CN112174263A - 一种光催化超滤净水装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公布一种光催化超滤净水装置，包括超滤反应器；所述超滤反应器包括壳体、光催化超滤膜、原水进水口、净水出水口和排污口；所述光催化超滤膜用于受到光照后恢复自身的膜通量，所述光催化超滤膜位于所述壳体中，所述光催化超滤膜将壳体的空腔分隔成净水区和非净水区；所述原水进水口和所述排污口分别设置在所述非净水区，所述原水进水口连接有第一管道，所述净水出水口设置在所述净水区，所述净水出水口连接有第二管道；所述排污口、所述第一管道和所述第二管道处均设置有阀门。上述技术方案通过将超滤技术和光催化技术相结合，提升超滤膜去除水中污染物的能力并减缓超滤膜的污染。
Description
技术领域
本发明涉及净水设备领域，尤其涉及一种光催化超滤净水装置。
背景技术
随着我国经济社会发展和城镇化进程的不断深入，城镇居民生活水平日益提高，这使得生态文明建设地位愈发突出，但与此同时，阻碍生态文明建设的因素之一的饮用水用水安全问题却愈发严重。如何有效地去除水中有机物、重金属以及病原微生物等污染物是保障饮用水的水质安全的关键。
现有的以混凝、沉淀、过滤和消毒水处理工艺为代表的传统水处理技术，对水中对溶解性小分子有机物、氨氮、耐氯性微生物等污染物的去除能力十分有限，其运用的局限性也愈发明显。
超滤净水技术作为第三代水处理工艺，以其特有的优势。超滤技术能有效截留水中的细小悬浮物、胶体、大分子化合物等杂质，同时能彻底去除“两虫”等病原微生物，从而解决了水中的生物安全性问题。但同时超滤膜在长时间运行后必然发生的膜污染问题仍然是制约该技术进一步推广应用的重要原因。
近年来，利用半导体物质作为光催化剂，实现将光能转化为化学能的光催化技术逐渐成为水处理领域的研究热点。纳米级的光催化材料因其具有活性高、化学稳定性好、无毒、微粒简便易得、成本低廉、原料丰富、吸附能力强等优点，现已被广泛应用于各类光催化氧化反应。因此，利用纳米级光催化材料去除水中污染物是一种有效的、成本低廉的新方法。但由于纳米催化剂通常呈粉末状，在实际应用中不易回收，易造成严重的二次污染，易对水生生物产生毒害作用。为此如何使光催化材料高效稳定的在水中发挥作用，一直是该技术运用于实际所需要解决的关键点。
发明内容
为此，需要提供一种光催化超滤净水装置，解决超滤膜在净水过程中发生膜污染，导致净水效果不佳的问题。
为实现上述目的，本实施例提供了一种光催化超滤净水装置，包括超滤反应器；
所述超滤反应器包括壳体、光催化超滤膜、原水进水口、净水出水口和排污口；
所述光催化超滤膜用于受到光照后恢复自身的膜通量，所述光催化超滤膜位于所述壳体中，所述壳体具有空腔，所述光催化超滤膜将壳体的空腔分隔成净水区和非净水区；
所述原水进水口和所述排污口分别设置在所述非净水区，所述原水进水口连接有第一管道，所述原水进水口用于通过第一管道连接原水箱，所述净水出水口设置在所述净水区，所述净水出水口连接有第二管道，所述净水出水口用于通过第二管道连接产水箱；
所述排污口、所述第一管道和所述第二管道处均设置有阀门。
进一步地，还包括固定机构，所述固定机构包括固定板和连接件；
所述固定板设置在所述壳体的侧壁上，所述固定板设置有透水区域；
所述光催化超滤膜通过所述连接件固定在所述固定板上，所述光催化超滤膜位于所述透水区域上。
进一步地，所述超滤反应器还包括反冲洗进水口和反冲洗出水口；
所述反冲洗进水口设置在所述壳体的底部，所述反冲洗进水口通过第三管道连接所述产水箱，所述第三管道上设置有阀门；
所述反冲洗出水口设置在所述光催化超滤膜的上方，所述冲洗出水口处设置有阀门。
进一步地，还包括液位计、流量传感计和控制器；
