CN101597096A - 一种电催化膜反应器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种电催化膜反应器装置，其特征是可将膜分离技术与电催化技术耦合用于废水处理，有效解决膜污染问题，实现膜的自清洁功能。该反应器装置由料液槽、电催化复合膜、辅助电极、稳压电源、真空表、蠕动泵等组成。其中，电催化复合膜是一种以微孔炭膜为基体，金属或金属氧化物为催化涂层制备的新型膜材料。将电催化膜一端封闭，另一端通过管道与蠕动泵连接，通过泵不断提供负压，料液透过分离膜自外向内沿管道渗透而出；同时，将电催化复合膜作为阳极，辅助电极作为阴极，分别经导线与稳压电源相连接，构成电解装置。在膜分离过程中通过对复合膜施加电压，从而对膜表面及孔内沉积附着的有机污染物电解氧化，实现膜的抗污染性能。该反应器装置具有设备简单，操作方便，效率高，能耗小等优点，可以广泛用于含油废水、染料废水、造纸废水等工业废水处理及回用。

Description

一种电催化膜反应器装置
技术领域
本发明涉及电化学催化技术与膜技术领域，具体的说是设计一种电催化膜反应器装置，将膜分离技术与电催化技术耦合用于废水处理，有效解决膜污染问题，实现膜的自清洁功能。可以广泛用于含油废水、染料废水、造纸废水等工业废水处理及回用。国际专利主分类号拟为Int.Cl.B01D71/02。
背景技术
膜分离作为一种高效节能、环境友好的新型分离技术，已成为解决我国所面临的能源、资源和环境等重大问题的关键性技术。1995年《水处理》(WaterTreatment)第10卷第135-144页Simms等介绍了聚合物超滤膜和陶瓷微滤膜对加拿大西部油田采出水进行处理。1996年《水科学与技术》(Water Science andTechnology)第34卷第239-246页Bilstad等采用超滤膜处理北海含石油类物质小于5ppm，悬浮物SS小于10ppm的油田采出水，均取得良好的效果。国内的研究者也分别采用PVDF中空纤维微孔膜、陶瓷微滤膜、聚砜超滤膜处理含油废水，其透过液中石油类含量均达到了国家工业废水排放标准，并可作为油田采油注水用。此外，2006年《分离与纯化技术》(Separation and PurificationTechnology)第51卷第80-84页王同华研究组采用管式炭膜分别对浓度为125-400mg/L的含油废水进行处理，透过液中油类含量均达到了国家工业废水排放标准，同时也对含油废水处理过程中的操作条件和渗透机理进行了详细深入的分析和研究。
然而在膜处理废水过程中，由于污染物沉积于膜表面和孔隙，造成膜污染而引起跨膜压差升高，膜通量(分离效率)降低、膜材料处理能力迅速下降，并导致膜使用寿命缩短，严重地影响膜分离过程的可靠性和经济性。膜污染已经成为制约膜分离技术广泛应用的瓶颈。因此，控制膜污染问题，提高膜抗污染能力已成为膜处理废水中要解决的关键问题，也是膜界科学家和工程师的研究方向和前沿。
近些年来，将膜技术与其他技术相耦合构建一个膜反应器系统实现膜的多功能化和高效性来解决膜污染问题。中国专利CN101224938A公开了一种利用纳米材料光催化氧化抑制膜污染的方法，将光催化反应器与膜生物反应器结合用于废水处理，与普通的膜生物反应器相比，膜通量提高了50％。美国专利US2008237145A公开了一种光催化水处理方法及装置，通过将二氧化钛催化剂粉末加入在管式膜组件的反应器中，结合光催化技术与膜分离技术用于废水处理。光催化技术的结合提高了膜的抗污染性和分离效率，但该技术存在着太阳能利用率低，悬浮的催化剂难以回收的问题。
美国专利US6027649A公开了一种由絮凝剂和微滤膜构建的膜反应器，是通过絮凝剂对污水中有机物的预吸附，达到缓解膜污染的目的。然而絮凝剂的加入同样造成了二次污染及添加剂难以回收的问题。中国专利CN101234817A公开了一种膜载体无泡供氧生物膜反应器，通过曝气及膜上微生物对有机物的分解来处理有机废水。美国专利US2004079701A公开了一种用于废水处理的膜生物反应器，该反应器是将过滤组件浸入在加有微生物和多孔载体的混合液中，通过添加物对有机物的作用来抑制膜组件污染。膜生物反应器装置结构紧凑，易于自动化控制，但也存在着微生物难以人为控制，且生物污染严重的问题。
