CN110092454A - 一种废水的处理装置、制造方法及利用该装置处理废水的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种废水的处理装置、制造方法及利用该装置处理废水的方法，属于环保领域。一种废水的处理装置，包括多孔内管，多孔内管的外围设有含有两种以上的聚合物纳米纤维的滤膜，聚合物纳米纤维上分布有无机物颗粒。一种废水的处理装置的制备方法，包括以下步骤：1)配制两种以上的纺丝原液；2)将多孔内管作为纺丝接受基材利用纺丝原液同时进行静电纺丝。一种废水的处理装置处理废水的方法，进入多孔内管的废水为脉冲状。本发明的废水处理装置，进行油水分离和吸附重金属。

Description

一种废水的处理装置、制造方法及利用该装置处理废水的 方法

技术领域

本发明涉及环保领域，尤其是一种废水的处理装置、制造方法及利用该装置处理废水的方法。

背景技术

各种工业技术的快速发展为社会带来了巨大的经济效益，但同时往往伴随着资源的过度开发和环境污染，尤其是水污染。工业生产、日常生活和频繁发生的海洋油泄漏事故都会产生大量的含油污水，这些不溶性油类难以通过生物降解或环境自清洁而被去除，同时，废水的排放量也急剧增加，水中重金属积累加剧，废水中的重金属离子通过地下水循环和土壤迁移，造成人类饮用水和食物的污染，严重危害人类的生存环境和生命安全。水体中重金属离子的来源主要是矿山开采、金属冶炼加工、电池制造和农药制造等行业的化工废水排放。废水中重金属离子种类复杂，并以多种价态和形态存在，不能分解破坏，只能转移其存在位置和转变其物化形态。治理重金属污水的方法主要包括化学反应法(如共沉淀法、化学/电化学还原法)，物理处理法(如吸附、溶剂萃取、离子交换和膜分离等)以及生物处理法(如生物化学法、生物絮凝和植物生态修复等)。传统处理方法具有能耗大、成本高、易产生二次污染等缺点。

针对含油污水的处理至关重要且充满挑战性。现阶段利用超浸润性表面制备的超亲水/超疏油型材料已被广泛应用于油水分离，而从实际应用的角度考虑，此类材料多为亲水性涂层直接涂覆于多孔基底而得到的复合分离材料。申请号为201310596762.8的中国发明专利申请公开了一种纤维素凝胶包裹的复合油水分离网，文献Scientific Reports2013，3，1制备出具有水下超疏油和自清洁性质的硅酸钠/TiO₂复合油水分离膜，二者均具有良好的分离效果。但是，这些材料在进行油水分离时不能同步的去除废水中的金属离子。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种废水的处理装置、制造方法及利用该装置处理废水的方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种废水的处理装置，包括多孔内管，所述多孔内管的外围设有含有两种以上的聚合物纳米纤维的滤膜。

进一步的，所述滤膜的厚度为1-500μm，孔径为0.01-50μm，孔密度为104-1010个/cm²。

进一步的，所述聚合物纳米纤维上分布有无机物颗粒。

进一步的，所述无机物颗粒为碳酸钙、石墨、BN、高岭土、石膏、石棉、玻璃粉、活性碳、石英、钛白粉中的一种或多种。

一种基于上述废水处理装置的制备方法，包括以下步骤：

1)配制两种以上的纺丝原液；

2)将多孔内管作为纺丝接受基材利用纺丝原液同时进行静电纺丝。

进一步的，步骤1)中的纺丝原液内还包含有无机物颗粒。

进一步的，还包括以下步骤：

3)将步骤2)得到的静电纺丝后的多孔内管置于50～200℃保温10～120min。

进一步的，进入多孔内管的废水为脉冲状。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的废水处理装置及利用该装置处理废水的方法，在废水脉冲式供给的条件下能对废水中的油水进行分离同时吸附废水中的重金属离子，通过无机物颗粒改性的静电纺丝聚合物滤膜具有更好的疏水性和更强的亲油性，从而分离废水中的油相和水相；同时，静电纺丝滤膜具有超大的比表面积，在液体脉冲式流动的驱动下，滤膜中不同聚合物纤维接触-分离后在滤膜孔道内产生的微电场增强双电层，流过聚合物表面的液体中包含的重金属离子被聚合物表面双电层吸附后离开水相，实现废水中重金属离子的去除；该废水处理装置能够进行油水分离的同时吸附废水中的重金属。

本发明的废水处理装置的制备方法，利用静电纺丝方法制备聚合物纳米纤维滤膜，制备过程简单和成本低廉；进一步的，利用高温处理去除静电纺丝滤膜中残留的有机溶剂。

附图说明

图1为本发明提供的一种废水的处理装置的结构示意图；

图2为本发明提供的废水的处理装置的展开图。

其中：1-多孔内管；2-外管；3-滤膜。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1：

1)配制两种以上的纺丝原液；将PVC溶解在二甲基甲酰胺和四氢呋喃的混合溶液中，PVC质量比为15％，溶液中二甲基甲酰胺比四氢呋喃体积比为3:1，尼龙-66以质量比20％溶解在甲酸中，溶解过程加热并搅拌；在超声条件下，将石墨以相对PVC质量比0.1％分散在PVC的二甲基甲酰胺/四氢呋喃的混合溶液中；