所述液位计设置在所述原水箱和/或所述产水箱上；
所述流量传感计设置在所述第一管道和/或所述第二管道和/或第三管道上；
所述控制器电连接所述阀门、所述液位计和所述流量传感计。
进一步地，所述光催化超滤膜倾斜地设置在所述超滤反应器中，所述净水区设置在所述光催化超滤膜的下方。
进一步地，i为所述光催化超滤膜与水平面之间的角度，角度i的正切值：tani＝0.02～0.06。
进一步地，所述光催化超滤膜靠近所述排污口的一侧的高度低于所述光催化超滤膜远离所述排污口的一侧的高度。
进一步地，还包括模拟光源；
所述模拟光源设置在所述壳体的一侧，所述模拟光源用于发出光到光催化超滤膜上；
所述壳体为透光的壳体。
进一步地，还包括原水箱和产水箱；
所述原水进水口通过第一管道连接所述原水箱；
所述净水出水口通过第二管道连接所述产水箱。
进一步地，所述光催化超滤膜包含的光催化材料为TiO2、GO、ZnO、ZnS、Ag+中的一种或者多种。
区别于现有技术，上述技术方案通过将超滤技术和光催化技术相结合，以光催化超滤膜来解决超滤膜污染和光催化材料二次污染的问题，光催化超滤膜能够在光照条件下自行恢复膜通量，进而实现提升超滤膜去除水中污染物的能力并减缓超滤膜的污染。控制原水箱的液体的液面高度高于超滤反应器顶部的高度，这样利用原水箱的液体与超滤反应器内的液体之间的液位差，便可实现将原水箱的液体运输到超滤反应器内。最好是将原水箱设置在超滤反应器顶部的上方，以确保原水箱里的水位高于超滤反应器。同时，这样的结构无需设置泵，还无需进行反冲洗或能够大大减少反冲洗，从而降低净水成本。
附图说明
图1为本实施例所述光催化超滤净水装置的剖面结构示意图；
图2为本实施例所述超滤反应器的剖面结构示意图；
图3为本实施例所述光催化超滤膜和固定机构的剖面结构示意图。
附图标记说明：
1、原水箱；
11、第一管道；
2、超滤反应器；
21、壳体；22、光催化超滤膜；23、原水进水口；24、净水出水口；
25、排污口；26、反冲洗进水口；27、反冲洗出水口；
3、产水箱；
31、第二管道；32、第三管道；
4、阀门；
5、液位计；
6、流量传感计；
7、固定机构；
71、固定板；72、连接件。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1至图3，本实施例提供一种光催化超滤净水装置，用于去除水中的细小悬浮物、胶体、大分子化合物等杂质。光催化超滤净水装置包括原水箱1、超滤反应器2和产水箱3，结构如图1所示。所述超滤反应器2包括壳体21、光催化超滤膜22、原水进水口23、净水出水口24和排污口25，结构如图2所示。所述光催化超滤膜22位于所述壳体21中，所述光催化超滤膜22包括超滤膜和光催化材料。所述壳体21具有空腔，所述光催化超滤膜22将壳体21的空腔分隔成净水区和非净水区。所述净水区位于光催化超滤膜22的一侧区域，所述非净水区位于光催化超滤膜22的另一侧区域。例如，净水区设置在所述壳体21中的右侧，非净水设置在所述壳体21中的左侧；或者净水区设置在所述壳体21中的下侧，非净水设置在所述壳体21中的上侧。所述原水进水口23和所述排污口25分别设置在所述非净水区，所述原水箱1通过第一管道11连接所述原水进水口23。所述排污口25用于排出光催化超滤膜22上表面淤积的杂质。所述净水出水口24设置在所述净水区，所述净水出水口24通过第二管道31连接所述产水箱3。所述排污口25、所述第一管道11和所述第二管道31处均设置有阀门4，阀门4用于开闭管路、控制流体的流向等作用。