中国专利CN101104537A公开了一种电催化分离膜水处理装置，依据纳米高分子材料在外加电场作用下，产生强氧化剂对废水中的有机物进行强氧化而得到净化水质。其优点在于解决了有机物降解和净化、消毒于一体的难题。但该装置以金属材料如不锈钢、铜等为阳极，易发生阳极溶出，造成二次污染及操作稳定性差。此外，高分子导电层与金属基材之间物理结合也存在稳定性差等问题。为此，我们在前一专利“一种新型电催化膜材料及其制备方法”(中国申请号：200910069013.3)报道了以具有导电性能的微孔分离膜-炭膜为基体，采用溶胶凝胶法，将金属化合物、水、溶剂、催化剂和其他添加剂等配置成前驱体溶液，经溶胶陈化、涂膜、干燥及热处理，最终通过金属或金属氧化物催化涂层与基体炭膜之间形成化学键合来制备电催化复合膜。其特征在于该复合膜可同时作为电极使用，其电解效率高，且不存在催化剂难以回收及二次污染的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电催化膜反应器，其特征在于该反应器可将电催化技术与膜分离技术耦合，赋予膜材料自清洁功能，实现膜分离技术的无污染操作。膜分离在处理废水过程中起主导作用，而电催化氧化降解的仅是沉积附着在膜表面及孔内的部分有机物，因而电解效率高，能耗低。
本发明电催化膜反应器装置，其特征在于所述膜分离机理主要是筛分效应和吸附作用，分离过程的推动力是膜两侧静压差。电催化氧化机理是利用电极在电场作用下分解H2O，产生具有强氧化能力的羟基自由基(·OH基团)，从而使许多难以降解的有机污染物分解为CO2或其他简单化合物。该反应器将膜分离技术与电催化技术协同作用，利用膜本身的导电性，把它作为复合电极的基体，在其表面涂敷电催化剂薄膜，以增强原始膜的电催化性能，进而提高电极对废水中有机物的降解效率。
本发明涉及的电催化膜反应器装置，包括可调式直流稳压电源(1)、连接导线(2)、电催化复合膜(3)、辅助电极(4)、料液槽(5)、真空表(6)、蠕动泵(7)、渗透液槽(8)等部分。
所述电催化膜反应器装置是将电催化膜(3)一端封闭，另一端通过管道与蠕动泵(7)连接，通过泵不断提供负压，料液透过分离膜(3)自外向内沿管道渗透而出；同时，将电催化复合膜(3)作为阳极，辅助电极(4)作为阴极，分别经导线(2)与稳压电源(1)相连接，构成电解装置。
所述可调式直流稳压电源(1)的电压调节范围在0-30V，电流为0-5A。
所述电催化复合膜(3)是一种以导电耐蚀的炭膜为基体，金属或金属氧化物为催化涂层制备的新型膜材料。
所述电催化复合膜不仅用于膜分离，同时利用基体炭膜本身的可导电性及稳定耐蚀性，将复合膜作为阳极，并选用不锈钢或其他金属材料作为辅助电极，经导线与稳压电源相连构成电解装置。
所述电解装置需要氧化降解的仅是在膜分离过程中沉积附着在膜表面及孔内的有机污染物，因而能耗小，所用电压调节在2-6V，电流0.1-1.0A即可。
所述的蠕动泵是用于给膜内提供负压。将电催化复合膜一端封闭，另一端通过管道与泵相连，使料液透过分离膜自外向内沿管道渗透而出。
本发明与现有膜材料和电极材料相比，具有以下优点：设备及工艺简单，操作方便；不会造成二次污染；电催化复合膜提高了膜作为电极的电催化活性，因而电解效率高；电极需要电解氧化的仅是膜表面及孔内的部分有机污染物，因而能耗低。
附图说明
图1为电催化膜反应器装置图。
图2为实施例4中对原始膜与复合膜的电化学性能进行的研究，分析其对废水的含油去除率与操作时间的变化关系。
具体实施方式
下面实施例结合附图对本发明作进一步说明。
参见图1，下面实施例以模拟含油废水为电催化膜反应器的进料液，辅助电极选用不同管径的不锈钢电极。
实施例1
