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基于碳纳米管/氧化锌ptfe光催化膜的废水处理装置及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜的废水处理装置及其应用，包括进水系统、光催化系统、蒸馏系统、循环水系统和集水系统，所述光催化系统包括石英冷阱和光源，光源置于石英冷阱内；所述蒸馏系统包含加热器、膜蒸馏器、碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜，碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜做成圆柱侧面的形状，光催化系统位于中心轴上。碳纳米管/氧化锌纳米催化剂在光催化作用下可降解农药废水中的有机物，以PTFE膜为载体，不仅可以减缓PTFE膜的污染，而且解决了纳米光催化材料在处理过程中难以回收的问题。本发明方法对农药废水中COD的去除率可达95%以上，实现了农药废水的高度纯化，具有很强的实用性和广阔的市场前景。

Description

基于碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜的废水处理装置及其 应用
技术领域
本发明属于农药废水处理领域，具体涉及一种基于碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜的废水处理装置及其应用。
背景技术
我国是农业大国，也是农药的生产和使用大国。据统计，2004年我国农药生产企业将近2000家，年农药生产量达到了80万吨，位居世界第二。在农药的生产过程中，会产生大量的农药废水，主要包括农药合成时产生的废水、产品洗涤水、车间和设备洗涤水等。农药废水的成分复杂，毒性大，含有苯环类、酚、汞等有毒物质，而且具有较高的COD，如果直接排放到自然水体中会给环境造成极大的损坏，所以对农药废水的净化处理引起了人们的广泛关注。
膜分离是20世纪初出现，20世纪60年代后快速发展起来的一门新的分离技术。由于其兼有分离、浓缩和纯化等特点，又有高效、节能、环保过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，膜分离技术已在生物、环保等领域得到了广泛的应用，成为分离科学中最重要的手段之一。PTFE膜以聚四氟乙烯为原材料，透气不透水、通气量大、耐高温、抗强酸、无毒，在膜分离技术中扮演着重要的角色。但是单独将PTFE膜应用于农药废水处理过程中，只能对农药废水进行物理分离 ，并没有有效地去除废水中的污染物质，而且PTFE膜在长时间运行中会受到污染，降低了分离的效果。因此，找到一种将农药废水无害化的方法变得尤为重要。
纳米光催化技术是一种高级氧化技术，目前被广泛应用于废水处理过程中。纳米光催化剂在光的照射作用下产生具有强氧化作用的羟基自由基，将废水中的有害物质降解，生成水和无害气体，并且不会产生二次污染。目前研究的最为成熟的纳米光催化剂是TiO2，但是TiO2只能利用紫外光进行催化作用，限制了其在废水处理中的广泛运用。ZnO作为光催化剂，具有价格低廉、无毒、高光催化性能等特点，成为人们研究的热点。为了进一步提高ZnO的光降解活性，纳米级ZnO应运而生。但是，纳米ZnO在使用过程中，会发生严重的光腐蚀现象，限制了ZnO的应用。近几年，碳纳米管管壁官能团迅速发展，并且碳纳米管具有优良的电子传导性、对反应物和反应产物的吸附和脱附性能、碳与金属催化剂的金属-载体强相互作用和量子效应能特点，使其越来越多地用作催化剂载体。碳纳米管与纳米ZnO的复合材料，可减少ZnO的光腐蚀，提高ZnO对农药废水的光催化降解效果。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜的废水处理装置及其应用。该装置中采用的碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜，将碳纳米管/氧化锌复合光催化剂与PTFE膜结合起来，不但可以充分发挥各自的优点，并且可以弥补两者在废水处理中的不足，对废水中酚类物质去除率和COD去除率达到95%以上。
本发明是通过以下技术方案实现的：
基于碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜的废水处理装置，包括通过管道顺次连接的进水系统、光催化系统、蒸馏系统、循环水系统和集水系统，所述光催化系统包括石英冷阱和光源，光源置于石英冷阱内；所述蒸馏系统包含加热器，膜蒸馏器，碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜，碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜做成圆柱侧面的形状，光催化系统位于中心轴上。装置图如图1所示。
进水系统包括废水池和进水泵，循环水系统包括循环水泵和循环水池；集水系统包括集水池。
所述进水泵采用液位控制器控制泵的开关；
