CN113247990A - 基于电催化膜蒸馏一体化装置的船舶压载水处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电催化膜蒸馏一体化装置的船舶压载水处理系统，包括船舶发动机冷却池，依次通过管道连接的热侧加热装置、热侧水箱、电催化膜蒸馏反应器、冷侧水箱、渗透液冷却系统；还包括对电催化膜蒸馏反应器进行供电的直流电源以及与冷侧水箱连接的洁净水储存箱；本发明采用淹没式反应池方法将电催化氧化技术与膜蒸馏过程科学地耦合在一体式的船舶压载水处理装置，有机物降解效率高、氨氮去除率高、脱盐效率高、出水水质佳、有效减缓膜蒸馏膜污染/膜润湿、蒸馏膜使用寿命延长、可实现船舶压载水源头处理并回用等优势，有效解决船舶部分淡水需求，减轻港口污废水处理压力。

Description

基于电催化膜蒸馏一体化装置的船舶压载水处理系统
技术领域
本发明涉及船舶压载水处理系统领域，尤其是一种基于电催化膜蒸馏一体化装置的船舶压载水处理系统。
背景技术
船舶压载水未经处理或处理未达标的肆意排放，被全球环境基金组织确认为危害海洋的四大威胁之一。国际海事组织制定的《压载水公约》于2017年正式生效，该公约要求所有船舶必须安装合格认证的压载水处理系统(BWMS)方可进入国际海事组织成员国港口。船舶压载水属于一种高盐含油废水，现有BWMS系统主要是针对压载水中细菌等生物灭活处理而设计应用，忽略了对油类、有毒有害有机物等污染物的达标处理。膜分离法和高级催化氧化技术因其反应迅速、净化效果佳等优点，成为现阶段研究较多的高盐含油废水深度处理技术。
膜蒸馏作为新兴的膜分离技术，有着极高的耐盐优势，是目前唯一能从溶液中直接分离出结晶产物的膜过程，有望成为实现高盐度浓缩液零排放最具前景的技术，被广泛认为是21世纪最具前景的废水深度处理和海水淡化工艺之一。膜蒸馏技术的独特优势使其在盐度高、毒性大、难降解的工业废水处理领域显示出极大的应用潜力。
船舶压载水实质属于一种高盐含油废水，膜蒸馏技术在压载水处理方面具有独特优势与显著的应用潜力，然而，膜蒸馏技术在含油废水处理中的应用受到蒸馏膜长期运行易污染/易润湿这一特性的限制，高盐含油废水水质成分复杂，含有大量表面活性剂、盐和油类物质，表面活性剂可能对膜材料产生润湿作用，盐类物质会引起蒸馏膜严重的结垢问题，油类物质会通过疏水-疏水作用黏附至疏水膜表面造成膜污染。由此可见，要实现膜蒸馏法含油废水处理的工业化，膜污染/膜润湿是其亟需解决的主要瓶颈问题。
预处理或膜蒸馏与其他工艺联用的技术也是目前应用较多的膜蒸馏膜污染控制手段，利用各种物理、化学或生物方法对含油废水进行预处理可有效减缓膜蒸馏处理过程的膜污染。高级催化氧化技术是比较高效可行的含油废水预处理方法，利用高级催化氧化技术预处理含油废水能够高效降解含油废水中的油类、表面活性剂等有机污染物，从而有效去除后续膜蒸馏处理单元的膜污染物，保证蒸馏膜高效稳定地运行。其中，电催化氧化技术是高级氧化技术的一种，因其具有其他处理方法难以比拟的优越性近年来受到极大关注，该方法能彻底降解有机物且不易产生有毒中间产物，被称为“环境友好”技术，在绿色工艺方面极具潜力。但电催化氧化技术主要是针对污废水中的有机污染物进行高效降解处理，对船舶压载水中的盐类物质、重金属离子的去除效果几乎可以忽略。
因此，为提高船舶压载水的出水水质，提高废水回用率，可以考虑将电催化氧化技术与膜蒸馏过程相结合，耦合成一体化装置用于船舶压载水的源头处理与回用。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供了一种基于电催化膜蒸馏一体化装置的船舶压载水处理系统，采用淹没式反应池方法将电催化氧化技术与膜蒸馏过程科学地耦合在一体式的船舶压载水处理装置，有机物降解效率高、氨氮去除率高、脱盐效率高、出水水质佳、有效减缓膜蒸馏膜污染/膜润湿、蒸馏膜使用寿命延长、可实现船舶压载水源头处理并回用等优势，有效解决船舶部分淡水需求，减轻港口污废水处理压力。
