CN104086037A - 一种光催化-膜分离耦合的有机废水处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光催化-膜分离耦合的有机废水处理装置，属于废水处理技术领域。处理装置包括光催化系统、曝气系统、膜分离系统；光催化系统由反应容器、紫外辐照灯和纳米TiO2光催化剂组成；曝气系统由鼓风机和曝气盘组成；膜分离系统采用纳米孔皮层结构PVDF中空纤维膜。本发明的优点是：水中有机污染物在紫外光作用下经纳米TiO2光催化剂在反应区内降解，处理后的废水经膜过滤抽出反应区，纳米TiO2光催化剂被中空纤维膜截留在反应区，保证了光催化剂在反应区的浓度，也解决了光催化剂的回收难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种有机废水处理装置，具体涉及一种光催化-膜分离耦合的有机废水处理装置。
背景技术
光催化降解是一种新型的废水处理技术，具有高效、节能、使用范围广等特点，可与任何有机物反应，对难生物降解的有机物可以直接矿化为无机小分子，具有广泛的应用前景，成为近年来废水处理的新的热门技术。有关光催化降解的研究工作基本围绕如何提高光催化效率、开发新型光催化剂、具有可见光降解性能的光催化剂、如何高效快速的实现纳米光催化剂的回收等。
纳米TiO2光催化剂光催化活性高，稳定性强，价格相对较低等优点，受到国内外研究者的关注。TiO2催化剂的使用一种是固定于载体上；另一种是分散于溶液之中。后者称为悬浮态，这种方式中，TiO2催化剂分布均匀，比表面积较涂覆式大十几倍，催化效率更高。但细小TiO2微粒不易为传统的分离技术（絮凝、沉淀）分离回收，重复利用率较低，排出液易产生二次污染，限制了其应用。针对此问题，国内外学者进行了大量的研究。如悬浮型磁载TiO2光催化剂，保持悬浮体系较高的光催化效率，利用磁性技术实现TiO2的回收。但是在磁性载体与TiO2的结合过程中，操作条件容易造成TiO2光催化活性的降低，并可能通过氧化磁载材料等而影响磁分离性能。此外，磁载材料和TiO2结合的牢固性也有待进一步研究。有的学者利用纳米TiO2微球来解决其回收问题，通过特殊的工艺制得中空型微球负载纳米TiO2光催化剂，但是中空微球的制备方法和操作条件对光催化降解效率影响较大。所以寻找高效、简便的TiO2光催化剂分离技术，对光催化技术的发展十分重要。
膜分离技术是迅速发展起来的一种新型分离、净化技术。在废水处理过程中, 它是借助膜表面的微孔截留作用来达到分离脱除污染物的目的,无相变和二次污染，常温下连续操作, 具有能耗低、设备体积小、操作方便、容易放大等优势. 然而, 膜污染问题导致膜通量下降, 并缩短膜的使用寿命, 尽管控制膜污染措施取得了一定的研究进展, 但仍是膜分离技术发展的主要瓶颈。对于光催化剂纳米颗粒，目前没有相应的过滤膜用于其分离。纳滤、反渗透膜可以达到纳米级颗粒的截留，但是此过程需消耗大量动力，而且对料液的预处理有很高的要求，非常不适合纳米TiO2颗粒的截留回收。中空纤维膜是用在废水处理中最广泛的膜技术之一，可以通过控制铸膜液组成，纺丝工艺参数制得对纳米颗粒具有截留效果的中空纤维膜。
