CN110790428A - 一种活性炭-陶瓷膜-高活性铁催化氧化新兴微污染物方法 - Google Patents

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Abstract

一种活性炭‑陶瓷膜‑高活性铁催化氧化新兴微污染物的方法。高铁酸盐氧化能力有限，无法氧化电子云密度较小的有机污染物；活性炭表面含有大量的酚羟基、苯醌等氧化还原基团，可以通过电子转移诱导生成高活性铁，同时活性炭可以活化原位生成的过氧化氢形成羟基自由基等活性组分，形成高活性铁与自由基复合氧化体系，强化对有机污染物的去除。利用陶瓷膜具有抗氧化腐蚀的特点，可有效分离活性炭。此外，活性组分的氧化作用也可以缓解膜污染问题。本发明的水处理方法：在设计好的反应池中，向待处理水样中加入一定量的高铁和活性炭，活性炭表面的氧化还原基团可以与高铁反应生成高活性的五价铁(Fe(V))、四价(Fe(IV))，同时活性炭活化原位生成的过氧化氢或是氧气，生成羟基自由基，高活性铁和羟基自由基可以迅速氧化不易被高铁酸盐氧化的污染物；然后利用陶瓷膜高效分离功能实现活性炭与出水分离，保证出水水质，同时活性组分的氧化作用也可以缓解膜污染问题。该方法操作简单，不需要额外增加水处理设备，经济适用性好，具有良好的应用前景。