技术方案：为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：
一种基于电催化膜蒸馏一体化装置的船舶压载水处理系统，包括船舶发动机冷却池，依次通过管道连接的热侧加热装置、热侧水箱、电催化膜蒸馏反应器、冷侧水箱、渗透液冷却系统；
还包括对电催化膜蒸馏反应器进行供电的直流电源以及与冷侧水箱连接的洁净水储存箱；
所述热侧加热装置、热侧水箱、电催化膜蒸馏反应器通过第一污水泵、第二污水泵、热侧循环泵形成热侧循环系统；
所述的热侧加热装置将船舶发动机冷却池中的船舶压载水换热升温后经由第一污水泵提升至热侧水箱中，所述热侧水箱的水温由热侧加热装置维持在55-65℃，热侧水箱中的热废液经第二污水泵输送至电催化膜蒸馏反应器内，再经热侧循环泵回流至热侧水箱；
所述电容式膜蒸馏反应器包括外壳、插片式电催化电极以及导电蒸馏膜组件；所述插片式电催化电极设于外壳内侧壁，并与直流电源的负极连接；所述导电蒸馏膜组件设于中心部位，并与直流电源的正极连接；分别带正、负电的导电蒸馏膜组件与插片式电催化电极构成多组电催化氧化系统；实现船舶压载水中石油类、有毒有害类、难降解有机污染物的高效电催化氧化降解，有机污染物高效降解为CO2和H2O；以及电催化膜蒸馏反应器内船舶压载水的污染物降解与膜分离处理过程，提高压载水回用率及产品水水质，原位减缓膜蒸馏膜污染/膜润湿，延长蒸馏膜使用寿命，降低船舶压载水处理装置的占地空间及能耗，推进电催化膜蒸馏一体式装置这一新型BWMS系统的研发与应用，从源头解决船舶压载水的污染问题并再生回用，解决船舶淡水需求，减轻港口污废水处理压力。
所述冷侧水箱和电催化膜蒸馏反应器经两个管道连接成冷侧循环系统，两条管道上分别设有渗透液冷却装置和冷侧循环泵；
所述冷侧水箱的洁净水经渗透液冷却系统散热后进入电催化膜蒸馏反应器的导电蒸馏膜组件内部，再经由冷侧循环泵回流至冷侧水箱，冷侧水箱的洁净水存放至洁净水储存箱中以供船舶行驶过程的淡水需求。
导电蒸馏膜组件可实现船舶压载水中重金属、盐类物质等非挥发污染物的高效拦截去除，脱盐率高达99.9％，该电催化膜蒸馏反应器处理船舶压载水的废水回用率高达90％以上，有效满足船舶的淡水需求。
更进一步的，所述外壳为透明桶形结构，内侧壁设有多个并排设置的卡槽；所述插片式电催化电极为多个，分别布设于多个卡槽内；所述插片式电催化电极通过石墨集流体以及银制导线与直流电源的负极连接；保证电催化电极之间电流的均匀布设，实现各组电催化氧化电极的高效并联使用。
更进一步的，所述导电蒸馏膜组件包括中轴布水管道、环形固定支架、导电蒸馏膜；所述导电膜蒸馏膜为多组并联结构，以中轴布水管道为中心，通过环形固定支架形成围绕在中轴布水管道周向的扇叶结构；
所述导电蒸馏膜的疏水侧直接浸没于电容式膜蒸馏反应器的热废液中，并通过中轴布水管道进行布水，冷侧水箱的洁净水经膜组件冷水进水口进入导电蒸馏膜组件内，布水均匀，热能利用率高；经膜组件冷水出水口流出的渗透液再回流至冷侧水箱；所述导电蒸馏膜组件通过银制导线与直流电源的正极连接。
所述电容式膜蒸馏反应器还包括曝气装置。曝气装置可产生微气泡，对蒸馏膜面实施气泡冲刷清洗，减缓膜污染；同时电催化膜蒸馏反应器内的电催化氧化系统可将船舶压载水中的氨氮等易挥发污染物转化为气态形式，通过曝气装置的曝气过程可加快氨气等气体从电催化膜蒸馏反应器中快速脱除，提高导电蒸馏膜组件的出水水质，脱氮效率高达95％以上。
