CN110550698A - 一种基于微流场-微电场耦合的膜法水处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于微流场‑微电场耦合的无机膜法水处理工艺，属于污水处理技术领域。待处理水进入膜法水处理装置中进行过滤分离，其中，待处理水流经所述膜法水处理装置的膜孔，待处理水中污染物在膜孔处的微电场及微流场下被降解、过滤。本发明主要应用于水处理领域，通过构建微流场‑微电场耦合体系，强化电子传递和物质转移转化过程，使其具有过滤、催化氧化、催化还原、吸附等多种作用功能，不仅提高膜滤净水效能，提高污染物去除率，而且有效减缓膜污染，膜通量保持率高，推动了膜法水处理的发展。

Description

一种基于微流场-微电场耦合的膜法水处理工艺
技术领域
本发明属于水处理技术领域，尤其是涉及一种基于微流场-微电场耦合的膜法水处理工艺。
背景技术
水处理技术通常包括化学技术、生物技术、物理技术等。传统的以化学技术为基础，以物质定向转化、资源绿色循环为目标的粗放式水处理技术已远不能满足实际需求，而物理技术由于在分离、降解和回收等方面的独特功能，以及具有清洁、安全、易于设备化和智能化的特性，越来越多的受到本领域人员广泛关注。
分离膜是一种具有分离作用的介质，当溶液与膜接触时，在压差、浓度差或电位差等驱动下，某些物质可以透过膜，而另一些物质则被拦截，使溶液与溶质被有效分离，而利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化等过程称为膜分离技术。膜法水处理装置即为基于分离膜的水处理装置。如CN204873947U提出的一种机械膜法水处理装置，CN205076873U提出的一种新型三维电极生物膜废水处理装置，CN101042347A提出的一种反渗透膜水处理装置等。
膜是膜分离技术的核心。传统膜工艺中小分子物质、有机污染物等在运行初期容易吸附、堵塞于膜孔，引发严重的膜污染，而膜污染制约了膜技术的推广。
发明内容
本发明提出一种基于微流场-微电场耦合的膜法水处理工艺，在膜孔处构建微电场和微流场，形成微流场-微电场耦合体系，强化了电子传递和物质转移转化过程，有效减缓膜污染同时提高净水效能。
本发明提供一种基于微流场-微电场耦合的膜法水处理膜法水处理工艺，待处理水进入膜法水处理装置中进行过滤分离，其中，待处理水流经膜法水处理装置的膜孔，待处理水中污染物在膜孔处的微电场及微流场下被降解、过滤。
进一步地，膜法水处理装置包括：反应池，反应池内设有膜组件，膜组件的膜片上膜孔的孔径为0.1-10μm，膜孔处沉积有导电微纳米材料以在外接电场下形成微电场，待处理水持续定向流过膜孔以形成微流场；
待处理水进入膜法水处理装置中进行过滤分离包括：待处理水在反应池内进行过滤分离，待处理水中的污染物在微电场下发生化学反应、物理作用，在微流场下被过滤、清洗。
进一步地，反应池内设有阳极板、阴极板，且分别位于膜组件的两侧，阳极板、阴极板与外接电场相连，根据待处理水中污染物的不同，调节阳极板和阴极板的连接方式，使得待处理水中污染物在微电场中发生化学反应、物理作用，从而实现过滤或清洗。
进一步地，化学反应包括催化氧化反应、催化还原反应；物理作用包括静电斥力、吸附作用。
进一步地，待处理水为含重金属离子的饮用水；或含有机污染物的废水；或含消毒副产物的废水。
进一步地，膜组件的膜片为导电无机膜，导电无机膜为金属膜或合金模。
进一步地，膜组件的构型为平板膜或中空纤维膜。
进一步地，导电微纳米材料通过均相沉积法沉积在膜孔处。
进一步地，待处理水在反应池内停留的时间为1-120min。
本发明的基于微流场-微电场耦合的膜法水处理工艺具有以下优势：