上述技术方案通过将超滤技术和光催化技术相结合，以光催化超滤膜来解决超滤膜污染和光催化材料二次污染的问题，光催化超滤膜能够在光照条件下自行恢复膜通量，进而实现提升超滤膜去除水中污染物的能力并减缓超滤膜的污染。控制原水箱的液体的液面高度高于超滤反应器顶部的高度，这样利用原水箱的液体与超滤反应器内的液体之间的液位差，便可实现将原水箱的液体运输到超滤反应器内。最好是将原水箱设置在超滤反应器顶部的上方，以确保原水箱里的水位高于超滤反应器。同时，这样的结构无需设置泵，在停机期内无需进行反冲洗或能够大大减少反冲洗，从而降低净水成本。
要说明的是，超滤是以压力为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体进行分离的物理筛分过程。超滤膜是一种孔径规格一致，额定孔径范围为0.01～0.001微米的微孔过滤膜。其孔径只允许水分子、水中的有益矿物质和微量元素通过，而最小细菌的体积都在0.02微米以上，因此细菌以及比细菌体积大得多的胶体、铁锈、悬浮物、泥沙、大分子有机物等都能被超滤膜截留下来，从而实现了净化过程。所述超滤膜一般为高分子材料制作而成，高分子材料主要有乙烯醇(PVA)、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚醚砜(PES)、聚醋酸乙烯酯(PVAc)和聚砜(PS)等。所述光催化材料为氧化钛(TiO2)、氧化石墨烯(GO)、氧化锌(ZnO)、硫化锌(ZnS)、银离子(Ag+)中的一种或多种的组合。所述光催化超滤膜是超滤膜与光催化材料的复合材料，光催化超滤膜22的制备方法可采用共混改性法、涂敷改性法、表面化学改性和化学共聚等方法，能改善超滤膜的亲水性，进一步提升超滤膜的抗污染性能。
所述光催化超滤膜22可以是直接通过连接件固定于超滤反应器2的侧壁上。或者在优选的实施例中，为了对光催化超滤膜22起到支撑与承载的作用，所述光催化超滤膜22通过一个固定机构7连接到壳体21上，结构如图2和图3所示。所述固定机构7包括固定板71和连接件72。所述固定板71设置在所述壳体21的侧壁上，所述固定板71的材质可以是钢、不锈钢、铝、陶瓷板等。所述固定板71上设置有透水区域。优选的，所述壳体是设置在所述透水区域中。水从固定板71的一侧(即非净水区)通过所述透水区域到固定板71的另一侧(即净水区)。所述光催化超滤膜22位于所述透水区域上，所述光催化超滤膜22便可以将从非净水区到净水区的水进行过滤。所述光催化超滤膜22通过所述连接件72固定在所述固定板71上，所述连接件72可以是螺栓或者卡扣结构，并将光催化超滤膜22牢牢地固定于固定板71上。固定板71是延伸出壳体21的外侧，光催化超滤膜22一方面通过固定板71和壳体21的挤压固定，光催化超滤膜22另一方面还通过连接件72(如螺丝或者卡扣)固定在反应器上。连接件72与光催化超滤膜22的连接处设置在壳体21的外侧，固定板71与壳体21的连接处设置有密封圈，让壳体21具有较好的密封性，进而维持超滤反应器的稳定性。
为了让光催化超滤膜22在单位时间中净化更多的水，所述光催化超滤膜22倾斜地设置在所述超滤反应器2中，结构如图2所示。这样光催化超滤膜22与待净化的水之间具有更大的接触面，进而提升水在单位时间通过光催化超滤膜22的量，提高净化水的效率。所述光催化超滤膜22与水平面之间的角度i的关系为：0°≤i≤90°。优选的，所述光催化超滤膜与水平面之间的角度i的正切值：tani＝0.02～0.06。优选的，这样所述净水区位于光催化超滤膜的下方，所述非净水区位于光催化超滤膜的上方，所述光催化超滤膜22设置在所述壳体21的中部或者中下部处。
同时，所述光催化超滤膜靠近所述排污口的一侧的高度低于所述光催化超滤膜远离所述排污口的一侧的高度。并让排污口靠近所述光催化超滤膜，例如排污口与光催化超滤膜之间的距离为3厘米～15厘米。光催化超滤膜只需提供一个很小的倾角，即可将大量堆积在光催化超滤膜表面的污染物聚集在一侧，进而通过排污口排出污染物。