更进一步的，所述的插片式电催化电极的制备方法包括如下步骤：
步骤1，碳纳米管CNTs粉末预处理：称取40-50gCNTs粉末置于烧杯中并加入200-250mL去离子水，置于恒温水浴锅中100℃加热2-3h，置于室温环境下冷却并用去离子水反复冲洗以去除CNTs浆料中的杂质，利用真空泵抽滤浆料并获得纯净的CNTs粉末并置于马弗炉中200℃加热活化10-12h；
步骤2，制备纳米二氧化钛/碳纳米管(TiO2/CNTs)催化剂材料：称取60-70g钛酸四丁酯和20-30gCNTs粉末并加入100-150mL无水乙醇混合，磁力搅拌50min形成混合溶液A；称取20mL无水乙醇、50mL去离子水及30mL浓硝酸混合，磁力搅拌50min形成混合溶液B；将B溶液缓慢逐滴加入A溶液中，静置3-6h形成凝胶状物质，置于烘箱120℃下干燥12h获得黑灰色粉末状颗粒物，采用研钵将颗粒物研磨成粉末，并置于马弗炉600℃下高温煅烧3h，获得TiO2/CNTs催化剂粉末；
步骤3，TiO2/CNTs电催化氧化电极制备：称取50-60g TiO2/CNTs催化剂粉末溶于150-200mL的全氟磺酸型聚合物溶液中，超声10min使其混合均匀，利用涂膜机将混合溶液浆料均匀涂覆于石墨烯电极片表面，置于室温静置干燥48h。
更进一步的，所述的导电蒸馏膜通过涂敷法在疏水膜表面负载导电材料石墨烯制备而成，具体包括如下步骤：
步骤1，石墨烯分散液浆料制备：称取30-40g石墨烯加入150mL无水乙醇中，充分搅拌后，加入3-5g石墨烯分散剂PVP，超声分散2-4h，按照7％-10％的质量百分比加入交联剂聚偏氟乙烯，置于60℃水浴锅中水浴搅拌2-3h后，真空脱泡30min，即可获得石墨烯分散液浆料；
步骤2，涂敷：将石墨烯分散液浆料转移至倒料器中，将疏水蒸馏膜基底膜(PP、PVDF或PTFE)置于涂膜机，设定涂层厚度为300-600μm，借助涂膜机将石墨烯浆料均匀涂覆于疏水基底膜表面；
步骤3，干燥：将上述涂敷完毕的石墨烯导电蒸馏膜置于室温下静置固化后置于真空干燥箱中60℃下24h，获得石墨烯导电蒸馏膜。
更进一步的，所述的热侧加热装置置于船舶发动机冷却池内，内设有换热器，具体包括加热基板、集热片、第一水流通道、第一进水口以及第一出水口，集热片均匀垂直布设于加热基板的两侧，第一水流通道弯曲布设于加热基板内，第一水流通道通过第一进水口与船舶压载水进水管道连接，并通过第一出水口将加热后的船舶压载水输送至热侧水箱中。高效回收利用船舶发动机散失的废热，对船舶压载水进行加热处理。
更进一步的，所述渗透液冷却系统布设在海水或江水中，利用海水或江水这一天然的冷却体系对渗透液进行散热冷凝处理，内设有换热器，具体包括散热基板、散热片、第二水流通道，第二进水口以及第二出水口，散热片均匀垂直布设于散热基板的两侧，第二水流通道弯曲布设于散热基板内，第二水流通道通过第二进水口与冷侧水箱连接，并通过第二出水口将冷凝处理后的渗透液输送至导电蒸馏膜组件内。
更进一步的，所述电催化膜蒸馏反应器内设有液位控制器；所述液位控制器通过PLC系统控制进料闸阀和第二污水泵的开启与闭合；电催化膜蒸馏反应器内压载水低于设定水位时，PLC系统控制进料闸阀和第二污水泵开启，将热侧水箱的压载水经反应器进水口输送至电催化膜蒸馏反应器中，内部的热废液经热侧循环泵自反应器热废液回流口回流至热侧水箱，形成热侧循环系统。
更进一步的，所述电催化膜蒸馏反应器内还设有温度传感器，电导率传感器，pH传感器，液位传感器，通过多个传感器控制电催化膜蒸馏反应器内温度在50-60℃，pH在6.0-8,0，液位控制要求为完全淹没导电蒸馏膜组件以及插片式电催化电极；所述渗透液冷却装置内温度控制为15-20℃。
