CN108609683B

CN108609683B - 一种净水器及其应用

Info

Publication number: CN108609683B
Application number: CN201810533086.2A
Authority: CN
Inventors: 张雯翔; 莫嘉豪; 陈文松; 杨奇
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2018-05-29
Filing date: 2018-05-29
Publication date: 2021-07-06
Anticipated expiration: 2038-05-29
Also published as: CN108609683A

Abstract

本发明属于污水处理技术领域，尤其涉及一种净水器及其应用。本发明提供了一种净水器，包括：膜反应装置和碳纳米管溶液进料装置；膜反应装置设置有过滤膜；碳纳米管溶液进料装置通过进料口与膜反应装置连接；碳纳米管溶液进料装置的碳纳米管可通过进料口进入膜反应装置并在第一水流的压力下固定于过滤膜上，与过滤膜形成碳纳米管动态吸附层。本发明中，碳纳米管在第一水流的压力下固定于过滤膜上并与过滤膜形成碳纳米管动态吸附层，碳纳米管提高了过滤膜的吸附性能，使过滤膜可应用于微污染物的去除，过滤膜为碳纳米管提供了附着点，避免了碳纳米管的团聚，从而提高了吸附性能，并且，碳纳米管与过滤膜结合减缓了过滤膜污染的发生。

Description

一种净水器及其应用

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，尤其涉及一种净水器及其应用。

背景技术

水中的微污染物主要有持久性有机污染物和环境荷尔蒙两大类。持久性有机污染物(Persistent Organic Pollutants，POPs)具有毒性、易于在生物体内富集。POPs首先被植物、海洋微生物及昆虫吸收，植物、海洋微生物及昆虫又被较强大的生物捕食，POPs随着其在食物链中的循环，最终污染鱼、肉及乳类等食品，被污染的食品被人类食后，POPs藏匿于脂肪纤维中，并且可通过胎盘和哺乳传递给婴儿。环境荷尔蒙存在于生物环境中，是具有与荷尔蒙类同作用的“外因性扰乱内分泌化学物质”。水中的环境荷尔蒙可以通过各种途径进入人体，由于环境荷尔蒙的结构与人体雌性激素分子的结构非常相似，当它们进入人体后，与雌性激素的受体结合，使机体关闭或逐渐改变某些生物化学反应过程，久之会破坏人体内原有的某些功能，使正常的内分泌系统失调。

膜分离技术，是以选择性透过膜为介质，利用膜两侧的压力差、浓度差或电位差等为推动力，使被分离物质中的不同组分选择性的透过膜，从而实现物质分离或提纯。当前，膜分离技术在食品、化工、能源以及污水处理中都得到了广泛应用，并且还在不断发展。在环境工程，特别是废水处理和中水回用方面，膜分离技术有着广泛的应用前景。但是膜分离技术对于微污染物的去除效率不高。

膜分离技术虽然可以根据需要选择分离和提纯物质，但对于所截留的小分子微污染物，往往会产生不可逆的膜污染，需要大量且频繁的更换过滤膜，增加了使用成本。

碳纳米管是一种新型的纳米材料，其独特的一维结构使碳纳米管具备优良的电子学、光学、力学、化学等性质，对污染物具有出色的吸附性能。在水处理方面，碳纳米管常作为吸附去除水中有机微污染物的吸附介质，对生物和化学污染有很好的去除效果。目前对于碳纳米管研究较多的可吸附化合物包括重金属污染物(Cr³⁺、Pb²⁺、Zn²⁺等)、有机物(多环芳香族有机物和阿特拉津等)、生物污染物(细菌、病毒等)、天然有机物和蓝藻毒素等。有机物主要依靠疏水作用实现在碳纳米管上的吸附，除疏水作用外，扩散作用、偶极力、碳纳米管与有机物之间的π电子极化等均有可能在多方面影响吸附质分子在碳纳米管上的吸附行为。对有机物的吸附研究表明，碳纳米管对其吸附能力较强且平衡速率较快，吸附pH值范围较广。

然而，碳纳米管还存在一些不足之处，碳纳米管极易团聚，表面活性位点利用率降低，进而导致吸附性能的降低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种净水器，用于解决膜分离技术对于微污染物的去除效率不高、碳纳米管极易团聚导致其吸附性能降低的问题。

