CN109368749A - 一种高通量消毒装置及消毒方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高通量消毒装置及消毒方法，所述高通量消毒装置包括产水收集管以及呈放射状固定在产水收集管外圆周的电极过滤膜；电极过滤膜包括层叠设置的多孔阳极、多孔阴极以及位于两者之间的多孔电极隔层，电极过滤膜整体对折后的开口端固定在产水收集管外圆周上，对折后的电极过滤膜内部设置产水隔网，电极过滤膜沿对折线方向的两端口胶封；相邻两电极过滤膜之间设置进水隔网，电极过滤膜、产水隔网、进水隔网卷制在产水收集管的外圆周。本发明不需要投加任何化学试剂，仅需极低的电压即可实现高标准消毒，杀毒效率高，并且没有消毒副产物产生，卷式膜结构处理的水通量大，易于被放大和规模化应用。

Description

一种高通量消毒装置及消毒方法

技术领域

本发明涉及流体消毒领域，尤其涉及一种高通量消毒装置及消毒方法。

背景技术

通过消毒控制水中微生物的生长，是保障人们用水安全的重要方法，常见的水消毒技术主要包括以膜过滤和紫外线消毒为代表的物理消毒，以及以氯消毒和臭氧消毒为代表的化学消毒。上述消毒方式各有缺陷，其中，膜过滤消毒效果较佳，但所用的膜孔径一般小于0.2μm，系统运行的压力及能耗较高；紫外线效果后，细菌有光复活和暗复活的风险，导致消毒的效果降低；氯消毒、臭氧消毒主要通过氯或臭氧的氧化作用灭火细菌，但是氯和臭氧也会与水中的其他物质反应从而生成有毒有害的消毒副产物。

因此，设计一种基于膜过滤的高通量消毒装置，在实现各类水源的安全消毒方面有重要意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于卷式电极过滤膜结构的高通量消毒装置和消毒方法。

第一方面，本发明提供的高通量消毒装置，包括产水收集管以及呈放射状固定在产水收集管外圆周的电极过滤膜；产水收集管沿轴向开设若干列产水收集孔，电极过滤膜包括层叠设置的多孔阳极、多孔阴极以及位于两者之间的多孔电极隔层，电极过滤膜对折后的开口端沿某列产水收集孔固定在产水收集管外圆周，并将该列产水收集孔包围；对折后的电极过滤膜内衬产水隔网，电极过滤膜沿对折线方向的两端口胶封；相邻两放射状电极过滤膜之间设置进水隔网，电极过滤膜、产水隔网、进水隔网按照同方向沿着产水收集管外圆周卷制其上，多孔阳极和多孔阴极由导电材料制成，多孔电极隔层、产水隔网、进水隔网均由绝缘材料制成。

上述技术方案中的高通量消毒装置采用多个电极过滤膜同时处理水样，并采用错流过滤的形式对水样进行处理，大大提升其处理的水通量和杀毒效率，进水方向平行于产水收集管，水样进入装置后，只能在进水隔网之间流动，在进水压力下穿过电极过滤膜，从而被净化并进入产水收集管，最终，产水收集管中收集到的即为消毒之后的水样。

优选地，产水收集管外固定的放射状电极过滤膜为5-20张，优选10-20张。

优选地，制成多孔阳极和多孔阴极所用导电材料的孔隙率≥90％、孔径≥100μm。

优选地，电极过滤膜的多孔阳极和多孔阴极分别连接电源正极和电源负极，对折后的电极过滤膜的多孔阴极位于外侧。

利用上述任一种高通量消毒装置进行消毒的方法，包括以下步骤：

(1)将多孔阳极连接电源正极，多孔阴极连接电源负极，使多孔阴极位于外侧，并使每张电极过滤膜的电压为1-3V；

(2)通入进水，控制进水流量在60-250L/mi n之间，使进水先接触电极过滤膜的多孔阴极，发生电极反应，生成过氧化氢和氢氧根离子，然后接触多孔阳极，杀灭水中的微生物，最后形成产水由产水收集管排出。

优选地，上述消毒方法还包括步骤(3)：

(3)将步骤(2)中从进水隔网中流出的未被电极过滤膜处理的进水重新经电极过滤膜处理后形成产水由产水收集管排出。

本发明提供的高通量消毒装置及消毒方法，不需要投加任何化学试剂，仅需极低的电压即可实现高标准消毒，杀毒效率高，并且没有消毒副产物产生，卷式膜结构处理的水通量大，易于被放大和规模化应用。

