CN107441950A - 一种电化学耦合陶瓷滤膜及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电化学耦合陶瓷滤膜及其应用。本发明在陶瓷微滤膜的基础上，内嵌导电金属材料制作导电陶瓷滤膜。以此导电陶瓷膜作为阳极，石墨材料作为阴极，利用恒电位电源在阴阳极两端施加恒定电压，通过电化学作用在阳极表面产生的一定量过氧化氢、羟基自由基以及超氧负离子等氧化性物质。在这些活性氧物质扩散的过程中，它们能够依靠自身较强的氧化能力去除部分膜面以及膜孔内的污染物，从而提高导电陶瓷膜的抗污染性能。本发明耦合了陶瓷微滤膜分离技术与电化学氧化作用，一方面提高陶瓷微滤膜的抗污染性能，一方面利用无机陶瓷膜的材质特点，延长了导电微滤膜的使用寿命，增强了导电微滤膜在水处理领域的实际应用性。

Description

一种电化学耦合陶瓷滤膜及其应用
技术领域
本发明属于城市污水处理领域，具体涉及一种电化学耦合陶瓷滤膜及其应用。
背景技术
膜生物反应器（Membrane Bioreactor, 以下简称MBR）作为一种将膜分离技术与生物处理技术相结合的新型污水处理技术，以其具有系统处理效率髙、髙负荷率、占地面积小、便于实现自动化控制等优点，备受关注。然而，MBR中膜污染的形成从各方面制约了MBR技术的推广应用。膜污染的产生不仅使MBR系统的运行性能大幅下降，同时也会导致运行能耗增加，由此影响MBR技术经济性能和推广应用。
MBR系统中的膜污染具体指的是，在膜过滤过程中，水中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径堵塞，使膜产生透过流量与分离特性降低的现象。
针对这一现象，目前有关于膜污染的控制策略主要包括进水预处理、优化操作条件、改变污泥混合液性质、膜改性和膜清洗等。然而在操作条件一定的条件下，采用以上其他控制MBR系统膜污染的措施均存在一定的不足。无论是进水预处理、膜改性，或是改变污泥混合液性质（投加吸附剂、絮凝剂、悬浮颗粒和其它化学物质），都将明显提高MBR运行和维护成本。而膜清洗中的物理清洗的清洗效果有限，无法保证后续使用，化学清洗则会导致膜化学稳定性下降，同时存在着产生二次污染的现象。
近年来，针对MBR系统中多数污染物以及胞外聚合物（EPS）均带负电荷的特性，一种称为电化学辅助技术的膜污染控制技术正得到广泛的关注和研究。电化学辅助技术即通过外加电场，利用电场斥力减缓污染物和EPS在膜表面的沉积速度，从而延长MBR系统的运行周期。柳丽芬等人发明了一种制作聚苯胺改性中性导电滤膜的方法（专利公开号CN103100314A）。但在上述的发明研究中，发明人采用有机膜作为制作导电滤膜的基础，而有机膜具有的使用寿命短及化学稳定性差等不足均限制了其在实际运用中的推广。制备高性能的导电膜是电化学辅助技术应用的核心与关键。
基于目前常规控制膜污染的局限性以及有机导电膜使用寿命短的不足，本发明以孔径为0.5 μm的常规平板陶瓷膜为基础，内嵌导电金属材料制备形成导电陶瓷膜。本发明无需化学添加，不产生二次污染，有效控制了成本。本发明中所采用的陶瓷膜为无机平板膜，较之传统有机膜具有机械强度高、使用寿命长和化学稳定性高等特点。同时将导电膜作为阳极，选用石墨材料作为阴极，通过恒电位电源在阴阳极两端施加恒定电压，使导电膜表面生成过氧化氢、羟基自由基和超氧负离子等活性氧物质产生原位清洗效果，从而减缓MBR系统膜表面污泥絮体和污染物沉积的速率，实现对膜污染的控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于控制膜生物反应器膜污染的电化学耦合陶瓷滤膜及其应用。本发明通过外加电场对膜生物反应器中所使用的新型导电膜产生原位清洗效果，从而对膜污染进行控制。在普通平板陶瓷膜的基础上，内嵌导电金属材料制成导电陶瓷膜并直接作为阳极，利用导电膜表面产生的过氧化氢、羟基自由基和超氧负离子等活性氧物质最终实现MBR系统的原位膜污染控制。
本发明提出的一种电化学耦合陶瓷滤膜，由常规平板陶瓷膜和导电金属材料组成，导电金属材料等长切割，分别嵌入平板陶瓷膜相应的空腔内上部，导电金属材料一端通过金属材质的导线连接，使导电陶瓷滤膜具有导电性能；且所述金属材质的导线伸出平板陶瓷膜顶部。
本发明中，在稳压电源5的外加电场作用下，电化学耦合陶瓷滤膜作为阳极，内嵌的导电金属材质表面产生的活性氧物质通过原位反应和扩散作用对电化学耦合陶瓷滤膜的膜孔和膜面的污染物进行分解，由此产生抗污染性。
本发明中，所述导电金属材料为具有一定抗腐蚀性能的良导体，其材质采用钛金属或不锈钢；其结构包括网状或丝状。
本发明中，在外加电压条件下，导电陶瓷滤膜内嵌的导电金属材质表面产生的活性氧物质，包括过氧化氢、羟基自由基和超氧负离子。
本发明提出的电化学耦合陶瓷滤膜在膜生物反应器中的应用，所述膜生物反应器由主体反应区4、电化学系统5、进水系统6、液位控制系统7、出水系统8以及曝气系统9组成，进水系统6和出水系统8由蠕动泵和硅胶导管组成；液位控制系统7由溢流槽和溢流口组成；电化学系统5由直流稳压电源5、石墨材质阴极2、电化学导电陶瓷滤膜1（阳极）以及连接电路的金属材质导线组成，石墨材质阴极2位于电化学导电陶瓷滤膜1两侧，石墨材质阴极2通过金属材质导线连接直流稳压电源5的负极，电化学导电陶瓷滤膜1通过金属材质导线连接直流稳压电源5的正极；曝气系统由气泵和气体流量计组成；电化学系统5位于主体反应区4内，曝气系统9位于电化学系统5下方，液位控制系统7位于主体反应区4上方一侧，主体反应区4顶部设置进水系统6，电化学导电陶瓷滤膜1连接出水系统8。
本发明中，所述石墨阴极材料的材质为石墨板、石墨毡或石墨布中的任一种。
本发明具有以下优点：本发明不同于常规控制膜污染的手段，采用耦合电化学技术和微滤膜的方法，通过外加电场于导电膜，使之在膜表面产生，包括过氧化氢、羟基自由基和超氧负离子，从而对膜污染进行控制。本发明中使用外加恒定电压，无化学添加，故不会造成二次污染，并且由于采用间歇供电的方式，因此运行能耗低，水处理成本无明显上升。同时，不同于其他研究者的有机导电膜，本发明以平板陶瓷膜作为制作导电膜的基础。陶瓷膜作为一种无机膜，具有的机械强度高、使用寿命长和化学稳定性高等诸多优点是传统有机膜所无法企及的。
附图说明
图1是电化学导电陶瓷滤膜生物反应器示意图。
图2是电化学导电陶瓷滤膜构型图。
图3是电化学导电陶瓷滤膜通电条件下抗污染原理图。
图中标注：1-电化学导电陶瓷滤膜，2-石墨材质阴极，3-金属材质导线，4-主体反应区，5-直流稳压电源，6-MBR进水系统，7-MBR液位控制系统，8-MBR出水系统，9-MBR曝气系统，10-导电金属材料，11-平板陶瓷膜。
具体实施方式
下面通过实例进一步说明本发明。
实施例1：MBR进水系统6为使用蠕动泵进水，MBR液位控制系统7为使用溢流槽进行液位控制，MBR出水系统8为使用蠕动泵抽吸出水，MBR曝气系统9采用穿孔曝气。全过程采用人工配水，使用水银压力计监控跨膜压差。导电陶瓷膜1内嵌导电金属材料为钛丝网，采用钛线作为导线3与直流稳压电源5相连作为阳极，同时选取石墨板2作为阴极，阴阳极板间距离为1 cm。使用两套反应器进行实验，一套使用导电陶瓷膜外加电压，一套使用普通陶瓷膜作为对照验证导电陶瓷膜的抗污染性。
配水采用50 mg/L海藻酸钠（SA）和1 mM CaSO4模拟生活污水，外加50 mM Na2SO4作为电解质。导电膜以20 L/(m2·h)通量运行，采用抽吸10 min停抽2 min的运行方式，并在停抽的2 min期间外加3 V电压，跨膜压差到达30 kPa时视为运行终点。普通陶瓷膜污染周期为25 h，外加电压的导电膜污染周期为46 h，由此验证了该导电陶瓷膜的抗污染性。