本发明的具体技术方案如下：

一种净水器，包括：膜反应装置和碳纳米管溶液进料装置；

所述膜反应装置设置有过滤膜；

所述碳纳米管溶液进料装置通过进料口与所述膜反应装置连接；

所述碳纳米管溶液进料装置的碳纳米管可通过所述进料口进入所述膜反应装置并在第一水流的压力下固定于所述过滤膜上，与所述过滤膜形成碳纳米管动态吸附层。

优选的，所述膜反应装置内还设置有安装架；

所述过滤膜固定于所述安装架上。

优选的，所述过滤膜为中空纤维膜、卷式膜和平板膜中的一种或多种。

优选的，所述过滤膜为微滤膜、超滤膜和纳滤膜中的一种或多种。

优选的，所述膜反应装置为可调节密封性容器。

优选的，所述碳纳米管动态吸附层可在第二水流的压力下进行所述碳纳米管与所述过滤膜的分离；

所述第二水流与所述第一水流的方向相反。

本发明还提供了上述技术方案所述净水器在去除水中微污染物中的应用。

优选的，包括以下步骤：

a)在所述膜反应装置加入去离子水并形成第一水流，在所述第一水流的压力下将所述碳纳米管溶液进料装置的碳纳米管固定在所述过滤膜上，制得碳纳米管动态吸附层；

b)将待处理水样输入所述膜反应装置内并通过所述碳纳米管动态吸附层进行过滤，得到滤液。

优选的，所述膜反应装置的剪切力为τ，0Pa＜τ≤1.01Pa。

优选的，所述过滤的时间为t，0h＜t≤10h。

综上所述，本发明提供了一种净水器，包括：膜反应装置和碳纳米管溶液进料装置；所述膜反应装置设置有过滤膜；所述碳纳米管溶液进料装置通过进料口与所述膜反应装置连接；所述碳纳米管溶液进料装置的碳纳米管可通过所述进料口进入所述膜反应装置并在第一水流的压力下固定于所述过滤膜上，与所述过滤膜形成碳纳米管动态吸附层。本发明中，碳纳米管在第一水流的压力下固定于过滤膜上并与过滤膜形成碳纳米管动态吸附层，碳纳米管提高了过滤膜的吸附性能，使过滤膜可应用于微污染物的去除，过滤膜为碳纳米管提供了附着点，避免了碳纳米管的团聚，从而提高了吸附性能，并且，碳纳米管与过滤膜结合减缓了过滤膜污染的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例中净水器的结构示意图；

图示说明：1.进水箱；2.进水泵；3.过滤膜；4.安装架；5.出水泵；6.出水箱。

具体实施方式

本发明提供了一种净水器，用于解决膜分离技术对于微污染物的去除效率不高、碳纳米管极易团聚导致其吸附性能降低的问题。

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，为本发明实施例中的一种净水器的结构示意图。

本发明实施例提供了一种净水器，包括：膜反应装置和碳纳米管溶液进料装置；

膜反应装置设置有过滤膜3；

碳纳米管溶液进料装置通过进料口与膜反应装置连接；

碳纳米管溶液进料装置的碳纳米管可通过进料口进入膜反应装置并在第一水流的压力下固定于过滤膜3上，与过滤膜3形成碳纳米管动态吸附层。

本发明实施例中，碳纳米管在第一水流的压力下固定于过滤膜3上并与过滤膜3形成碳纳米管动态吸附层，碳纳米管提高了过滤膜3的吸附性能，使过滤膜3可应用于微污染物的去除，过滤膜3为碳纳米管提供了附着点，避免了碳纳米管的团聚，从而提高了吸附性能，并且，碳纳米管与过滤膜3结合减缓了过滤膜3污染的发生。本发明碳纳米管动态吸附层对石化废水、造纸废水、重金属废水、工业废水二级出水、给水和微污染水中的悬浮物、溶盐以及部分有机物的处理能够取得很好的效果，并且使用该碳纳米管动态吸附层进行处理效果稳定可靠，运行成本低廉，操作便捷。