紫外光的照射和光催化过程中会产生强氧化性羟基自由基，会破坏膜材料的结构, 从根本上破坏分离膜和整个光催化-膜分离处理工艺。此外, 膜分离过程需要膜承受一定的压力和水流的冲刷作用。因此,膜要求具有一定的机械强度和化学稳定性。无机陶瓷膜比较耐紫外光的照射和光催化过程中产生的强氧化性羟基自由基，可以较好地满足实验稳定性要求, 但由于其价格昂贵，纳米孔难以制得等缺点。因此,寻求广泛采用且价格相对低廉的有机高分子聚合膜成为首选。绝大部分有机高分子聚合膜在紫外光降解环境中稳定性很差，但是聚偏氟乙烯膜耐紫外光的照射和光催化过程中产生的强氧化性羟基自由基，是十分优异的过滤膜材料。通过控制铸膜液组成，制得纳米孔皮层结构的中空纤维膜，可以对水中的纳米TiO2颗粒实现截留，可以解决光催化技术中光催化剂回收难的问题，又能解决膜分离工艺发展的膜污染问题，二者的耦合过程还能产生一系列的协同作用，从而大大提高水处理的效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光催化-膜分离耦合的有机废水处理装置，该处理装置可以对水中的纳米TiO2颗粒实现截留，可以解决光催化技术中光催化剂回收难的问题，又能解决膜分离工艺发展的膜污染问题。
本发明是这样来实现的，一种光催化-膜分离耦合的有机废水处理装置，其特征在于：它包括光催化系统，曝气系统和膜分离系统；所述光催化系统由反应容器、纳米光催化剂、紫外光辐照发生器组成；所述曝气系统由鼓风机和曝气盘组成；所述膜分离系统采用纳米孔皮层结构PVDF中空纤维膜，所述PVDF中空纤维膜对纳米光催化剂颗粒的截留率超过99%。
进一步的，所述PVDF中空纤维膜封装成浸没帘式PVDF中空纤维膜组件和外压式PVDF中空纤维膜组件，不同的耦合方式选用不同的膜组件。
进一步的，所述膜分离系统和光催化降解系统的耦合的第一种形式：浸没帘式PVDF中空纤维膜组件内置于光催化系统的反应容器中，外接真空抽吸泵，将处理后的废水抽走，将反应区中的纳米光催化剂截留。
进一步的，所述膜分离系统和光催化系统的耦合的第二种形式：外压式PVDF中空纤维膜组件置于光催化降解系统的反应容器外部，废水容器中经处理后的废水由循环泵泵入外压式PVDF中空纤维膜组件内，水透过膜后排放，TiO2纳米颗粒被截留后返回反应器中，继续参与光降解活动。
本发明的优点是：水中有机污染物在紫外光作用下经纳米TiO2光催化剂在反应区内降解，处理后的废水经膜过滤抽出反应区，纳米TiO2光催化剂被中空纤维膜截留在反应区，保证了光催化剂在反应区的浓度，也解决了光催化剂的回收难题。
附图说明
图1为本发明的聚偏氟乙烯中空纤维膜微观结构图一。
图2为本发明的聚偏氟乙烯中空纤维膜微观结构图二。
图3为本发明的浸没帘式膜分离-光催化耦合反应器装置。
图4为本发明的外压式膜分离-光催化耦合反应器装置。
在图中，1、浸没式帘式膜组件或外压式膜组件，2、反应容器，3、收集液储罐，4、循环泵，5、曝气机，6、紫外灯光源，7、真空抽吸泵，8、曝气盘。
具体实施方式
本发明面向纳米TiO2光催化颗粒截留的PVDF中空纤维膜制备：聚偏氟乙烯膜材料22%，复配型致孔添加剂15%，溶剂58%，非溶剂添加剂5%，经过溶解后制得铸膜液，经干喷湿纺干湿相转化法制得纳米孔皮层结构的聚偏氟乙烯中空纤维膜（如图1、图2所示），制得的聚偏氟乙烯中空纤维膜对纳米TiO2光催化颗粒的截留率达到99%。将制得的聚偏氟乙烯中空纤维膜封装成浸没帘式膜组件（图3中1）和外压式膜组件（图4中1）。
如图3所示，将浸没帘式膜组件1放在光催化反应器的反应容器2中，外接真空抽吸泵7，真空抽吸泵7和浸没帘式膜组件1之间设置收集液储罐3，处理污水由循环泵4循环，用量为0.5-5.0g/L纳米TiO2催化剂加入反应容器2中，曝气机5通过曝气盘8以0.3-0.5L/min速度在反应容器2中加气，使得纳米TiO2催化剂悬浮在反应容器2中，反应容器2顶部放置紫外灯光源6，废水中污染物在紫外灯光源发射出的紫外光作用下经纳米TiO2颗粒矿化成无机小分子。光降解一段时间后，开启真空抽吸泵7，处理后的废水经浸没帘式膜组件1经泵抽出外反应容器外，纳米TiO2催化剂被截留在反应容器内，继续对水中有机污染物降解。