为了让光催化超滤净水装置具备自动化功能，还包括液位计5、流量传感计6和控制器，结构如图1所示。所述液位计5设置在所述原水箱1和/或所述产水箱3上，液位计5用来测量液体的液位高度。所述液位计5可以为浮球液位计、超声波液位计、雷达液位计或者其他具有相似特性的液位计。所述流量传感计6设置在所述第一管道11和/或所述第二管道31上，所述流量传感计6用于测量管道中液体的流量。所述流量传感计6可以为超声波流量计、涡街流量计、液体涡轮流量计或者其他具有相似特性的流量传感计。
所述控制器设置在所述壳体外，所述控制器电连接所述阀门4、所述液位计5和所述流量传感计6，所述控制器可以是51单片机、PIC单片机、EMC单片机等类型的单片机。控制器接收所述液位计检测到的液位高度，并判断是否要关闭管道上的阀门4。控制器接收所述流量传感计6检测到的液体流动的量，并判断是否要关闭管道上的阀门4。
为了预防光催化超滤膜的膜通量在光照后也没有恢复，所述超滤反应器2还包括反冲洗进水口26和反冲洗出水口27，结构如图1和图2所示。所述反冲洗进水口26设置在所述净水区，所述反冲洗进水口26通过第三管道32连接所述产水箱3，所述第三管道32上设置有阀门4。优选的，所述反冲洗进水口26是设置在所述壳体21的底部，使得反冲洗进水口26处与产水箱3之间的液位差是最大的，产水箱3的水可以轻易地从反冲洗进水口26处，并到达非净水区处冲洗杂质。在第三管道32处也可以设置有流量传感计6，起到对第三管道32中的液体流量进行监控。控制器发出指令打开第三管道32处的阀门4，由于产水箱3中的液位高于超滤反应器2中的液位，因此产水箱3中的水可通过反冲洗水进水口进入超滤反应器2中。待冲洗完毕后打开反冲洗出水口27处的阀门4，反冲洗废水将通过反冲洗出水口27排出。
要说明的是，第一管道11、第二管道31、第三管道32、排污口25和反冲洗出水口27处的阀门4可以是截止阀、球阀、蝶阀或者其他具有相似特性的阀门。
要说明的是，光催化超滤膜22所需要的光源可以是自然光源或者是模拟光源。其中，将光催化超滤净水装置置于室外，自然光源(太阳)发出的自然光便能透过壳体到光催化超滤膜上。所述模拟光源可以氙灯、白炽灯、卤素灯、日光灯、镝灯、汞灯或者LED灯，所述模拟光源设置在所述壳体的一侧。这些形式的模拟光源发出可见光或者紫外光到光催化超滤膜上，使得光催化超滤膜凭借光源进行自清洁。
所述壳体21为透光的壳体21，使得壳体21外部的光源可以穿过壳体21照射到光催化超滤膜22处。所述壳体21为石英玻璃的壳体，所述壳体的横截面的形状为圆形、椭圆形、矩形、三角形、五边形等。石英玻璃的壳体有利于紫外线或者红外线透射壳体至光催化超滤膜上，同时石英玻璃的壳体具有耐高温、膨胀系数低、耐热震性、化学稳定性和电绝缘性能良好。
在此说明光催化超滤净水装置的工作过程：
在进行净水处理作业时，先将待处理原水引至原水箱中，当输送原水液位达到过滤所需液位时，通过原水箱中的液位计传输检测信号至控制器，控制器来控制第一管道上的阀门打开并调控原水的引流速率，控制器时刻维持原水箱内的液位，使得过滤所需驱动力的稳定。
开启控制第一管道上的阀门后，原水将通过第一管道进入超滤反应器中，光催化超滤膜经光源的照射下同时进行超滤和光催化，待超滤反应器运行一段时间后打开控第二管道上的阀门，产水(即净化后的水)通过净水区与通过第二管道进入产水箱，从而实现了仅通过重力驱动完成光催化超滤净水的过程。
光催化超滤净水装置在长时间运行后，光催化超滤膜的膜通量会发生下降。当光催化超滤膜的膜通量下降预设值时，第二管道上流量传感计的将检测液体流量的情况信息传输至控制器。控制器发出指令暂停原水引流，即关闭控制第一管道上的阀门和第二管道上的阀门，使得超滤反应器处于静置状态。然后让光源照射光催化超滤膜，光催化超滤膜自带光催化功能，光催化超滤膜被光照射一段时间后可以自己恢复膜通量。最后打开排污口处的阀门，并将淤积于光催化超滤膜上表面淤积的杂质从排污口排出。