有益效果：本发明具有以下优点：
1)采用淹没式反应池方法将电催化氧化技术与膜蒸馏过程科学地耦合在一体式的船舶压载水处理装置，通过电催化膜蒸馏一体化BWMS系统，利用电催化氧化电极对船舶压载水中的油类、有毒有害等难降解有机污染物进行高效的氧化降解，将有机污染物降解为CO2和H2O，同时利用膜蒸馏过程对船舶压载水中的重金属及盐类物质等无机污染物进行高效拦截分离处理，提高出水氨氮去除率及废水回用率，原位减缓膜蒸馏膜污染/膜润湿，实现船舶压载水的源头高效净化处理与回用；与传统膜蒸馏技术相比，该发明装置的产水率有效提升5倍左右，对船舶压载水中的盐类物质去除率高达99.9％以上，脱氮效率高达95％以上，船舶压载水回用率高达90％以上，有效满足船舶的淡水需求。
2)一体式电催化膜蒸馏反应器内的电催化氧化系统可实现对蒸馏膜面沉积污染物的有效降解，将膜面沉积的有机污染物降解为CO2和H2O，减缓蒸馏膜有机污染；同时电催化氧化过程还能产生具有较强氧化性能的·OH，对船舶压载水中的微生物起到显著的杀菌作用，减缓蒸馏膜生物污染；本发明制备的电催化氧化电极是TiO2/CNTs电催化氧化电极，兼具电催化氧化功能与离子电吸附特性，在降解船舶压载水中的有机物的同时，还能通过电吸附吸收去除压载水中的盐物质及重金属离子，CNTs基层具备较强的离子吸附储存空间，可提高反应器的脱盐效率并减缓蒸馏膜的盐垢污染。
3)本发明使用的自制电极是TiO2/CNTs电催化氧化电极，兼具电催化氧化功能与离子电吸附特性，可高效吸附储存压载水中的盐离子，减缓蒸馏膜的盐垢污染，该发明装置中蒸馏膜使用寿命延长7-8倍左右。
4)装置的能耗主体，包括热侧加热装置和渗透液冷却装置所需的能源，可通过有效的热交换实现，高效回收利用船舶发动机散失的废热，对船舶压载水进行加热处理；利用海水或江水这一天然的冷却体系对渗透液进行散热冷凝处理，利用环形片状散热装置与天然水体进行有效热交换，对渗透液进行散热冷凝处理，显著降低了船舶压载水处理过程的能耗，实现船舶压载水的零排放处理，实现压载水的源头处理并再生回用，解决船舶部分淡水需求，减轻港口污废水处理压力。
附图说明
图1是本发明实施例1系统结构示意图；
图2为本发明实施例1中电催化膜蒸馏反应器剖面结构示意图；
图3为本发明实施例1中导电蒸馏膜组件结构示意图；
图4为本发明实施例1热侧加热装置以及渗透液冷却系统中的换热器结构示意图；
图5为图4换热器剖面结构示意图。
具体实施方式
实施例1：
请参阅图1-5所示，本发明公开了一种基于电催化膜蒸馏一体化装置的船舶压载水处理系统，如图1所示，包括船舶发动机冷却池1，依次通过管道连接的热侧加热装置2、热侧水箱3、电催化膜蒸馏反应器4、冷侧水箱5、渗透液冷却系统6；
还包括对电催化膜蒸馏反应器4进行供电的直流电源7以及与冷侧水箱5连接的洁净水储存箱8；
所述热侧加热装置2、热侧水箱3、电催化膜蒸馏反应器4通过第一污水泵101、第二污水泵102、热侧循环泵103形成热侧循环系统；
所述的热侧加热装置2将船舶发动机冷却池1中的船舶压载水换热升温后经由第一污水泵101提升至热侧水箱3中，所述热侧水箱3的水温由热侧加热装置2维持在55-65℃，热侧水箱2中的热废液经第二污水泵102输送至电催化膜蒸馏反应器4内，再经热侧循环泵103回流至热侧水箱3；
请参考图2-3所示，电容式膜蒸馏反应器4包括外壳41、插片式电催化电极42以及导电蒸馏膜组件43；
具体的，所述外壳41为透明桶形结构，内侧壁设有多个并排设置的卡槽411；所述插片式电催化电极42为多个，分别布设于多个卡槽411内；所述插片式电催化电极42通过石墨集流体421以及银制导线与直流电源7的负极连接；保证电催化电极之间电流的均匀布设，实现各组电催化氧化电极的高效并联使用。