附图说明

图1为高通量消毒装置中电极过滤膜、产水隔网、进水隔网未卷制时的结构示意图；图2为电极过滤膜展开状态时的结构示意图；

图3为单张电极过滤膜对折后安装在产水收集管上的结构示意图；

图4为电极过滤膜、产水隔网、进水隔网卷制在产水收集管后设置外壳和端盖的结构示意图；

图5为电极过滤膜沿对折线方向的两端口胶封时的结构示意图。

其中，1、电极过滤膜；11、多孔阳极；12、多孔阴极；13、多孔电极隔层；2、产水收集管；21、产水收集孔；3、产水隔网；4、进水隔网；5、外壳；6、端盖。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

实施例1

如图1-4所示(为了突出电极过滤膜的结构，附图中的电极过滤膜进行了适当的放大处理)，本发明提供的高通量消毒装置，包括产水收集管2以及多个卷制在产水收集管2外侧的电极过滤膜1，电极过滤膜1卷制在产水收集管2之前呈放射状固定在产水收集管2外圆周，电极过滤膜1由层叠设置的多孔阳极11、多孔阴极13以及位于两者之间的多孔电极隔层12压制而成，多孔电极隔层12用于防止电极短路，如图2所示；电极过滤膜1整体对折后的开口端固定在产水收集管2外圆周上，如图3-4所示，对折后的电极过滤膜内部设置产水隔网3，产水隔网用于防止电极过滤膜对折后紧密贴合，电极过滤膜沿对折线方向的两端口胶封，也即电极过滤膜对折后呈“口袋状”，只有一边为开口结构，如图5所示；相邻两放射状电极过滤膜1之间设置进水隔网4，如图4所示，进水隔网4用于分隔相邻两电极过滤膜1，防止相互干扰；电极过滤膜1、产水隔网3、进水隔网4按照图1的结构形式安装好后，再按照同一方向(顺时针或逆时针)沿着产水收集管2外圆周卷制其上，形成卷式电极过滤膜结构，如图4所示；多孔阳极11、多孔阴极13均由柔性多孔导电材料制成，多孔电极隔层12、产水隔网3、进水隔网4均由柔性多孔绝缘材料制成。

本发明提供的高通量消毒装置在有限的体积内包含了多个电极过滤膜，实现了高通量的目的，同时，采用多个独立的电极过滤膜同时对进水进行消毒，消毒效率提高，并且采用错流过滤的形式对水样进行处理，进水方向平行于产水收集管，水样进入后，只能在进水隔网之间流动，在进水压力下穿过电极过滤膜，从而被净化并进入产水收集管，最终，产水收集管中收集到的即为消毒之后的水样。错流过滤形式的过滤膜表面不易产生浓差极化现象和结垢现象，过滤透过率衰减较慢，当透过率下降时，只要设法降低水流在膜面的法向力、提高水流在膜面的切向力，就可以对膜进行有效清洗，使膜恢复原有性能，可间歇运行也可连续运行。

本发明提供的卷式电极过滤膜结构是使水流从电极内部通过的电极内过滤电化学氧化结构，其可提高反应效率，降低能耗，提高电极的使用寿命，电化学对有机物降解和微生物灭活主要在于阳极的氧化作用，实现低电压下微生物灭活和有机物降解，就传质而言，采用该方法增加对流(微生物接触电极、反应产物浓度梯度)，比“平流式”和“搅拌式”有所提高。

优选地，电极过滤膜1为5-20张，优选10-20张，均匀卷制在产水收集管外侧。

优选地，假设电极过滤膜、产水隔网、进水隔网的厚度分别为h₁、h₂、h₃，电极过滤膜的数量为n，产水收集管的周长为l，则h₁、h₂、h₃、l需满足以下关系：

l≥(2h₁+h₂+h₃)*n。

优选地，产水收集管2上沿轴向方向开设若干列产水收集孔21，电极过滤膜对折后的开口端沿某列产水收集孔固定在产水收集管外圆周，并将该列产水收集孔包围，从而方便经电极过滤膜处理后生成的产水进入产水收集管中。

优选地，制成多孔阳极11和多孔阴极13所用导电材料的孔隙率≥90％、孔径≥100μm，具体地，多孔阳极11和多孔阴极13可由金属泡沫(银纳米线、钛泡沫、氧化铜及氧化铜纳米线等)、碳纤维材料(例如石墨纤维毡、碳纤维毡、碳纤维布等)、碳纳米管海绵制成，厚度为4-6mm,这些材料的孔径远大于一般微滤或超滤膜孔径，不需要太高的运行压力，通电之后，即可灭活因孔径太大而无法截留的细菌，从而起到消毒的作用。