本发明实施例中，碳纳米管溶液进料装置包括碳纳米管溶液和进料口，碳纳米管溶液为碳纳米管和水的混合溶液。

本发明实施例中，膜反应装置内还设置有安装架4；

过滤膜3固定于安装架4上。

本发明实施例中，还包括：进水箱1、进水泵2、出水泵5和出水箱6；

进水箱1通过进水泵2与膜反应装置的进水口连接，出水箱6通过出水泵5与膜反应装置的出水口连接。

本发明实施例中，过滤膜3为中空纤维膜、卷式膜和平板膜中的一种或多种。安装架4为中空纤维膜安装架、卷式膜安装架和平板膜安装架的一种或多种。

本发明实施例中，过滤膜3包括中空纤维膜、卷式膜和平板膜，安装架4包括中空纤维膜安装架、卷式膜安装架和平板膜安装架。

本发明实施例中，过滤膜3为微滤膜、超滤膜和纳滤膜中的一种或多种。

本发明实施例中，膜反应装置为可调节密封性容器，以便于对过滤膜3和安装架4进行调整。

本发明实施例中，碳纳米管动态吸附层可在第二水流的压力下进行碳纳米管与过滤膜3的分离；

第二水流与第一水流的方向相反。

本发明净水器应用范围广泛，待处理水样涵盖石化废水、造纸废水、重金属废水、有机废水(印染废水、纺织废水等)、微污染水(工业废水二级出水、给水等)等；本发明净水器采用“进水+碳纳米管动态吸附层+过滤+出水”一体化净水方案对石化废水、造纸废水、重金属废水、有机废水、工业废水二级出水、给水、微污染水中的悬浮物、溶盐以及部分有机物进行处理能够取得很好的效果，并且使用该碳纳米管动态吸附层进行处理效果稳定可靠，运行成本低廉，操作便捷。并且本发明提出的一体化净水方案对待处理水样中的亚甲基蓝、活性红2、结晶紫等染料具有明显的脱色作用，可有效降解大分子染料、微污染物等，降低过滤膜3污染情况，提高过滤膜3通量及污染物去除率。

本发明净水器在过滤膜3上固定碳纳米管参与水净化可以达到提高污染物截留率、回收利用碳纳米管的效果，通过剪切力提供膜反应装置不停搅拌，同时碳纳米管可吸附去除污染物，有效降低过滤膜3污染发生。

以上是对本发明实施例提供的一种净水器的一个实施例进行详细的描述，以下将对本发明实施例提供的一种净水器的一个应用例进行详细的描述。

本发明应用例中，净水器应用于去除水中微污染物。

净水器的安装包括：将过滤膜3安装于膜反应装置内，并将膜反应装置与进水箱1、出水箱6和碳纳米管溶液进料装置连接，其中，进水箱1通过进水泵2与膜反应装置的进水口连接，出水箱6通过出水泵5与膜反应装置的出水口连接，碳纳米管溶液进料装置通过进料口与膜反应装置连接。然后，根据待处理水样的处理量在碳纳米管溶液进料装置内加入碳纳米管，碳纳米管再通过进料口进入膜反应装置内。

本发明应用例中，将中空纤维膜、卷式膜和平板膜分别通过中空纤维膜安装架、卷式膜安装架和平板膜安装架安装于膜反应装置内。

净水器应用于去除水中微污染物包括以下步骤：

a)在膜反应装置加入去离子水并形成第一水流，在第一水流的压力下将碳纳米管溶液进料装置的碳纳米管固定在过滤膜3上，制得碳纳米管动态吸附层；

b)将待处理水样输入膜反应装置内并通过碳纳米管动态吸附层进行过滤，得到滤液。

本发明应用例中，步骤a)具体包括：在膜反应装置加入去离子水并形成第一水流，在第一水流的压力下将碳纳米管溶液进料装置的碳纳米管完全固定在过滤膜3上，制得碳纳米管动态吸附层，再通过出水泵5将去离子水输出至出水箱6内。

步骤b)具体包括：将进水箱1内的待处理水样输入膜反应装置的污水区，通过待处理水样形成的水流产生0Pa～1.01Pa剪切力，并记录过滤过程的膜渗透通量，待处理水样透过碳纳米管动态吸附层得到滤液，过滤过程结束后，再通过出水泵5将滤液输出至出水箱6内，完成净水过程。

步骤b)之后还包括步骤c)：将碳纳米管动态吸附层在与第一水流的方向相反的第二水流的压力下进行碳纳米管与过滤膜3的分离，再制备碳纳米管动态吸附层。

步骤c)将吸附饱和的碳纳米管动态吸附层进行碳纳米管与过滤膜3的分离，即进行碳纳米管动态吸附层的反冲洗，更换碳纳米管动态吸附层。

本发明应用例中，膜反应装置的剪切力为τ，0Pa＜τ≤1.01Pa。

过滤的时间为t，0h＜t≤10h。

以上是对本发明实施例提供的一种净水器的一个应用例进行详细的描述，以下将对本发明实施例提供的一种净水器的另一个应用例进行详细的描述。

本发明应用例采用净水器去除二级出水中的模拟印染废水，包括如下步骤：

(1)将过滤膜3安装于膜反应装置内，过滤膜3为超滤膜；

(2)配置50ml浓度分别为10mg/L、15mg/L、25mg/L、50mg/L的亚甲基蓝模拟印染废水；

(3)配置50ml浓度为25g/m²的碳纳米管溶液；

(4)将碳纳米管溶液加入碳纳米管溶液进料装置，再通过进料口进入膜反应装置内；

(5)在膜反应装置加入去离子水并形成第一水流，在第一水流的压力下将碳纳米管固定在过滤膜3上，制得碳纳米管动态吸附层，再通过出水泵5将去离子水输出至出水箱6内；

(6)从进水箱1用进水泵2将亚甲基蓝模拟废水引入膜反应装置，

(7)亚甲基蓝模拟废水在膜反应装置形成的水流产生0.036Pa的剪切力，膜反应装置内的压力为0.15MPa，水净化的反应时间为200min，期间记录过滤的平均膜渗透通量分别为174.25L/h·m²、185.64L/h·m²、171.66L/h·m²、177.31L/h·m²，实际膜渗透通量分别为177.31L/h·m²、175.44L/h·m²、166.57L/h·m²、161.19L/h·m²；