本发明在膜孔处负载纳米导电材料，与此同时对微纳尺度的孔径进行限定，在进行水处理时在膜孔处构建了微反应空间，形成微流场-微电场耦合体系，同时强化电子传递和物质转移转化过程，具有过滤、催化氧化、催化还原、吸附等多种作用功能，不仅提高膜滤净水效能，污染物去除率高，而且有效减缓了膜污染，膜通量保持率高。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的膜法水处理装置的结构示意图；
图2为本发明实施例膜组件的膜片结构示意图；
1-反应池；2-阳极板；3-阴极板；4-膜片；5-进水管；6-出水管；7-外接电场；8-膜孔。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
膜污染制约了膜技术的推广。常用的减缓膜污染的手段有预絮凝、预氧化、预曝气等。如CN110002548A公开了一种电化学-膜分离水处理装置。其将物理和化学方法进行原理及过程融合，既可实现从物质的界面扩散和动力学条件优化等相对宏观的调控，且可强化水处理过程中电子的传递与利用，实现水中污染物高效分离与转化。
然而，本申请发明人发现，现有膜工艺中膜孔仅具有截留作用。基于此，本发明另辟新径，提出一种新的将物理和化学方法进行耦合的方式，一种基于微流场-微电场耦合的膜法水处理装置，水处理电化学过程中，电子、活性自由基等在微纳尺度下进行化学转化与物理迁移耦合，通过在膜孔处构建微电场和微流场，使待处理水中的污染物在微电场和微流场的耦合作用下降解、去除，有效减缓膜污染，同时提高了膜净水效能。
本发明一实施例提出一种基于微流场-微电场耦合的膜法水处理工艺，待处理水进入膜法水处理装置中进行过滤分离，其中，待处理水流经膜法水处理装置的膜孔，待处理水中污染物在膜孔处的微电场及微流场下被降解、过滤。
具体而言，膜法水处理装置包括：反应池1，反应池1内设有膜组件，膜组件的膜片4上膜孔8的孔径为0.1-10μm，膜孔8处沉积有导电微纳米材料以在外接电场下形成微电场，待处理水持续定向流过膜孔8以形成微流场；
待处理水进入膜法水处理装置中进行过滤分离包括：待处理水在反应池1内进行过滤分离，待处理水中的污染物在微电场下发生化学反应、物理作用，在微流场下被过滤、清洗。
本发明实施例提供的膜法水处理工艺，在膜孔处构建微电场和微流场，构造了一个高度凝缩的微反应空间，膜孔同时发挥微纳米“限域”效应和截留作用，同时微电场和微流场之间相互影响，形成微流场-微电场耦合体系，强化了电子传递和物质转移转化过程，同时具有过滤、氧化还原、吸附沉淀等多种作用功能。
微流场，具体是指，通过控制膜片上膜孔的孔径为0.1μm-10μm，使待处理水在压力驱动下在限定的微孔区域内定向流动，形成微流场。
微电场，具体是指，在膜片的膜孔处(具体为膜孔的内表面)，均匀地沉积导电微纳米材料，该导电微纳米材料作为感应电极，在外电场诱导下，形成微电场。
微流场-微电场耦合，具体是指，水体中污染物流经膜孔时受膜孔微电场作用，基于计算流体力学模型和有限元地下水分析模型，纳米级膜孔的“限域”效应和微纳米材料形成的感应电极协同作用，也即微电流、微电场之间会相互影响，二者共同对待处理水中污染物产生影响，强化了污染物与微纳米感应电极的直接接触和电子的有效传递等化学反应和/或物理作用，从而实现待处理水中污染物在膜孔处的降解、过滤。
下文结合附图具体阐述本发明实施例提供的基于微流场-微电场耦合的膜法水处理工艺。
如图1-2所示，图1示出了本发明实施例的膜法水处理装置的结构示意图，图2示出了膜组件的膜片。具体地，反应池1内设置阳极板2和阴极板3，且分别位于膜组件的两侧，阳极板2和阴极板3与外接电场7相连，膜组件的膜片4上设有膜孔8，根据待处理水中污染物的不同，调节阳极板2和阴极板3的连接方式，使得待处理水中污染物在微电场中发生化学反应、物理作用，从而实现过滤或清洗。
具体地，
反应池1设有进水管5和出水管6，通过进水管5持续向反应池1内通待处理水；
接通阳极板2和阴极板3所连外接电场，膜孔8处的感应电极9形成微电场；
待处理水持续在膜孔8区域内定向流动，形成微流场；