多孔电极隔层、产水隔网、进水隔网主要起绝缘作用，选用常见的多孔绝缘材料即可，具体地，多孔电极隔层12可采用PP棉或快速滤纸，厚度为0.1-0.3mm；进水隔网4可由PP材质制成，其厚度为4-6mm；产水隔网可由PET制成，厚度为4-6mm；电极过滤膜对折后沿产水收集管圆周方向的宽度(也即对折后的电极过滤膜展开状态时从靠近产水收集管的一端到外端的距离，也可称为宽度，如图3所示，图3中为了突出电极过滤膜的结构，其尺寸进行了适当的放大)为0.5-1m，沿产水收集管轴向的长度为0.8-1.2m。

电极过滤膜沿对折线方向的两端口可以采用塑料胶封，具体地，将塑料高温液化后直接用来封口，冷却后即可实现密封的要求，保证不透水，胶封所用塑料可以为pp或pet。

优选地，电极过滤膜1的多孔阳极11和多孔阴极13分别连接电源正极和电源负极，对折后的电极过滤膜的多孔阴极位于外侧，从而使进水先接触多孔阴极再接触多孔阳极。

阴阳电极表面进行电化学反应时，最常见的是H⁺和OH^-的累积，会严重抑制反应进行，本发明采用阳极后置的结构，当水流通过电极过滤膜时，水流先接触电极过滤膜的阴极，发生电极反应，生成OH^-，使溶液pH值升高，水流中的微生物带负电，从而使微生物更容易接触阳极，当水流再接触阳极时，水中的微生物与阳极接触失去电子，被氧化灭活，并且阳极产生的H⁺可以中和前置阴极产生的OH^-，进一步促进阳极反应，实现更低电压、低停留时间下微生物高效灭活和有机物的迅速降解，同时减少消毒副产物(活性氯副产物)的生成，降低能耗；同时，当阴极发生电极反应产生过氧氢根(HO₂ ^-)时，由于HO₂ ^-具有较强的氧化性，能对微生物直接氧化灭活，进一步提高微生物氧化灭活的程度，实现高效灭活。同等条件下，阳极后置的方式比阴极后置的方式，有机物的去除率高出30-40％，故而优选阳极后置的方式。

电极过滤膜、产水隔网、进水隔网卷制在产水收集管外圆周后由外壳5固定包围，外壳5的两端固定镂空结构的端盖6，电极过滤膜等部件被包裹在外壳和端盖内部，产水收集管的两端分别与两端盖的中心连通。进水由一侧端盖6中心部位以外的镂空处进入，经电极过滤膜消毒后从产水收集管流出。

具体地，端盖6包括位于中心位置的圆环A、呈发射状固定在圆环圆周的肋板、固定在肋板外端的圆环B,圆环B固定连接在外壳5上，圆环A与产水收集管连通，用于排出经电极过滤膜消毒后的水，圆环A与圆环B之间相邻两肋板形成的空间用于通入进水或者排除未经电极过滤膜消毒后的水。电极过滤膜与电源连接时，可以将导线统一设置在整个消毒装置的一端，导线穿过端盖与电源连接。

进水由一侧端盖6中心部位以外的镂空处进入，经电极过滤膜消毒后从产水收集管流出，极少部分未被电极过滤膜消毒的进水从另一侧端盖6中心部位以外的镂空处流出，这部分未被处理的水可以循环上述过程，回流至进水口处再次经电极过滤膜消毒，以达到消毒要求。

实施例2

利用实施例1中任一种消毒装置进行消毒的方法，包括以下步骤：

(1)将多孔阳极连接电源正极，多孔阴极连接电源负极，使多孔阴极位于外侧，并使每张电极过滤膜的电压为2-3V；

(2)通入进水，控制进水流量在60-250L/min之间，使进水先接触电极过滤膜的多孔阴极，发生电极反应，生成氢氧根离子，然后接触多孔阳极，杀灭水中的微生物，最后形成产水由产水收集管排出。

本发明提供的高通量消毒装置可用于杀除水中的多种微生物(包括细菌：大肠杆菌、粪肠球菌、粪大肠杆菌、枯草芽孢杆菌等；病毒：MS 2、F 2等；芽孢等)以及水中微量有机污染物(抗生素、阻垢剂、抑菌剂等)，下面结合具体的实验数据(以大肠杆菌为例)进行说明，实验数据如下：

