体，即陶瓷管冷却后，用浸渍提拉法涂膜，即先将载体放入TiO2溶胶中浸泡5min，然后以10cm.min-1的速度提拉。提拉后，将载体在空气中晾干，然后再将其至于马弗炉中焙烧，通电使温度从100℃升到500℃，且温度每升高100℃均保温1小时。焙烧结束后使载体随炉温冷却，即得负载有TiO2薄膜的膜反应管，重复上述步骤，即可得到附有4层TiO2的薄膜，SEM测定膜的厚度为200nm。水流在光催化膜反应组件中进行深度处理，在紫外光和负载于膜反应管内壁的光催化剂薄膜的作用下，达到快速灭菌、降解余氯以及残留有机物的效果，经深度处理后，细菌无光复活现象。
自来水分别通过本发明装置的活性炭过滤组件：活性炭颗粒粒径大于1μm；无机膜过滤组件：无机陶瓷膜，平均膜孔径0.5μm，错流过滤；再通过光催化膜反应组件：TiO2光催化薄膜，光源为4W低压汞灯，自来水经本发明装置过滤处理后，CODMn由0.19mg.L-1降低为0.05mg.L-1，去除率为73.7％，细菌总数由8个.L-1降低为0，灭菌率为100％。

Claims (10)

1、一种集成光催化和无机膜过滤技术的饮用水净化装置，其特征是包括活性炭过滤组件、无机膜过滤组件和光催化膜反应组件，活性炭过滤组件、无机膜过滤组件和光催化膜反应组件依次连接，水流从活性炭过滤组件流入，流经无机膜过滤组件，最终从光催化膜反应组件流出饮用净化水。
2、根据权利要求1所述的一种集成光催化和无机膜过滤技术的饮用水净化装置，其特征是光催化膜反应组件的主体为膜反应管，膜反应管的内壁负载有光催化剂薄膜，光源置于膜反应管的轴心位置，光源外套有石英套管；膜反应管为立式结构，至少一端采用不锈钢法兰密封，水流由底部的进水口，经分布器均匀进入膜反应管，由顶部的出水口流出引用净化水。
3、根据权利要求1或2所述的一种集成光催化和无机膜过滤技术的饮用水净化装置，其特征是无机膜过滤组件采用错流过滤，无机膜过滤组件的无机膜构成的水流通路位于两端用法兰密封的不锈钢管内，所述水流通路竖直设置，过滤后的水进入无机膜与不锈钢管之间，再流入光催化膜反应组件。
4、根据权利要求3所述的一种集成光催化和无机膜过滤技术的饮用水净化装置，其特征是无机膜为无机陶瓷膜，平均膜孔径小于1μm，无机陶瓷膜附着在多孔陶瓷管上，所述多孔陶瓷管为水流通路，置于两端用法兰密封的不锈钢管内，多孔陶瓷管的两端采用密封圈与不锈钢管隔绝，水流由多孔陶瓷管底部进入，未经无机膜过滤的水由多孔陶瓷管顶部流出，过滤后的水流入多孔陶瓷管与不锈钢管之间的空间。
5、根据权利要求1或2所述的一种集成光催化和无机膜过滤技术的饮用水净化装置，其特征是活性炭过滤组件的活性炭为粒径大于1μm的颗粒，可再生并重复利用。
6、根据权利要求3所述的一种集成光催化和无机膜过滤技术的饮用水净化装置，其特征是活性炭过滤组件的活性炭为粒径大于1μm的颗粒，可再生并重复利用。
7、根据权利要求4所述的一种集成光催化和无机膜过滤技术的饮用水净化装置，其特征是活性炭过滤组件的活性炭为粒径大于1μm的颗粒，可再生并重复利用。
8、根据权利要求1或2所述的一种集成光催化和无机膜过滤技术的饮用水净化装置，其特征是光催化膜反应组件的膜反应管的管材种类包括不锈钢、玻璃和陶瓷；膜反应管内壁负载的光催化剂包括TiO2、掺杂型TiO2；膜反应管内光源为功率小于15W的紫外灯或辐射光谱含小于400nm的电致发光光源。
9、根据权利要求3所述的一种集成光催化和无机膜过滤技术的饮用水净化装置，其特征是光催化膜反应组件的膜反应管的管材种类包括不锈钢、玻璃和陶瓷；膜反应管内壁负载的光催化剂包括TiO2、掺杂型TiO2；膜反应管内光源为功率小于15W的紫外灯或辐射光谱含小于400nm的电致发光光源。
10、根据权利要求5所述的一种集成光催化和无机膜过滤技术的饮用水净化装置，其特征是光催化膜反应组件的膜反应管的管材种类包括不锈钢、玻璃和陶瓷；膜反应管内壁负载的光催化剂包括TiO2、掺杂型TiO2；膜反应管内光源为功率小于15W的紫外灯或辐射光谱含小于400nm的电致发光光源。
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