待处理水随微流场通过膜孔8实现过滤，根据待处理水的中污染物的不同，调节阳极板2和阴极板3的连接方式，使得待处理水中污染物在微电场中发生化学反应、物理作用，从而实现过滤或清洗，过滤处理后的水体从出水管6排出。
进一步地，化学反应包括催化氧化反应、催化还原反应；物理作用包括静电斥力、吸附作用。
进一步地，待处理水为重金属离子的饮用水；或含有机污染物的废水；或含消毒副产物的废水。
具体地，待处理水可以为重金属离子的饮用水，其中重金属离子包括Pb、Cu、Cr、Hg、Cd中的一种或两种以上的离子。
待处理水可以为含有机污染物的废水。其中，能够发生电氧化作用的有机污染物(包含油类)均可。
待处理水可以为含有消毒副产物(如氯酸根、溴酸根)的废水。
废水可以为电脱盐废水、生活污水、印染废水等。
具体地，
当待处理水为含有机污染物(多数有机污染物带负电荷)的污水时：
膜组件正常运行过程中，通过控制阴阳极板连接方式，使得膜孔处感应电势为负电势，通过静电斥力作用，实现有机污染物的过滤；当有机污染物过多堵塞膜孔需要清洗时，改变阴阳极板连接方式，由于膜孔处感应电势为正电势，通过催化氧化反应，改变有机污染物的结构等，从而实现有机污染物在膜孔处的清洗。
当待处理水为含有重金属离子(如铜离子)的饮用水时：
膜组件正常运行过程中，通过控制阴阳极板连接方式，使得膜孔处感应电势为负电势，主要通过静电吸附作用，实现金属离子去除；而当需进行膜清洗时，改变阴阳极板连接方式，使得膜孔处感应电势为正电势，吸附的金属离子通过静电排斥发生脱附，从而实现膜的再生过程。
当待处理水为含消毒副产物(如氯酸根、溴酸根)的污水时：
膜组件正常运行过程中，通过控制阴阳极板连接方式，使得膜孔处感应电势为负电势，主要通过催化还原作用，实现消毒副产物的转化。
可见，相对于现有技术中膜孔仅仅起到过滤截留作用，本发明通过对膜孔进行改进，使得其不仅能够实现过滤截留作用，而且还能发生静电斥力、吸附等物理作用、以及催化还原、催化氧化等化学反应，进而在微流场-微电场耦合作用下实现化学-物理共同作用强化水处理的新模式。不仅提高了膜滤净水效能，而且有效减缓了膜污染，推动了膜法水处理的发展。
另外，在本发明一实施例中，适用的膜片可以为导电无机膜，导电无机膜为金属膜或合金模。无机膜相较于有机膜，抗冲击负荷能力更强。
适用的膜组件可以为平板膜或中空纤维膜。当膜组件的构型为中空纤维膜时，阴极板和阳极板分别设置于中空纤维膜的内外，膜孔处沉积导电微纳米材料后，在电场作用下可形成蜂窝煤式微电极；当膜组件的构型为平板膜时，阴极板和阳极板分别设置于平板膜的左右两侧。
适用的导电微纳米材料可以为碳纳米管，聚吡咯纳米线，还原的氧化石墨烯，还原预处理的二氧化钛纳米线。优选的，导电微纳米材料可以为碳纳米管。
在本发明又一实施例中，可以采用均相沉积法，在膜孔处沉积导电微纳米材料。
在本发明一实施例中，处理含重金属离子的饮用水在反应池内停留的时间为1-60min，处理含有机污染物的废水、含消毒副产物的废水在反应池内停留的时间为1-120min。
在本发明一实施例中，外接电场提供的外加电压至少为1V，优选的，外接电场提供的外加电压为1V-50V。本发明外接电场电压大小可影响膜孔区域感应电极处的有效电场强度。另外，还可调整极板间距等从而调整感应电极处的有效电场强度。
下面将结合具体实施例详细阐述本发明。
实施例1一种基于微流场-微电场耦合的膜法水处理工艺，具体为：
本实施例为原水处理，待处理水中溶解性有机碳(DOC)含量为50mg/L。施加外电场的电压值为1V，极板间距为1cm，阳极板、阴极板均采用不锈钢电极，跨膜压差稳定在30kPa，膜孔径为0.1μm，持续运行1h后，通量降为初始通量的81％，DOC去除率为92％。
实施例2一种基于微流场-微电场耦合的膜法水处理工艺，具体为：
本实施例为原水处理，待处理水中溶解性有机碳(DOC)含量10mg/L。施加外电场的电压值为1V，极板间距为1cm，阳极板、阴极板均采用不锈钢电极，跨膜压差稳定在30kPa，膜孔径为1μm，持续运行1h后，通量降为初始通量的89％，DOC去除率为83％。