所述导电蒸馏膜组件43设于反应器中心部位，包括中轴布水管道431、环形固定支架432、导电蒸馏膜433；
所述导电膜蒸馏膜433为多组并联结构，以中轴布水管道431为中心，通过环形固定支架432形成围绕在中轴布水管道431周向的扇叶结构；
所述导电蒸馏膜433的疏水侧直接浸没于电容式膜蒸馏反应器4的热废液中，并通过中轴布水管道431进行布水，冷侧水箱5的洁净水经膜组件冷水进水口434进入导电蒸馏膜组件43内，布水均匀，热能利用率高；经膜组件冷水出水口435流出的渗透液再回流至冷侧水箱5；所述导电蒸馏膜组件43通过银制导线与直流电源7的正极连接。
分别带正、负电的导电蒸馏膜组件43与插片式电催化电极42构成多组电催化氧化系统；实现船舶压载水中石油类、有毒有害类、难降解有机污染物的高效电催化氧化降解，有机污染物高效降解为CO2和H2O；以及电催化膜蒸馏反应器内船舶压载水的污染物降解与膜分离处理过程，提高压载水回用率及产品水水质，原位减缓膜蒸馏膜污染/膜润湿，延长蒸馏膜使用寿命，降低船舶压载水处理装置的占地空间及能耗，推进电催化膜蒸馏一体式装置这一新型BWMS系统的研发与应用，从源头解决船舶压载水的污染问题并再生回用，解决船舶淡水需求，减轻港口污废水处理压力。
所述冷侧水箱5和电催化膜蒸馏反应器4经两个管道连接成冷侧循环系统，两条管道上分别设有渗透液冷却装置6和冷侧循环泵104；
所述冷侧水箱5的洁净水经渗透液冷却系统6散热后进入电催化膜蒸馏反应器4的导电蒸馏膜组件43内部，再经由冷侧循环泵104回流至冷侧水箱5，冷侧水箱5的洁净水存放至洁净水储存箱8中以供船舶行驶过程的淡水需求。
导电蒸馏膜组件可实现船舶压载水中重金属、盐类物质等非挥发污染物的高效拦截去除，脱盐率高达99.9％，该电催化膜蒸馏反应器处理船舶压载水的废水回用率高达90％以上，有效满足船舶的淡水需求。
所述电容式膜蒸馏反应器4还包括曝气装置44；曝气装置44可产生微气泡，对蒸馏膜面实施气泡冲刷清洗，减缓膜污染；同时电催化膜蒸馏反应器4内的电催化氧化系统可将船舶压载水中的氨氮等易挥发污染物转化为气态形式，通过曝气装置的曝气过程可加快氨气等气体从电催化膜蒸馏反应器4中快速脱除，提高导电蒸馏膜组件的出水水质，脱氮效率高达95％以上。
其中，所述插片式电催化电极42的制备方法包括如下步骤：
步骤1，碳纳米管CNTs粉末预处理：称取40-50gCNTs粉末置于烧杯中并加入200-250mL去离子水，置于恒温水浴锅中100℃加热2-3h，置于室温环境下冷却并用去离子水反复冲洗以去除CNTs浆料中的杂质，利用真空泵抽滤浆料并获得纯净的CNTs粉末并置于马弗炉中200℃加热活化10-12h；
步骤2，制备纳米二氧化钛/碳纳米管(TiO2/CNTs)催化剂材料：称取60-70g钛酸四丁酯和20-30gCNTs粉末并加入100-150mL无水乙醇混合，磁力搅拌50min形成混合溶液A；称取20mL无水乙醇、50mL去离子水及30mL浓硝酸混合，磁力搅拌50min形成混合溶液B；将B溶液缓慢逐滴加入A溶液中，静置3-6h形成凝胶状物质，置于烘箱120℃下干燥12h获得黑灰色粉末状颗粒物，采用研钵将颗粒物研磨成粉末，并置于马弗炉600℃下高温煅烧3h，获得TiO2/CNTs催化剂粉末；
步骤3，TiO2/CNTs电催化氧化电极制备：称取50-60g TiO2/CNTs催化剂粉末溶于150-200mL的全氟磺酸型聚合物溶液中，超声10min使其混合均匀，利用涂膜机将混合溶液浆料均匀涂覆于石墨烯电极片表面，置于室温静置干燥48h。
所述的导电蒸馏膜433通过涂敷法在疏水膜表面负载导电材料石墨烯制备而成，具体包括如下步骤：