基于碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜的废水处理装置在处理废水中的应用，具体为：将待处理的废水置于废水池中，在进水泵的牵引下进入膜蒸馏器热侧，热测温度由加热器控制，碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜在光源照射条件下处理废水，热测废水中水蒸气透过碳纳米管/氧化锌PTFE膜进入膜蒸馏器冷侧并液化成水，以膜两侧的蒸汽压差作为驱动力；循环水池中的水通过循环泵进入碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜冷侧，将液化的水带入循环水池，最终膜蒸馏的产水会进入集水池。进水泵的开关由膜蒸馏器中的液位控制，自动补充废水。
所述膜蒸馏器 热侧与冷侧温度差为40-50℃。热侧温度为60-70℃，膜蒸馏器冷侧温度不高于25℃。
该方法选用农药废水作为目标污染物，但该方法并不局限于农药废水，在处理农药废水时pH的范围是6-8，水力停留时间为3-6h，光催化膜冷热侧温度差为40-50℃，光源选择可见光，也可以选择太阳光或紫外光。
所述农药废水是指农药厂在农药生产过程中排放的废水，主要分为含苯废水、含酚废水、含有机磷废水和高浓度含盐废水等。但是该方法所能处理的废水并不局限于农药废水。
本发明中涉及的碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜可用水洗，酸碱洗，超声清洗和紫外-可见辐射清洗等常规方法清洗，清洗后的通量可以恢复到90%以上。
本发明中将碳纳米管/氧化锌复合材料添加到聚四氟乙烯中，加入N-甲基吡咯烷酮，充分混合，加热使N-甲基吡咯烷酮完全挥发 ，再将碳纳米管/氧化锌和聚四氟乙烯混合物置于模具中冷压成型，再经300~400℃烧结，得到碳纳米管/氧化锌-PTFE光催化膜。
有益效果：
本发明将纳米光催化技术和膜分离技术有效地结合在一起，是处理农药废水的一种可行性手段。碳纳米管/氧化锌纳米光催化剂可在光照条件下对膜表面的污染物进行降解，从而减缓PTFE膜的污染，延长了膜的使用寿命，而且提高了PTFE膜对农药废水的处理效率。本发明以PTFE膜为碳纳米管/氧化锌纳米光催化剂的载体，也解决了纳米催化剂在处理过程中难以回收的问题。本发明方法对农药废水中COD的去除率可达95%以上，实现了农药废水的高度纯化，具有很强的实用性和广阔的市场前景。
附图说明
图1为本发明处理装置示意图。
其中：1-废水池，2-进水泵，3-加热器，4-膜蒸馏器，5-碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜，6-石英冷阱，7-光源，8-循环水泵，9-循环水池，10-集水池。
具体实施方式
下面通过两个实例进一步阐述本发明的目的、技术方案和优点。
以下实施例中所述碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜是采用如下方法制备的：
取500mg碳纳米管加入有磁力搅拌的100mL单颈平底烧瓶，加入40mL混酸（浓硫酸：浓硝酸=3:1，体积比），先用60HZ超声水浴1h，在90℃水浴条件下搅拌2h，将混合物用去离子水稀释10倍后，用0.22μm混合膜抽滤，并反复用去离子水洗涤抽滤，在将滤物置于真空干燥箱中60℃干燥24h。
将20mg上述处理的碳纳米管超声分散于150mL无水乙醇和水的混合液（体积比1:1）中，加入30mL浓度为0.2mol/L的乙酸锌溶液，充分搅拌，加入氨水调节pH为碱性，充分搅拌后过滤，固相分散在去离子水中，调节PH为中性。将以上反应物置于反应釜中，120℃条件下反应5h，然后快速冷却至室温，产物经过滤、洗涤，在60~80℃下干燥，得到4%碳纳米管/氧化锌复合材料。
将上述碳纳米管/氧化锌复合材料按质量分数为10%添加到聚四氟乙烯中，加入N-甲基吡咯烷酮，用超声波和高速机械搅拌器充分混合，加热混合物使N-甲基吡咯烷酮完全挥发 ，再将碳纳米管/氧化锌和聚四氟乙烯混合物置于模具（规格为6mm×20mm×20mm）中冷压成型，再经300~400℃烧结，得到10%碳纳米管/氧化锌-PTFE光催化膜。
实施例1
基于碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜的废水处理装置，如图1所示，包括通过管道顺次连接的进水系统、光催化系统、蒸馏系统、循环水系统和集水系统，所述光催化系统包括石英冷阱6和光源7，光源7置于石英冷阱6内；所述蒸馏系统包含加热器3，膜蒸馏器4，碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜5，碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜5做成圆柱侧面的形状，光催化系统位于中心轴上。进水系统包括废水池1和进水泵2，循环水系统包括循环水泵8和循环水池9；集水系统包括集水池10。