Description

一种活性炭-陶瓷膜-高活性铁催化氧化新兴微污染物方法
技术领域
本发明涉及一种水处理方法，尤其是去除难处理有机污染物。
背景技术
随着我国经济的飞速发展以及人口的激增，大量各种化学有机污染物，包括个人护理产品和药品，内分泌干扰物、农药等排入水体中，其对水环境的影响日益突出，同时随着环境检测技术的日益提高，越来越多的有机化学污染物在水体中被检出。随着人们对有机化学污染物认识的加深，有机化学污染物对水环境的危害和对人们健康的威胁也越来越受到人们的关注。这主要是因为这些有机化学污染物即使在浓度较低时对水环境的危害也相对较大，而且在自然环境中难以被降解，极易在水环境中富集。
常规的生物处理工艺很难将有机污染物去除，目前普遍采用的工艺是在常规工艺处理过程中加入化学氧化工艺或膜工艺，保障出水水质。近年来，绿色氧化剂高铁酸盐引起了研究者的广泛关注，与臭氧、液氯等常见的氧化剂相比较，高铁酸盐氧化过程中的产物是具有助凝作用的羟基氧化铁，不会生成溴酸盐、氯代副产物等导致二次污染的有毒有害物质。然而，高铁酸盐是一种选择性氧化剂，无法氧化电子云密度较小的有机污染物。最近，有研究显示碳纳米管可以催化高铁酸盐生成高活性中间态铁，强化对有机污染物的降解，但是处理后碳纳米管与水的分离是一个很大的问题。膜分离技术具有简单、高效、可在常温下连续操作等优点，在水处理领域中被广泛应用，而且陶瓷膜耐氧化耐腐蚀，具有很好的化学稳定性，可有效分离碳质材料与水的混合物。
发明内容
本发明主要为解决在水处理过程中高铁酸盐氧化能力有限，无法氧化电子云密度低的有机污染物的问题，而碳材料虽然可以强化高铁的氧化能力，但是从水中分离去除碳材料较难。本发明在利用活性炭强化高铁氧化能力的同时，利用陶瓷膜实现活性炭与水的有效分离，同时有效缓解膜污染，提出了一种活性炭-陶瓷膜-高活性铁催化氧化水处理方法。
一种活性炭-陶瓷膜-高活性铁催化氧化水处理方法，该方法通过以下步骤实现。
一、设计并组装反应器如图1所示，在反应器下方固定陶瓷膜组件，陶瓷膜组件连接水泵抽吸出水，在陶瓷膜下方设有曝气装置，并在下边预留两个孔口分别投加活性炭和高铁酸盐。
二、调节待处理水样pH值，使其pH值稳定在6～10，持续向反应器中通入水样，同时向反应器中投加活性炭材料，使其在水样中浓度为10～100 mg/L。
三、对反应器进行曝气，同时向水样中投加高铁酸盐，使高铁酸盐的浓度保持在0.5～5 mg/L，待高铁酸盐、活性炭和待处理水样充分混合后开泵出水。
上述陶瓷膜为平板陶瓷膜。
所述活性碳材料为粉末活性炭或颗粒活性炭材料，浓度为10-100mg/L。
所述活性炭材料为煤质活性炭、木质活性炭或果壳活性炭中的一种或几种按任意比例混合。
所述待处理水样为含有机污染物的污水、地表水、地下水或者污水厂二级出水。
所述高铁酸盐为高铁酸钾或是高铁酸钠，或者二者的混合物，以溶液的形式进行投加，浓度为0.5～5 mg/L。
所述投加高铁酸盐水溶液中高铁酸盐浓度为10 mmol/L，pH值为9。
所述反应pH值为6-10.
本发明活性炭-陶瓷膜-高活性铁催化氧化水处理方法基本原理为：向待处理水样中加入一定量的Fe(VI)和活性炭，活性炭表面的还原性基团可以与高铁反应生成高活性的五价铁(Fe(V))、四价(Fe(IV))，五价铁(Fe(V))和四价(Fe(IV))氧化能力远远高于高铁酸盐，可以迅速氧化不易被高铁酸盐氧化的污染物，同时活性炭表面的还原性官能团也可以活化原位生成的过氧化氢和氧气，生成羟基自由基或是超氧自由基，这些自由基也可以降解有机污染物；然后利用陶瓷膜高效分离功能实现活性炭与出水分离，保证出水水质，同时高活性铁和自由基的氧化作用也可以缓解膜污染问题。
本发明是一种活性炭-陶瓷膜-高活性铁催化氧化水处理方法，具有以下优势。
（1）本发明所采用的材料为平板陶瓷膜、高铁酸盐和活性炭材料，高铁酸盐是一种环境友好型氧化剂，活性炭材料为一种常用水处理药剂，三者在水体中没有引入其他有毒有害物质，出水安全可靠。
（2）本发明利用陶瓷膜可以使活性炭与出水快速有效分离，将氧化过程与分离过程在同一反应器中进行，大大缩短了水力停留时间的同时有效减少了设备占地面积，同时氧化作用和空气曝气搅拌作用可有效缓解膜污染。
（3）本发明在常温常压下进行，具有操作简单、适用范围广、不需要增加额外水处理设备、不改变水厂原有的处理工艺、投资运行费用低等优点。
附图说明
图1是一种活性炭-陶瓷膜-高活性铁催化氧化新兴微污染物方法降解难处理有机污染物的装置图。图2是实施例1中对磺胺甲恶唑的去除效率，曲线1为实施案例中活性碳对污染物的去除率曲线，曲线2为实施案例中单独高铁对污染物的去除率曲线，曲线3为利用本发明方法对污染物的去除率曲线。
具体实施方式
本发明实施方案不局限于以下所列举具体实施方案，还包括各实施方案之间的任意组合。
具体实施方案一。
一、设计并组装反应器如图1所示，在反应器下方固定平板陶瓷膜组件，膜组件连接水泵抽吸出水，在陶瓷膜下方设有曝气装置，并在下边预留两个孔口分别投加活性炭和高铁酸盐。
二、持续向反应器中通入含有磺胺甲恶唑的地表水水样，调节待处理水样pH值，使其pH值稳定在8，同时向反应器中投加木质粉末活性炭材料，使其在水样中浓度为50 mg/L。
三、对反应器进行曝气，同时向水样中投加高铁酸钾，使高铁酸钾的浓度保持在2.8 mg/L（以Fe计），待高铁酸盐、活性炭和待处理水样充分混合后开泵出水。
具体实施方案二：本实施方案与具体实施方案一不同的是：步骤二所述活性炭材料为颗粒活性炭材料；其他步骤和参数与具体实施方案一相同。
具体实施方案三：本实施方案与具体实施方案二不同的是：所述活性炭材料为煤质活性炭、木质活性炭或果壳活性炭中的一种或几种按任意比例混合；其他步骤和参数与具体实施方案二相同。
具体实施方案四：本实施方案与具体实施方案一至三不同的是：所述待处理水样为地下水、污水或者污水厂二级出水；其他步骤和参数与具体实施方案一至三相同。
具体实施方案五：本实施方案与具体实施方案一至四不同的是：步骤三所述高铁酸盐为高铁酸钠，或者是高铁酸钾与高铁酸钠的混合物；其他步骤和参数与具体实施方案一至四相同。
具体实施方案六：本实施方案与具体实施方案五不同的是：所述投加高铁酸盐水溶液中高铁酸盐浓度为10mmol/L，pH值为9；其他步骤和参数与具体实施方案五六相同。
具体实施方案七：本实施方案与具体实施方案一不同的是：步骤二中活性炭的浓度为10-100mg/L中的任意一浓度。
具体实施方案八：本实施方案与具体实施方案一不同的是：步骤三中高铁酸盐的浓度为0.5-5mg/L中的任意一浓度。
具体实施方案九：本实施方案与具体实施方案一不同的是：步骤二中有机污染物的浓度为苯酚、环丙沙星、氯霉素、莠去津、双酚A、溴酚、磺胺嘧啶、普萘洛尔、四环素、氧氟沙星、四溴双酚A、卡马西平等有机物的一种或者几种的混合物。