2)将多孔内管1作为纺丝接受基材进行静电纺丝；将上述两种静电纺丝原液体加入静电纺丝设备，不锈钢多孔管(长度200mm，外经Φ＝8mm，壁厚0.2mm，孔数100目)作为纺丝接受基材接地，两种的静电纺丝原液在同时进行纺丝；保持喷丝距离为15厘米；PVC纺丝原液电压为12KV，流速为1.5mL/h；尼龙-66纺丝原液电压为20KV，流速为0.5mL/h；环境温度为25℃，湿度为30％。

3)纺丝结束后将接收静电纺丝多孔膜的不锈钢多孔管置于100℃的空气中稳定60min。

利用实施例1得到的包裹有静电纺丝滤膜的多孔内管道与外管道组装制成废水处理装置进行废水处理，具体如下：

使用CuSO₄的水溶液模拟废水中的重金属离子，正己烷模拟废水中的油相，CuSO₄水溶液浓度以物质的量计为5mM，正己烷与水的比例以体积计为1:50，模拟废水200mL通过蠕动泵以10mL/min速度通过不锈钢内管道，分别在1min，10min，30min，60min和120min取样测量Cu²⁺浓度及正己烷含量，测试结果如表1所示：

表1.利用实施例1得到的废水处理装置处理废水的数据

实施例2：

1)配制两种以上的纺丝原液；将PVC溶解在二甲基甲酰胺和四氢呋喃的混合溶液中，PVC质量比为15％，溶液中二甲基甲酰胺比四氢呋喃体积比为3:1；尼龙-66以质量比20％溶解在甲酸中，溶解过程加热并搅拌；

在超声条件下，将BN以质量比0.1％(相对PVC)分散在PVC的二甲基甲酰胺/四氢呋喃的混合溶液中；

2)将多孔内管1作为纺丝接受基材利用纺丝原液同时进行静电纺丝；将上述两种静电纺丝原液体加入静电纺丝设备，不锈钢多孔管(长度200mm，外经Φ＝8mm，壁厚0.2mm，孔数100目)作为纺丝接受基材接地，两种的静电纺丝原液在同时进行纺丝；保持喷丝距离为15cm；PVC纺丝原液电压为12KV，流速为1.5mL/h；尼龙-66纺丝原液电压为20KV，流速为0.5mL/h；环境温度为25℃，湿度为30％。

3)纺丝结束后将接收静电纺丝多孔膜的不锈钢多孔管置于100℃的空气中稳定60min。

利用实施例2得到的包裹有静电纺丝滤膜的多孔内管道与外管道组装制成废水处理装置进行废水处理，具体如下：

使用FeCl₃的水溶液模拟废水中的重金属离子，正己烷模拟废水中的油相，FeCl₃水溶液浓度以物质的量计为5mM，正己烷与水的比例以体积计为1:50，模拟废水200mL通过蠕动泵以10mL/min速度通过不锈钢内管道，分别在1min，10min，30min，60min和120min取样测量Fe³⁺浓度及正己烷含量，测试结果见表2：

表2.利用实施例2得到的废水处理装置处理废水的数据

实施例3：

1)配制两种以上的纺丝原液；将PVDF溶解在二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶液中，PVDF质量比为15％，溶液中二甲基甲酰胺比丙酮体积比为9:1；尼-66以质量比20％溶解在甲酸中，溶解过程加热并搅拌；在超声条件下，将BN以质量比0.1％(相对PVDF)分散在PVDF的二甲基甲酰胺/丙酮的混合溶液中；

2)将多孔内管1作为纺丝接受基材利用纺丝原液同时进行静电纺丝；将上述两种静电纺丝原液体加入静电纺丝设备，不锈钢多孔管(长度200mm，外经Φ＝8mm，壁厚0.2mm，孔数100目)作为纺丝接受基材接地，两种的静电纺丝原液在同时进行纺丝，保持喷丝距离为15cm；PVDF纺丝原液电压为10KV，流速为1mL/h；尼龙-66纺丝原液电压为20KV，流速为0.5mL/h；环境温度为25℃，湿度为30％。

3)纺丝结束后将接收静电纺丝多孔膜的不锈钢多孔管置于100℃的空气中稳定60min。

实施例3得到的包裹静电纺丝滤膜的多孔内管道与外管道组装制成废水处理装置的进行废水处理，具体如下：

使用CuSO₄的水溶液模拟废水中的重金属离子，正己烷模拟废水中的油相，CuSO₄水溶液浓度以物质的量计为5mM，正己烷与水的比例以体积计为1:50，模拟废水200mL通过蠕动泵以10mL/min速度通过不锈钢内管道，分别在1min、10min、30min、60min和120min取样测量Cu²⁺浓度及正己烷含量，测试见表3：

表3.利用实施例3得到的废水处理装置处理废水的数据

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和图2，图1和图2分别为本发明提供的一种废水的处理装置的结构示意图和展开图，该装置中的多孔内管1外围设有滤膜3，两者外侧套设设有外管2，外管2的作用是收集分离后的油相。