(8)反应完成后，打开出水泵5，将滤液收集到出水箱6，测定滤液亚甲基蓝浓度分别为0.079mg/L、0.112mg/L、0.157mg/L、0.216mg/L。去除率分别为99.21％、99.25％、99.37％、99.57％；

(9)碳纳米管动态吸附层吸附饱和后，对碳纳米管动态吸附层进行反冲洗，重新制备新的碳纳米管动态吸附层。

本发明应用例采用净水器去除二级出水中的COD(Chemical Oxygen Demand，化学需氧量)，包括如下步骤：

(1)用进水箱1收集二级出水，测定其COD为100mg/L～200mg/L；

(2)将过滤膜3安装于膜反应装置内，过滤膜3为超滤膜；

(3)配置50ml浓度为50g/m²的碳纳米管溶液；

(6)先从进水箱1用进水泵2将COD为100mg/L～200mg/L的二级出水引入膜反应装置；

(7)二级废水在膜反应装置形成的水流产生0.36Pa的剪切力，膜反应装置内的压力为0.25MPa，水净化的反应时间为600min，期间记录过滤的平均膜渗透通量121.29L/h·m²、实际膜渗透通量103.74L/h·m²；

(8)反应完成后，打开出水泵5，将滤液收集到出水箱6，测定滤液COD为15mg/L～20mg/L，去除率为85％～90％；

目前，国内外对于碳纳米管的工程技术应用研究多集中于将碳纳米管与过滤膜进行镶嵌以固定碳纳米管颗粒从而形成新的改性膜用于处理污染物，而本发明净水器在第一水流的作用下采用直接涂布法将碳纳米管与膜反应器装置联用，一方面，碳纳米管不需要额外制备，价格低廉，过滤膜3无需进行改性，种类多，选择性强，两者均可直接购买，使整个操作过程简化，提高效率，另一方面，在膜反应装置内由于剪切力提供装置的搅拌作用，碳纳米管能够充分与污染物接触并反应，充分利用了碳纳米管巨大的比表面积，吸附一定时间后，碳纳米管吸附饱和后可通过反冲洗方式快速清洗过滤膜3，然后重新更换新的碳纳米管，从而降低过滤膜3污染，提高膜渗透通量和污染物截留率，同时可回收有价值的物质。

本发明应用范围广泛，待处理水样涵盖石化废水、造纸废水、重金属废水、有机废水(印染废水、纺织废水等)、微污染水(工业废水二级出水、给水等)等；本发明净水器采用“进水+碳纳米管动态吸附层+过滤+出水”一体化净水方案对石化废水、造纸废水、重金属废水、有机废水、工业废水二级出水、给水、微污染水中的悬浮物、溶盐以及部分有机物进行处理能够取得很好的效果，并且使用该碳纳米管动态吸附层进行处理效果稳定可靠，运行成本低廉，操作便捷；采用碳纳米管吸附可以达到提高污染物截留率、回收利用有价值的物质的效果，通过剪切力提供装置不停搅拌，同时碳纳米管可吸附污染物，有效降低膜污染发生；通过本发明提出的一体化净水方案对废水中亚甲基蓝、活性红2、结晶紫等染料具有明显的脱色作用，可有效降解大分子染料、吸附重金属以及微污染物，降低膜污染情况，提高膜通量及污染物去除率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种净水器，其特征在于，包括：膜反应装置和碳纳米管溶液进料装置；

所述膜反应装置设置有过滤膜；

所述碳纳米管溶液进料装置的碳纳米管可通过所述进料口进入所述膜反应装置并在第一水流的压力下固定于所述过滤膜上，与所述过滤膜形成碳纳米管动态吸附层；

所述碳纳米管动态吸附层可在第二水流的压力下进行所述碳纳米管与所述过滤膜的分离；

所述第二水流与所述第一水流的方向相反；

所述碳纳米管溶液进料装置的碳纳米管溶液为50ml浓度为25～50g/m²的碳纳米管溶液。

2.根据权利要求1所述的净水器，其特征在于，所述膜反应装置内还设置有安装架；

所述过滤膜固定于所述安装架上。

3.根据权利要求1所述的净水器，其特征在于，所述过滤膜为中空纤维膜、卷式膜和平板膜中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的净水器，其特征在于，所述过滤膜为微滤膜、超滤膜和纳滤膜中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的净水器，其特征在于，所述膜反应装置为可调节密封性容器。

6.权利要求1至权利要求5任意一项所述净水器在去除水中微污染物中的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述膜反应装置的剪切力为τ，0Pa＜τ≤1.01Pa。

9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述过滤的时间为t，0h＜t≤10h。