CN105217721B - 一种光催化复合分离膜水处理装置及水处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光催化复合分离膜水处理装置及水处理系统，属于水处理技术领域。本发明的光催化复合分离膜水处理装置包括壳体和设置在壳体上的原水进水口、浓缩水出水口、净水出水口，所述原水进水口和浓缩水出水口设置在所述壳体侧壁上，所述壳体上端设置有透光口，所述净水出水口设置在所述壳体下端，所述净水出水口上设置有用来将浓缩水和净水进行分离的光催化复合分离膜。本发明的光催化复合分离膜水处理装置避免或消除了膜污染和膜通量衰减，也避免了催化剂流失，能够减缓浓差极化和膜内表面污染，提高水处理效率。

Description

一种光催化复合分离膜水处理装置及水处理系统

技术领域

本发明涉及一种光催化复合分离膜水处理装置及水处理系统，属于水处理技术领域。

背景技术

目前常用的水处理方法有物化法和生化法，这两种工艺相对成熟，便于规模化应用，但是这些处理方法只是实现了污染物的相态转变，或者是将污染物了进行分离、浓缩，并没有使污染物得到彻底的降解，这就不可避免地会产生二次污染，而且上述方法的使用范围非常有限。

光催化氧化作为一种新型的污水处理技术，具有催化活性高、稳定性好、价格低廉、对人体无毒害等优点，其中以纳米TiO₂光催化氧化技术的研究和应用最为广泛。但是，大多数研究仅仅局限于纳米TiO₂粉末等光催化剂分散悬浮体系(slurry system)，由于悬浮体系存在着催化剂难以分离和回收的问题，而且催化剂容易中毒和凝聚，严重阻碍了光催化工艺在水处理中的大规模应用。

膜技术被称为“21世纪的水处理技术”，与传统的水处理工艺相比，具有处理效果好、工艺简单、能耗低、投资少、占地面积小、自动化程度高、无二次污染等优点，已被世界各国广泛应用于各种工业废水和市政污水回收利用、海水淡化、苦咸水淡化等领域。然而，在使用过程中膜的污染和劣化是制约膜技术发展的瓶颈之一，主要是因为在膜分离过程中膜表面形成了化学和生物附着层，膜孔通道发生了堵塞。

光催化和膜分离技术的耦合联用在理论上既可以克服两种技术独自使用时存在的缺陷，又具有一定的耦合协同效应，因而发展潜力巨大。公开号为CN1951828A的中国发明专利(公开日期为2007年4月25日)公开了一种节能高效的光催化与膜过滤水处理系统，包括光催化处理器及与光催化处理器相连的膜分离器，待处理水先进入光催化器进行催化降解，催化降解后的水进入膜分离器进行分离，膜上截留的催化剂随回流水进入光催化器进行循环处理。该系统中，光催化的参与能够有效地防止膜污染，使得膜通量得以提高；膜分离的参与又可以对光催化反应产物和底物进行选择性分离，打破光催化反应平衡的限制，促进了光催化反应的进行。

但是，上述水处理系统仅仅是将光催化器与膜分离器机械地串联在了一起，其中的分离膜只有分离功能，与光催化器之间仍然是彼此相互独立的，没有从根本上解决膜污染和光催化剂流失的问题。针对光催化剂的流失问题，通过选择适合的基体，将纳米TiO₂负载到载体上可以有效解决TiO₂粉末光催化剂容易流失、分离回收难等问题。

授权公告号为CN204162465U的中国实用新型专利(授权公告日为2015年2月18日)公开了一种基于光催化复合陶瓷分离膜的水处理装置，包括筒体、筒体上盖、进液口及过滤单元，过滤单元由管式光催化复合陶瓷粉末膜环形排列而成，中心位置设置紫外灯组件，紫外灯组件由紫外灯及石英套管组成，光催化复合陶瓷分离膜由多孔陶瓷管为基体，外表面复合羟基磷灰石多孔膜层和一层载银二氧化钛光催化多孔膜层，所述光催化复合陶瓷分离膜的透析口通过一出水管与设置在筒体外的真空泵相连。该方案将光催化与膜分离集于一体，克服了膜污染和光催化剂流失的问题。但是，该方案中采用光催化复合陶瓷分离膜采用管式结构，将分离膜管式结构呈环形阵列排列，并将紫外灯组设置在光催化复合陶瓷分离膜的中心，导致光催化复合陶瓷分离膜背对紫外灯管的部分得不到紫外光的照射，集光效率低，光催化效率很低。另外，该方案还存在一个缺陷，即采用外压式，水利条件不稳定，膜截留率很低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水处理效率高的光催化复合分离膜水处理装置。本发明的目的还在于提供一种使用上述光催化复合分离膜水处理装置的水处理系统。