实施例3一种基于微流场-微电场耦合的膜法水处理工艺，具体为：
本实施例为原水处理，待处理水中溶解性有机碳(DOC)含量为50mg/L。施加外电场的电压值为5V，极板间距为1cm，阳极板、阴极板均采用不锈钢电极，跨膜压差稳定在30kPa，膜孔径为0.1μm，持续运行1h后，通量降为初始通量的85％，DOC去除率为99％。
实施例4一种基于微流场-微电场耦合的膜法水处理工艺，具体为：
本实施例为原水处理，待处理水中含金属离子Cu2+，含量为5mg/L，跨膜压差在30kPa，膜孔为0.1μm，施加外电场的电压值为5V，极板间距为1cm，阳极板、阴极板均采用不锈钢电极，出水Cu2+浓度低于0.5mg/L。
实施例5一种基于微流场-微电场耦合的膜法水处理工艺，具体为：
本实施例为原水处理，待处理水中含溴酸根，含量为0.5mg/L，跨膜压差在30kPa，膜孔为0.1μm，施加外电场的电压值为3V，极板间距为1cm，阳极板、阴极板均采用不锈钢电极，出水溴酸根浓度低于0.01mg/L。
对比例1同实施例1，不同之处在于，膜孔的孔径为100μm。
本实施例为原水处理，待处理水中溶解性有机碳(DOC)含量为50mg/L。施加外电场的电压值为1V，极板间距为1cm，阳极板、阴极板均采用不锈钢电极，跨膜压差稳定在30kPa，膜孔的孔径为100μm，持续运行1h后，通量降为初始通量的64％，DOC去除率为55％。
对比例2同实施例2，不同之处在于，膜孔处未沉积导电微纳米材料。
本实施例为原水处理，待处理水中溶解性有机碳(DOC)含量为10mg/L。跨膜压差稳定在30kPa，膜孔径为1μm，持续运行1h后，通量降为初始通量的56％，DOC去除率为78％。以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于微流场-微电场耦合的膜法水处理工艺，其特征在于，
待处理水进入膜法水处理装置中进行过滤分离，
其中，待处理水流经所述膜法水处理装置的膜孔，待处理水中污染物在膜孔处的微电场及微流场下被降解、过滤。
2.根据权利要求1所述的膜法水处理工艺，其特征在于，
所述膜法水处理装置包括：反应池，反应池内设有膜组件，膜组件的膜片上膜孔的孔径为0.1-10μm，膜孔处沉积有导电微纳米材料以在外接电场下形成微电场，待处理水持续定向流过膜孔以形成微流场；
所述待处理水进入膜法水处理装置中进行过滤分离包括：待处理水在反应池内进行过滤分离，待处理水中的污染物在微电场下发生化学反应、物理作用，在微流场下被过滤、清洗。
3.根据权利要求2所述的膜法水处理工艺，其特征在于，
所述反应池内设有阳极板、阴极板，且分别位于膜组件的两侧，所述阳极板、所述阴极板与外接电场相连，根据待处理水中污染物的不同，调节阳极板和阴极板的连接方式，使得待处理水中污染物在微电场下发生化学反应、物理作用，从而实现过滤、清洗。
4.根据权利要求2所述的膜法水处理工艺，其特征在于，
所述化学反应包括催化氧化反应、催化还原反应；所述物理作用包括静电斥力、吸附作用。
5.根据权利要求1所述的膜法水处理工艺，其特征在于，
所述待处理水为含重金属离子的饮用水；或含有机污染物的废水；或含消毒副产物的废水。
6.根据权利要求2所述的膜法水处理工艺，其特征在于，
所述膜组件的膜片为导电无机膜，所述导电无机膜为金属膜或合金模。
7.根据权利要求2所述的膜法水处理工艺，其特征在于，
所述膜组件的构型为平板膜或中空纤维膜。
8.根据权利要求2所述的膜法水处理工艺，其特征在于，
所述导电微纳米材料通过均相沉积法沉积在膜孔处。
9.根据权利要求2所述的膜法水处理工艺，其特征在于，
所述待处理水在反应池内停留的时间为1-120min。
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