一种利用本发明的废水的处理装置的处理废水的方法，进入多孔内管1的液体为脉冲状。

利用本发明的废水的处理装置的处理废水的原理，聚合物对于电荷(电子)的束缚能力有巨大差异，不同聚合物接触后，电子在聚合物表面重新分配，获得电子的聚合物带负电，失去电子的聚合物带正电。接触分离后，聚合物表面分布的异种电荷在不同聚合物之间形成电场。电场的强度取决于聚合物的表面积以及电荷密度。这种通过接触-分离形成的电场电压可以高达数千至上万伏特。内管表面通过静电纺丝沉积不同聚合物，形成复合聚合物多孔滤膜。

应用本发明提出工业废水处理方法及装置处理工业废水时，内管流动液体通过脉冲的方式供给。脉冲流动过程中，液体对多孔滤膜壁的压力大小随时间产生周期性的变化。多孔滤膜中不同聚合物在周期性液体压力的作用下产生周期性的接触-分离运动。接触过程中电荷在不同聚合物表面重新分布，分离过程中聚合物表面聚集的电荷在不同聚合物之间建立电场。在管内流动液体周期性压力驱动下，复合聚合物多孔滤膜中不同聚合物表面间聚集了大量异种电荷并维持稳定的电场，这个电场增加了聚合物表面的双电层结构。流过聚合物表面液体中包含的重金属离子被聚合物表面双电层吸附，离开水相从而实现废水中重金属离子的去除。静电纺丝多孔聚合物具有高孔隙率和大的比表面积，接触-分离过程可以产生更强的电场，巨大的比表面积有助于金属离子的高效静电吸附。同步的，本发明中通过无机颗粒复合的方式增强聚合物的疏水性/亲水性，特别的通过静电纺丝技术制作的无机颗粒复合聚合物多孔滤膜的疏水性/亲水性进一步增加。当含油废水流过内管时，油相/水相在多孔滤膜表面具有很好的润湿性，会通过滤膜中的微孔进入内管和外管之间与水相/油相分离。废水中的水相/油相在多孔滤膜表面完全不润湿，水相/油相被多孔滤膜阻挡在内管内流动。基于上述原理和过程，本发明通过脉冲供液在复合聚合物多孔滤膜中产生的静电场和聚合物滤膜的疏水性同步完成含油工业废水中重金属离子的吸附以及油水分离，实现废水处理。

静电纺丝是将聚合物溶液或熔体在高压电场中进行喷射纺丝的一种特殊纺丝方法。其原理是在喷射装置和接收装置间施加高压静电场，纺丝原液在针头端部形成射流，并在电场中被拉伸，最终在接收装置上形成无纺状态的纳米纤维。静电纺丝纳米纤维膜具有比表面积大(10～40m²/g)、孔隙率高(>80％)、制备过程简单和成本低廉等优点。静电纺丝聚合物多孔膜吸附重金属离子的机理主要有离子交换、静电吸附、离子螯合等。聚合物对于电荷(电子)的束缚能力有巨大差异，不同聚合物表面通过接触-分离形成的局域电场电压可以高达数千至上万伏特。局域强电场会增加聚合物表面的双电层结构。通过重金属离子在双电层内富集，实现污水重金属离子的去除。静电纺丝多孔聚合物具有高孔隙率和大的比表面积，通过接触-分离内建静电场以及高的比表面积实现金属离子的高效静电吸附。

通过加入无机物颗粒的种类和数量可以调节聚合物表面的亲/疏水性，结合静电纺丝技术，本发明提出一种聚合物多孔超疏水/超亲油型材料，这种材料将同时兼顾油水分离和重金属离子去除，可以用于废水的处理。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种废水的处理装置，其特征在于，包括多孔内管(1)，所述多孔内管的外围设有含有两种以上的聚合物纳米纤维的滤膜(3)。

2.根据权利要求1所述的废水的处理装置，其特征在于，所述滤膜(3)的厚度为1-500μm，孔径为0.01-50μm，孔密度为104-1010个/cm²。

3.根据权利要求1所述的废水的处理装置，其特征在于，所述聚合物纳米纤维上分布有无机物颗粒。

4.根据权利要求1所述的废水的处理装置，其特征在于，所述无机物颗粒为碳酸钙、石墨、BN、高岭土、石膏、石棉、玻璃粉、活性碳、石英、钛白粉中的一种或多种。

5.一种根据权利要求1-4所述的废水的处理装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)配制两种以上的纺丝原液；

2)将多孔内管(1)作为纺丝接受基材利用纺丝原液同时进行静电纺丝。

6.根据权利要求5所述的废水的处理装置的制备方法，其特征在于，步骤1)中的纺丝原液内还包含有无机物颗粒。

7.根据权利要求5所述的废水的处理装置的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：

3)将步骤2)得到的静电纺丝后的多孔内管(1)置于50～200℃保温10～120min。

8.一种根据权利要求1-4所述的废水的处理装置处理废水的方法，其特征在于，进入多孔内管(1)的废水为脉冲状。