为了实现以上目的，本发明的光催化复合分离膜水处理装置的技术方案如下：

一种光催化复合分离膜水处理装置，包括壳体和设置在壳体上的原水进水口、浓缩水出水口、净水出水口，所述原水进水口和浓缩水出水口设置在所述壳体侧壁上，所述壳体上端设置有透光口，壳体下端设置有光催化复合分离膜，在壳体上光催化复合分离膜的下方设置有用来供分离后的净水排出的净水出水口。

所述光催化复合分离膜包括基体和负载在基体上的光催化剂，所述基体为Al₂O₃陶瓷膜、ZrO₂陶瓷膜、无纺布、铜网中的一种，所述光催化剂为纳米TiO₂或者TiO₂/Graphene复合光催化剂。

所述壳体上端设置有用来将透光口密封并使光能够透过的透光板。所述透光板优选为石英玻璃板。

所述壳体上端固定设置有顶盖，所述透光板设置在顶盖和壳体之间，所述顶盖上设置有紫外光源。所述紫外光源可以为现有技术中使用的紫外灯，也可以采用如下的紫外光源：包括覆铜板及焊接在覆铜板上的LED紫外灯珠，所述紫外灯珠的紫外光的波长为365-395nm。

所述壳体下端设置有底盖，所述光催化复合分离膜设置在所述底盖和壳体之间，所述底盖上设置有净水出水孔。

所述顶盖和底盖均通过法兰与所述壳体密封连接。

本发明的光催化复合分离膜水处理装置的技术方案如下：

一种水处理系统，包括上述的光催化复合分离膜水处理装置，还包括与所述原水进水口相连的原水箱以及与净水出水口相连的循环管路，所述循环管路与原水箱相连。

所述循环管路上连接有循环管路控制阀和循环管路压力表。

所述原水箱与原水进水口通过进水管路相连，所述进水管路上连接有原水流量计和原水压力表。

所述浓缩水出水口通过浓缩水管路连接有用来储存浓缩水的渗透水箱，所述浓缩水管路上连接有浓缩水流量计。

本发明的光催化复合分离膜水处理装置将光催化技术与膜分离技术耦合起来，实现了这两种技术在同一处理单元内同时发挥作用，避免或消除了膜污染和膜通量衰减，也避免了催化剂流失。装置内布水采用错流方式，即原水流动方向和膜表面垂直，这样有利于传质，能够减缓浓差极化和膜内表面污染，提高了水处理效率。本发明中的光催化复合分离膜水处理装置水力条件好、集光效率高、光照均匀、结构紧凑、易于组装和拆卸，便于实现工业化大规模水处理，其中的光催化复合分离膜更加稳固，拆卸方便。

进一步的，装置内紫外LED光源序列排列密集，装置采光效率高，紫外灯珠可以选用不同波长范围，以获得不同的紫外光，操作过程中可以调节不同电压值，得到不同强度的紫外光。

附图说明

图1为本发明的水处理系统的实施例的示意图；

图2为图1中的光催化复合分离膜水处理装置结构示意图；

图3为图2沿轴线方向的剖面结构示意图；

图4为图2中的壳体的结构示意图；

图5为图4的剖面图；

图6为图2中的顶盖的俯视图；

图7为图6的剖面图；

图8为图2中的底盖的俯视图；

图9为图8的剖面图。

具体实施方式

本发明的水处理系统的实施例：

如图1-9所示，本发明的水处理系统包括光催化复合分离膜水处理装置9，光催化复合分离膜水处理装置包括两端开口的圆筒形壳体27，圆筒形壳体上下两端具有开口，上端开口为透光口，用来使光透过，圆筒形壳体上下两端均具有法兰面。圆筒形壳体的侧壁上开设有一个原水进水孔18，原水进水孔上连接有原水进水管24，在圆筒形壳体侧壁上远离原水进水孔的位置开设有一个浓缩水出水孔23，浓缩水出水孔上连接有浓缩水出水管25。原水进水管和浓缩水出水管为螺纹管。