在特殊的情况下，光催化超滤膜在静置一端时间后仍无法恢复膜通量，第三管道上的流量传感计将该情况传输至控制器，控制器发出指令打开第三管道处的阀门，由于产水箱中的液位高于超滤反应器中的液位，因此产水箱中的水可通过反冲洗水进水口进入超滤反应器中。待冲洗完毕后打开反冲洗出水口处的阀门，反冲洗废水将通过反冲洗出水口排出。
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明专利的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光催化超滤净水装置，其特征在于，包括超滤反应器；
所述超滤反应器包括壳体、光催化超滤膜、原水进水口、净水出水口和排污口；
所述光催化超滤膜用于受到光照后恢复自身的膜通量，所述光催化超滤膜位于所述壳体中，所述壳体具有空腔，所述光催化超滤膜将壳体的空腔分隔成净水区和非净水区；
所述原水进水口和所述排污口分别设置在所述非净水区，所述原水进水口连接有第一管道，所述原水进水口用于通过第一管道连接原水箱，所述净水出水口设置在所述净水区，所述净水出水口连接有第二管道，所述净水出水口用于通过第二管道连接产水箱；
所述排污口、所述第一管道和所述第二管道处均设置有阀门。
2.根据权利要求1所述的一种光催化超滤净水装置，其特征在于，还包括固定机构，所述固定机构包括固定板和连接件；
所述固定板设置在所述壳体的侧壁上，所述固定板设置有透水区域；
所述光催化超滤膜通过所述连接件固定在所述固定板上，所述光催化超滤膜位于所述透水区域上。
3.根据权利要求1所述的一种光催化超滤净水装置，其特征在于，所述超滤反应器还包括反冲洗进水口和反冲洗出水口；
所述反冲洗进水口设置在所述壳体的底部，所述反冲洗进水口通过第三管道连接所述产水箱，所述第三管道上设置有阀门；
所述反冲洗出水口设置在所述光催化超滤膜的上方，所述冲洗出水口处设置有阀门。
4.根据权利要求3所述的一种光催化超滤净水装置，其特征在于，还包括液位计、流量传感计和控制器；
所述液位计设置在所述原水箱和/或所述产水箱上；
所述流量传感计设置在所述第一管道和/或所述第二管道和/或第三管道上；
所述控制器电连接所述阀门、所述液位计和所述流量传感计。
5.根据权利要求1所述的一种光催化超滤净水装置，其特征在于，所述光催化超滤膜倾斜地设置在所述超滤反应器中，所述净水区设置在所述光催化超滤膜的下方。
6.根据权利要求5所述的一种光催化超滤净水装置，其特征在于，i为所述光催化超滤膜与水平面之间的角度，角度i的正切值：tani＝0.02～0.06。
7.根据权利要求5所述的一种光催化超滤净水装置，其特征在于，所述光催化超滤膜靠近所述排污口的一侧的高度低于所述光催化超滤膜远离所述排污口的一侧的高度。
8.根据权利要求1所述的一种光催化超滤净水装置，其特征在于，还包括模拟光源；
所述模拟光源设置在所述壳体的一侧，所述模拟光源用于发出光到光催化超滤膜上；
所述壳体为透光的壳体。
9.根据权利要求1所述的一种光催化超滤净水装置，其特征在于，还包括原水箱和产水箱；
所述原水进水口通过第一管道连接所述原水箱；
所述净水出水口通过第二管道连接所述产水箱。
10.根据权利要求1所述的一种光催化超滤净水装置，其特征在于，所述光催化超滤膜包含的光催化材料为TiO2、GO、ZnO、ZnS、Ag+中的一种或者多种。
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