通过上述实验数据可知，采用本发明的消毒装置进行消毒时，水样中微生物杀除效率高达97.7％及以上；根据序号为1、2、3组的实验数据可知，当其他条件一致时，电极厚度太高或太低，都会影响微生物的去除率；根据序号为4、5、6组的实验数据可知，当其他条件一致时，电极隔层的厚度太高或太低，也会影响微生物的去除率；

电极的高度和长度主要决定了装置的宏观尺寸，这两个值越大，装置本身的尺寸越大，可用于消毒的水通量越大；

根据序号为7、8、9、10、11、12组的实验数据可知，随着电极高度或电极长度的增大，装置本身的尺寸变大，有效电极过滤面积增大，能够完全消毒的水样流量变大，但是对于一定的装置尺寸，其能够完全消毒的流量是有限的，流量过大时无法实现完全消毒；

根据序号为10、13、14、15组的实验数据可知，电极过滤膜个数增多，相当于可以用于消毒的面积增大，能够完全消毒的水样流量也会更大，但是，流量过大时仍然无法实现完全消毒。

根据序号为10、16、17组的实验数据可知，在2-3V的电压下，电源电压高时，灭活效果更好。

本发明提供的消毒装置和消毒方法具有以下有效效果：

(1)不需要投加任何化学药剂，仅需极低电压(仅需1-3V)即可实现高标准消毒；

(2)消毒效果好，没有任何消毒副产物产生的风险；

(3)本发明提供的卷式电极过滤膜结构处理水通量大，易于放大和规模化应用。

以上所述实施方式仅表达了本发明的多种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高通量消毒装置，其特征在于，包括产水收集管(2)以及呈放射状固定在产水收集管外圆周的电极过滤膜(1)；产水收集管沿轴向开设若干列产水收集孔(21)；电极过滤膜包括层叠设置的多孔阳极(11)、多孔阴极(13)以及位于两者之间的多孔电极隔层(12)，电极过滤膜对折后的开口端沿某列产水收集孔固定在产水收集管外圆周，并将该列产水收集孔包围；对折后的电极过滤膜之间内衬产水隔网(3)，电极过滤膜沿对折线方向的两端口胶封；相邻两放射状电极过滤膜之间设置进水隔网(4)，电极过滤膜、产水隔网、进水隔网卷制在产水收集管外圆周，多孔阳极和多孔阴极由导电材料制成，多孔电极隔层、产水隔网、进水隔网均由绝缘材料制成。

2.根据权利要求1所述的高通量消毒装置，其特征在于，产水收集管外固定的放射状电极过滤膜为5-20张。

3.根据权利要求1所述的高通量消毒装置，其特征在于，制成多孔阳极和多孔阴极所用导电材料的孔隙率≥90％、孔径≥100μm。

4.根据权利要求1所述的高通量消毒装置，其特征在于，假设电极过滤膜、产水隔网、进水隔网的厚度分别为h₁、h₂、h₃，电极过滤膜的数量为n，产水收集管的周长为l，则h₁、h₂、h₃、l需满足以下关系：

l≥(2h₁+h₂+h₃)*n。

5.根据权利要求1所述的高通量消毒装置，其特征在于，多孔阳极、多孔阴极、进水隔网、产水隔网的厚度均为4-6mm；多孔电极隔层的厚度为0.1-0.3mm；电极过滤膜对折后沿产水收集管圆周方向的宽度为0.5-1m，沿产水收集管轴向的长度为0.8-1.2m。

6.根据权利要求1所述的高通量消毒装置，其特征在于，电极过滤膜的多孔阳极和多孔阴极分别连接电源正极和电源负极，对折后的多孔阴极位于外侧。

7.根据权利要求1-6任一所述的高通量消毒装置，其特征在于，电极过滤膜、产水隔网、进水隔网卷制在产水收集管外圆周后由外壳(5)固定包围，外壳的两端固定镂空结构的端盖(6)，产水收集管的两端分别与两端盖的中心连通。

8.一种利用权利要求1-7任一所述的高通量消毒装置进行消毒的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将多孔阳极连接电源正极，多孔阴极连接电源负极，使多孔阴极位于外侧，并使每张电极过滤膜的电压为2-3V；

(2)通入进水，控制进水流量在60-250L/min之间，使进水先接触电极过滤膜的多孔阴极，发生电极反应，生成过氧化氢和氢氧根离子，然后接触多孔阳极，杀灭水中的微生物，最后形成产水由产水收集管排出。

9.根据权利要求8所述的消毒方法，其特征在于，还包括步骤(3)：

(3)将步骤(2)中从进水隔网中流出的未被电极过滤膜处理的进水重新经电极过滤膜处理后形成产水由产水收集管排出。