圆筒形壳体上端连接有顶盖15，所述顶盖为内径与圆筒形壳体内径相等的圆筒形顶盖，顶盖朝向圆筒形壳体的一端开口，该开口端具有顶盖法兰面16，并与圆筒形壳体上端的法兰面连接，另一端具有顶盖顶面，顶盖顶面下部的内壁固定设置有紫外光源，顶盖顶面上设置有两个光源电路孔14，供紫外光源的电源线穿过。所述紫外光源由电路板或者覆铜板以及焊接在电路板或者覆铜板上的LED紫外灯珠构成，紫外灯珠在万能电路板上密集均匀排布，提高了光源均匀性和集光效率，进而提高了光催化效率。紫外灯珠由铜丝连接组成电路，引出正负极与电源及开关相连即可提供紫外灯光。所述紫外灯珠的紫外光的波长为365-395nm，具体的，可以选择365-370nm或者390-395nm波长范围的紫外光。

顶盖与圆筒形壳体之间固定设置有石英玻璃板17，石英玻璃板的边缘夹设在顶盖与圆筒形壳体的法兰面之间。该石英玻璃板既能透过紫外光，又能将光源与水隔开，避免水渗入顶盖，烧坏紫外灯珠。

圆筒形壳体下端开口的法兰面上连接有光催化复合分离膜，光催化复合分离膜只能够供净水通过，而组织污染物和浓缩水通过，这样圆筒形壳体下端开口和光催化复合分离膜共同构成了能够供净水排出的净水出水口。为了便于净水收集和循环处理，圆筒形壳体的下端连接有底盖21，所述底盖为内径与圆筒形壳体内径相等的圆筒形底盖，底盖朝向圆筒形壳体的一端开口，该开口端具有底盖法兰面19，光催化复合分离膜夹设在底盖法兰面与圆筒形壳体下端法兰面之间。光催化复合分离膜由Al₂O₃陶瓷膜及涂覆在Al₂O₃陶瓷膜上表面的TiO₂光催化剂构成，光催化复合分离膜的边缘夹设在底盖与圆筒形壳体下端的法兰面之间。原水进入到圆筒形壳体内部时，光催化复合分离膜表面的光催化剂在紫外光的作用下，将原水中的污染物进行光催化降解，净水通过光催化复合分离膜进入到底盖中。底盖的侧壁上开设有一个净水出水孔22，净水出水孔上连接有净水出水管26，净水出水管为螺纹管，进入到底盖中的净水经过净水出水孔及净水出水管排出。底盖远离开口端的一端具有底盖座，一方面对底盖底部进行密封，另一方面还能对光催化复合分离膜水处理装置在放置时提供支撑。

光催化复合分离膜水处理装置的原水进水口连接有进水管路，进水管路的另一端连接有原水箱3，用来向圆筒形壳体中提供原水。进水管路上从靠近原水箱的一端到靠近光催化复合分离水处理装置的一端依次连接有原水控制阀6、原水流量计7和原水压力表8，用以控制向圆筒形壳体中注入的原水的量。原水箱与原水控制阀之间的进水管路上连接有循环泵4，用来将原水循环回流至原水箱中，以实现净水与原水的充分混合，再次进入光催化反应装置进行水循环处理。循环泵的出水口与原水箱之间连接有原水循环管路，原水循环管路上连接有原水循环控制阀5，以控制原水循环泵出来的原水进入原水箱的时机和时间。原水箱上还连接有用来向原水箱中注入原水的原水注入管路，原水注入管路上连接有原水注入泵1和原水注入控制阀2。

光催化复合分离膜水处理装置的净水出水口连接有循环管路，循环管路的另一端与原水箱相连，循环管路上从靠近原水箱的一端到靠近光催化复合分离水处理装置的一端依次连接有循环控制阀11和循环压力表10，用来控制循环水的流量。