如图4所示，将外压式膜组件1用循环泵4和管路串联在光催化反应器的反应容器2外部，外接真空抽吸泵7，真空抽吸泵7和外压式膜组件1之间设置收集液储罐3，处理污水由循环泵4循环，用量为0.5-5.0g/L纳米TiO2催化剂加入反应容器2中，曝气机5通过曝气盘8以0.3-0.5L/min速度在反应容器2中加气，使得纳米TiO2催化剂悬浮在反应容器2中，反应容器2顶部放置紫外灯光源6，废水中污染物在紫外灯光源发射出的紫外光作用下经纳米TiO2颗粒矿化成无机小分子。光降解一段时间后，开启真空抽吸泵7，处理后的废水经外压式膜组件1经泵抽出外反应容器外，纳米TiO2催化剂被截留在反应容器内，继续对水中有机污染物降解。
实施例1：
将0.5m2浸没帘式膜组件放在光催化反应器的反应容器中，外接真空抽吸泵，光降解-膜分离耦合反应器装置如图3所示。将浓度为20mg/L的甲基橙污水以和用量为5g/L纳米TiO2催化剂加入反应器混合，水力停留时间为2h，紫外光辐照计电流15A，辐照强度为80Mw/cm2，加气速度为0.4L/min。真空抽吸泵抽出的水量为80L/m2.h，抽出水中纳米TiO2浓度低于0.1g/L，甲基橙含量为0，污染物去除率达到100%。
实施例2：
将0.6m2外压式膜组件用循环泵串联在光催化反应器的废水容器外部，膜组件出水侧外接真空抽吸泵，光降解-膜分离耦合反应器装置如图4所示。将浓度为20mg/L的双酚A污水以和用量为5g/L纳米TiO2催化剂加入反应器混合，紫外光辐照计电流20A，辐照强度为115Mw/cm2，加气速度为0.5L/min。真空抽吸泵抽出的水量为75L/m2.h，抽出水中纳米TiO2浓度低于0.1g/L，双酚A含量为0，污染物去除率达到100%。
Claims (5)
1.一种光催化-膜分离耦合的有机废水处理装置，其特征在于：它包括光催化系统，曝气系统和膜分离系统；所述光催化系统由反应容器、纳米光催化剂、紫外光辐照发生器组成；所述曝气系统由鼓风机和曝气盘组成；所述膜分离系统采用纳米孔皮层结构PVDF中空纤维膜，所述PVDF中空纤维膜对纳米光催化剂颗粒的截留率超过99%。
2.根据权利要求1所述的一种光催化-膜分离耦合的有机废水处理装置，其特征在于：PVDF中空纤维膜封装成浸没帘式PVDF中空纤维膜组件和外压式PVDF中空纤维膜组件，不同的耦合方式选用不同的膜组件。
3.根据权利要求1或2所述的一种光催化-膜分离耦合的有机废水处理装置，其特征在于：膜分离系统和光催化降解系统的耦合的第一种形式：浸没帘式PVDF中空纤维膜组件内置于光催化系统的反应容器中，外接真空抽吸泵，将处理后的废水抽走，将反应区中的纳米光催化剂截留。
4.根据权利要求1或2所述的一种光催化-膜分离耦合的有机废水处理装置，其特征在于：膜分离系统和光催化系统的耦合的第二种形式：外压式PVDF中空纤维膜组件置于光催化系统的反应容器外部，废水在反应容器中经降解后由循环泵泵入外压式PVDF中空纤维膜组件内，水透过膜后排放，TiO2纳米颗粒被截留后返回反应容器中，继续参与光降解活动。
5.根据权利要求1所述的一种光催化-膜分离耦合的有机废水处理装置，其特征在于：纳米孔皮层结构PVDF中空纤维膜的制备是：聚偏氟乙烯膜材料22%，复配型致孔添加剂15%，溶剂58%和非溶剂添加剂5%，上述材料经过溶解后制得铸膜液，经干喷湿纺干湿相转化法制成。
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