本实施例以浓度为40mg/L的苯酚废水为待处理废水，通过上述废水处理装置，将苯酚废水加入到废水池1中，通过进水泵2的牵引废水进入膜蒸馏器4热侧，热侧的温度设置为65℃，冷侧温度为室温，水力停留时间设为3h，热测温度由加热器3控制，碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜5在500W可见光照射条件下处理废水，热测废水中水蒸气透过碳纳米管/氧化锌PTFE膜5进入膜蒸馏器4冷侧并液化成水，以膜两侧的蒸汽压差作为驱动力；打开带有液位控制器的进水泵2，循环水泵8，使膜蒸馏器冷热侧水循环流动，循环水池9中的水通过循环泵8进入光催化膜冷侧，将液化的水带入循环水池9，最终膜蒸馏的产水会进入集水池10。每隔0.5h取一次样，并测量集水池10中苯酚浓度和COD值，发现苯酚和COD去除率均可达到95%。将实验用完的膜经蒸馏水超声清洗5~6小时，膜的通量可以恢复到90%以上。
实施例2
本实施例以浓度为40mg/L的二甲基二硫废水为目标污染物，以波长254nm的紫外灯为光源，将膜蒸馏器-3热侧的温度设置为60℃，冷侧温度为室温，水力停留时间设为3h，打开带有液位控制器的进水泵-2，循环水泵-8，使膜蒸馏器冷热侧水循环流动，每隔0.5h取一次样，并测量集水池-10中二甲基二硫浓度和COD值，发现二甲基二硫和COD去除率均可达到95%。将实验用完的膜经蒸馏水超声清洗5~6小时，膜的通量可以恢复到90%以上。
以上公开的仅为本申请的两个具体实例，但本申请并非只局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (9)

1.基于碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜的废水处理装置，其特征在于，包括通过管道顺次连接的进水系统、光催化系统、蒸馏系统、循环水系统和集水系统，所述光催化系统包括石英冷阱（6）和光源（7），光源（7）置于石英冷阱（6）内；所述蒸馏系统包含加热器（3），膜蒸馏器（4），碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜（5），碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜（5）做成圆柱侧面的形状，光催化系统位于中心轴上；所述碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜是将碳纳米管/氧化锌复合材料添加到聚四氟乙烯中，加入N-甲基吡咯烷酮，充分混合，加热使N-甲基吡咯烷酮完全挥发 ，再将碳纳米管/氧化锌和聚四氟乙烯混合物置于模具中冷压成型，再经300~400℃烧结得到。
2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜的废水处理装置，其特征在于，所述进水系统包括废水池（1）和进水泵（2），循环水系统包括循环水泵（8）和循环水池（9）；集水系统包括集水池（10）。
3.权利要求1或2所述的基于碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜的废水处理装置在处理废水中的应用。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，将待处理的废水置于废水池（1）中，在进水泵（2）的牵引下进入膜蒸馏器（4）热侧，热侧温度由加热器（3）控制，碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜（5）在光源（7）照射条件下处理废水，热侧废水中水蒸气透过碳纳米管/氧化锌PTFE膜（5）进入膜蒸馏器（4）冷侧并液化成水，以膜两侧的蒸汽压差作为驱动力；循环水池（9）中的水通过循环泵（8）进入碳纳米管/氧化锌PTFE光催化膜冷侧，将液化的水带入循环水池（9），最终膜蒸馏的产水会进入集水池（10）。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：所述膜蒸馏器（4）热侧与冷侧温度差为40-50℃。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：膜蒸馏器（4）热侧温度为60-70℃，膜蒸馏器（4）冷侧温度不高于25℃。
7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：废水的pH范围是6-8，废水在膜蒸馏器中的停留时间为3-6h。
8.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述光源（7）为可见光、太阳光或者紫外光。
9.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述废水包括含苯废水、含酚废水、含有机磷废水和高浓度含盐废水。
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