光催化复合分离膜水处理装置的浓缩水出水口连接有浓缩水管路，浓缩水管路的另一端连接有用来储存浓缩水的渗透水箱13，浓缩水管路上连接有浓缩水流量计12。

本实施例的水处理系统在使用时，先打开紫外光源的电源开关，使紫外光透过石英玻璃板透入圆筒形壳体内部，然后打开原水控制阀，使原水进入圆筒形壳体内部，在紫外光的照射下，光催化复合分离膜上的光催化剂对原水中的污染物进行降解，而净水经过光催化复合分离膜的超滤作用，进入到底盖中，并从净水出水孔流出，经循环管路流回原水箱进行循环处理，直至得到符合标准的净水。圆筒形壳体内剩余的浓缩水经浓缩水出水口排放至渗透水箱中。

在本发明的水处理系统的其他实施例中，壳体可以采用其他形状的筒体结构，如方筒形，相应的，顶盖和底盖的形状也发生相应的变化。

在其他实施例中，Al₂O₃陶瓷膜可以由ZrO₂陶瓷膜、无纺布或者高目数铜滤网等膜基体替换。TiO₂光催化剂可以由TiO₂/Graphene单元复合型光催化剂替换。

在其他实施例中，可以不设置透光板，紫外光直接照射在圆筒形壳体内的水中。

在其他实施例中，紫外LED光源整列可以采用其他方式排列，如采用较为分散的排布方式。或者紫外光源采用紫外灯管。

在其他实施例中，底盖上的净水出水孔可以设置为多个，以提高净水的循环速率。当然，圆筒形壳体下端也可以不设置底盖，直接将光催化复合分离膜固定在圆筒形壳体下端的法兰面上，而将循环管路的管道直接套设在圆筒形壳体下端的法兰面外部进行固定，以提高净水出水的速率，此时净水出水口的口径和光催化复合分离膜的外径可设置的较小以节省光催化复合分离膜的材料使用成本，同时通过提高循环效率来保证水处理的效率。

在其他实施例中，循环管路上可以不设置循环管路控制阀和循环管路压力表。进水管路上也可以不设置原水流量计和原水压力表。

本发明的光催化复合分离膜水处理装置的实施例与上述水处理系统的实施例中的光催化复合分离膜水处理装置的结构完全一致，此处不再一一赘述。另外，上述水处理系统的实施例中的光催化复合分离膜水处理装置的各种可替代结构也均适用于本发明的光催化复合分离膜水处理装置的实施例。

Claims (7)

1.一种光催化复合分离膜水处理装置，包括壳体和设置在壳体上的原水进水口（18）、浓缩水出水口（23），其特征在于：所述原水进水口和浓缩水出水口设置在所述壳体侧壁上，所述壳体上端设置有透光口，壳体下端设置有光催化复合分离膜（20），在壳体上光催化复合分离膜的下方设置有用来供分离后的净水排出的净水出水口；

所述光催化复合分离膜包括膜基体和负载在膜基体上的光催化剂，所述膜基体为Al₂O₃陶瓷膜、ZrO₂陶瓷膜、无纺布或高目数铜滤网，所述光催化剂为纳米TiO₂或者TiO₂/Graphene复合光催化剂；光催化复合分离膜为平板结构；

所述壳体上端设置有用来将透光口密封并使光透过的透光板；

所述壳体上端固定设置有顶盖（15），所述透光板设置在顶盖和壳体之间，所述顶盖上设置有紫外光源。

2.根据权利要求1所述的光催化复合分离膜水处理装置，其特征在于，所述壳体下端设置有底盖（21），所述光催化复合分离膜设置在所述底盖和壳体之间，所述底盖上设置有净水出水孔（22）。

3.根据权利要求2所述的光催化复合分离膜水处理装置，其特征在于，所述顶盖和底盖均通过法兰与所述壳体密封连接。

4.根据权利要求3所述的光催化复合分离膜水处理装置，其特征在于，所述紫外光源包括覆铜板及焊接在覆铜板上的紫外灯珠，所述紫外灯珠的紫外光的波长为365-395nm。

5.根据权利要求1所述的光催化复合分离膜水处理装置，其特征在于，所述透光板为石英玻璃板（17）。

6.一种水处理系统，其特征在于，包括如权利要求1-5任意一项所述的光催化复合分离膜水处理装置，还包括与所述原水进水口相连的原水箱（3）以及与净水出水口相连的循环管路，所述循环管路与原水箱相连。

7.根据权利要求6所述的水处理系统，其特征在于，原水箱与原水控制阀之间的进水管路上连接有循环泵（4），循环泵的出水口与原水箱之间连接有原水循环管路。