Claims (6)

1.一种电化学耦合陶瓷滤膜，其特征在于：由常规平板陶瓷膜和导电金属材料组成，导电金属材料等长切割，分别嵌入平板陶瓷膜相应的空腔内上部，导电金属材料一端通过金属材质的导线连接，使导电陶瓷滤膜具有导电性能；且所述金属材质的导线伸出平板陶瓷膜顶部。
2.根据权利要求1所述的电化学耦合陶瓷滤膜，其特征在于：在稳压电源(5)的外加电场作用下，电化学耦合陶瓷滤膜作为阳极，内嵌的导电金属材质表面产生的活性氧物质通过原位反应和扩散作用对电化学耦合陶瓷滤膜的膜孔和膜面的污染物进行分解，由此产生抗污染性。
3.根据权利要求1所述的电化学耦合陶瓷滤膜，其特征在于：所述导电金属材料为具有一定抗腐蚀性能的良导体，其材质采用钛金属或不锈钢；其结构包括网状或丝状。
4.根据权利要求2所述的电化学耦合陶瓷滤膜产生的活性氧物质，其特征在于：在外加电压条件下，导电陶瓷滤膜内嵌的导电金属材质表面产生的活性氧物质，包括过氧化氢、羟基自由基和超氧负离子。
5.一种如权利要求1所述的电化学耦合陶瓷滤膜在膜生物反应器中的应用，其特征在于：所述膜生物反应器由主体反应区(4)、电化学系统(5)、进水系统(6)、液位控制系统(7)、出水系统(8)以及曝气系统(9)组成，进水系统(6)和出水系统(8)由蠕动泵和硅胶导管组成；液位控制系统(7)由溢流槽和溢流口组成；电化学系统(5)由直流稳压电源(5)、石墨材质阴极(2)、电化学导电陶瓷滤膜(1)（阳极）以及连接电路的金属材质导线组成，石墨材质阴极(2)位于电化学导电陶瓷滤膜(1)两侧，石墨材质阴极(2)通过金属材质导线连接直流稳压电源(5)的负极，电化学导电陶瓷滤膜(1)通过金属材质导线连接直流稳压电源(5)的正极；曝气系统由气泵和气体流量计组成；电化学系统(5)位于主体反应区(4)内，曝气系统(9)位于电化学系统(5)下方，液位控制系统(7)位于主体反应区(4)上方一侧，主体反应区(4)顶部设置进水系统(6)，电化学导电陶瓷滤膜(1)连接出水系统(8)。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述石墨阴极材料的材质为石墨板、石墨毡或石墨布中的任一种。
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