Claims (7)

1.一种活性炭-陶瓷膜-高活性铁催化氧化新兴微污染物方法，其特征在于：该方法按以下步骤进行：
一、设计并组装反应器如图1所示，在反应器下方固定陶瓷膜组件，陶瓷膜组件连接水泵抽吸出水，在陶瓷膜下方设有曝气装置，并在下边预留两个孔口分别投加活性炭和高铁酸盐；
二、调节待处理水样pH值，使其pH值稳定在6～10，持续向反应器中通入水样，同时向反应器中投加活性炭材料，使其在水样中浓度为10～100 mg/L；
三、对反应器进行曝气，向水样中投加高铁酸盐，使高铁酸盐的浓度保持在0.5～5 mg/L，待高铁酸盐、活性炭和待处理水样充分混合后开泵出水。
2.根据权利要求书1所述的活性炭-陶瓷膜-高活性铁催化氧化水处理方法，其特征在于：步骤一所述陶瓷膜为平板陶瓷膜。
3.根据权利要求书1所述的活性炭-陶瓷膜-高活性铁催化氧化水处理方法，其特征在于：步骤二所述活性碳材料为粉末活性炭或颗粒活性炭材料。
4.根据权利要求书1所述的活性炭-陶瓷膜-高活性铁催化氧化水处理方法，其特征在于：所述活性炭材料为煤质活性炭、木质活性炭或果壳活性炭中的一种或几种按任意比例混合。
5.根据权利要求书1所述的活性炭-陶瓷膜-高活性铁催化氧化水处理方法，其特征在于：所述待处理水样为含有机污染物的污水、地表水、地下水或者污水厂二级出水。
6.根据权利要求书1所述的活性炭-陶瓷膜-高活性铁催化氧化水处理方法，其特征在于：步骤三所述高铁酸盐为高铁酸钾或是高铁酸钠，或者二者的混合物。
7.根据权利要求书1所述的活性炭-陶瓷膜-高活性铁催化氧化水处理方法，其特征在于：所述投加高铁酸盐以溶液的形式进行投加，高铁酸盐水溶液中高铁酸盐浓度为10mmol/L，pH值为9。
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