电催化膜反应器进料液为3L的100ppm模拟含油废水。以电催化复合膜为阳极(原始膜孔径为0.6μm，孔隙率为41％)，不锈钢电极为阴极，电极有效面积为20.6cm2，极间距为14mm，电压选为4V，电流为0.20-0.25A，电解质浓度为10g/l，pH值为4，按图1连接装置，调节跨膜压差为0.025MPa。实验结果：该复合膜的初始水通量为110L/m2hbar，对含油污水的截留率为90％；经过4小时的膜污染操作实验，无电催化时，膜通量下降至25％，而在线电催化时，膜通量基本不变。
实施例2
电催化膜反应器进料液为2L的200ppm模拟含油废水。以电催化复合膜为阳极(原始膜孔径为0.4μm，孔隙率为37％)，不锈钢电极为阴极，电极有效面积为15.4cm2，极间距为14mm，电压选为3V，电流为0.10-0.15A，电解质浓度为10g/l，pH值为7，按图1连接装置，调节跨膜压差为0.01MPa。实验结果：该复合膜的初始水通量为156L/m2hbar，对含油污水的截留率为91％；在其他操作参数相同的条件下，用电催化复合膜反应器处理废水时的膜通量比单一膜分离处理时的通量提高了75％。
实施例3
以电催化复合膜为阳极，不同管径的不锈钢电极为阴极，电极有效面积为20cm2，对电催化膜反应器中各操作参数如电解质浓度、电压、pH值、极间距等对反应器电化学性能的影响进行了研究。实验因素与水平如表1所示。通过考察在不同条件下对污染物的去除率，结果与分析如表2所示，得到了膜反应器的最佳操作参数：电解质浓度15g/l，电压4V，极间距39mm，pH值7。并通过极差分析得出各参数对污染物去除率影响的主次顺序依次为pH值、电压、电解质浓度、极间距。
表1
  编号  电解质浓度(A)  电压(B)  pH值(C)  极间距(D)
  123  5g/l10g/l15g/l  4V3V2V  357  14mm39mm52mm
表2
Figure A20091006950400071
实施例4
分别以原始炭膜和电催化复合膜为阳极，不锈钢电极为阴极，电极有效面积均为20cm2，在实施例3选定的最佳操作条件下，仅按图1的电解装置相连即可，处理100ppm含油废水，观察并记录两种电解系统对废水的含油去除率随时间的变化关系，结果如图2所示。结果表明，相同条件下，电催化复合膜对废水的含油去除率达到了近81％，而原始膜最高仅达到60％。这说明电催化剂的涂覆极大提高了原始膜的电催化活性，进一步验证了电催化复合膜优异的电化学活性。

Claims (7)

1、本发明描述一种电催化膜反应器装置，包括可调式直流稳压电源、连接导线、电催化复合膜、辅助电极、料液槽、真空表、蠕动泵、渗透液槽等部分，其特征是该反应器可将电化学技术与膜分离技术耦合用于废水处理，赋予膜材料自清洁功能，实现膜分离技术的抗污染性。
2、按照权利要求1所述的电催化膜反应器装置，其特征在于：将电催化膜一端封闭，另一端通过管道与蠕动泵连接，通过泵不断提供负压，料液透过分离膜自外向内沿管道渗透而出；同时，将电催化复合膜作为阳极，辅助电极作为阴极，分别经导线与稳压电源相连接，构成电解装置。
3、按照权利要求1所述的电催化膜反应器装置，其特征在于：所述电催化复合膜是一种以微孔炭膜为基体，金属或金属氧化物为催化涂层制备的新型膜材料。
4、按照权利要求1所述的电催化膜反应器装置，其特征在于：所述可调式直流稳压电源的电压调节范围在0-30V，电流为0-5A。
5、按照权利要求1所述的电催化膜反应器装置，其特征在于：所述电催化复合膜不仅用于膜分离，同时利用基体炭膜本身的可导电性及稳定耐蚀性，将复合膜作为阳极，并选用不锈钢或其他金属材料作为辅助电极，经导线与稳压电源相连构成电解装置。
6、按照权利要求1所述的电催化膜反应器装置，其特征在于：所述电解装置需要氧化降解的仅是在膜分离过程中沉积附着在膜表面及孔内的有机污染物，因而能耗小，所用电压调节在2-6V，电流0.1-1.0A即可。
7、按照权利要求1所述的电催化膜反应器装置，其特征在于：所述的蠕动泵是用于给膜内提供负压。将电催化复合膜一端封闭，另一端通过管道与泵相连，使料液透过分离膜自外向内沿管道渗透而出。
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