步骤1，石墨烯分散液浆料制备：称取30-40g石墨烯加入150mL无水乙醇中，充分搅拌后，加入3-5g石墨烯分散剂PVP，超声分散2-4h，按照7％-10％的质量百分比加入交联剂聚偏氟乙烯，置于60℃水浴锅中水浴搅拌2-3h后，真空脱泡30min，即可获得石墨烯分散液浆料；
步骤2，涂敷：将石墨烯分散液浆料转移至倒料器中，将疏水蒸馏膜基底膜(PP、PVDF或PTFE)置于涂膜机，设定涂层厚度为300-600μm，借助涂膜机将石墨烯浆料均匀涂覆于疏水基底膜表面；
步骤3，干燥：将上述涂敷完毕的石墨烯导电蒸馏膜置于室温下静置固化后置于真空干燥箱中60℃下24h，获得石墨烯导电蒸馏膜。
热侧加热装置2和渗透液冷却装置6所需的能源，通过有效的热交换实现，具体请参考图4-5所示：
所述热侧加热装置2置于船舶发动机冷却池1内，内设有换热器，具体包括环形片状的加热基板21以及集热片22，还包括第一水流通道23、第一进水口24以及第一出水口25，集热片22均匀垂直布设于加热基板21的两侧，第一水流通道23弯曲布设于加热基板21内，第一水流通道23通过第一进水口24与船舶压载水进水管道连接，并通过第一出水口25将加热后的船舶压载水输送至热侧水箱3中。高效回收利用船舶发动机散失的废热，对船舶压载水进行加热处理。
所述渗透液冷却系统6布设在海水或江水中，利用海水或江水这一天然的冷却体系对渗透液进行散热冷凝处理，内设有换热器，具体包括环形片状的散热基板61以及散热片62，还包括第二水流通道63，第二进水口64以及第二出水口65，散热片62均匀垂直布设于散热基板61的两侧，第二水流通道63弯曲布设于散热基板61内，第二水流通道63通过第二进水口64与冷侧水箱5连接，并通过第二出水口65将冷凝处理后的渗透液输送至导电蒸馏膜组件43内。
本发明利用环形片状集热器与发动机冷却池进行有效的热交换，高效回收利用船舶发动机散失的废热，对船舶压载水进行加热处理；利用海水或江水这一天然的冷却体系对渗透液进行散热冷凝处理，利用环形片状散热装置与天然水体进行有效热交换，对渗透液进行散热冷凝处理，显著降低船舶压载水处理过程的能耗。
所述电催化膜蒸馏反应器4内还设有液位控制器45；所述液位控制器45通过PLC系统控制进料闸阀105和第二污水泵(102)的开启与闭合；电催化膜蒸馏反应器4内压载水低于设定水位时，PLC系统控制进料闸阀105和第二污水泵102开启，将热侧水箱3的压载水经反应器进水口46输送至电催化膜蒸馏反应器4中，内部的热废液经热侧循环泵103自反应器热废液回流口47回流至热侧水箱3，形成热侧循环系统。
所述电催化膜蒸馏反应器4内还设有温度传感器，电导率传感器，pH传感器，液位传感器，通过多个传感器控制电催化膜蒸馏反应器4内温度在50-60℃，pH在6.0-8,0，液位控制要求为完全淹没导电蒸馏膜组件43以及插片式电催化电极42；所述渗透液冷却装置6内温度控制为15-20℃。
工作过程：
首先，将船舶压载水输送至热侧加热装置2内进行加热处理，加热后的压载水经第一污水泵101提升至热侧水箱3，热侧水箱3的水温控制在55-65℃范围内，当水温低于55℃时，热侧水箱3的压载水返回至热侧加热装置2内进一步加热处理，通过环形片状集热器与船舶发动机冷却池1内的热水进行热交换，利用废热加热船舶压载水。
经过加热后的压载水再经由第二污水泵102输送至电催化膜蒸馏反应器4中，第二污水泵102的开启与闭合均由计算机自动化程序以及液位控制系统45控制，通过PLC系统控制进料闸阀105和第二污水泵102的开启与闭合；电催化膜蒸馏反应器4内压载水低于设定水位时，PLC系统控制进料闸阀105和第二污水泵102开启，将热侧水箱3的压载水经反应器进水口46输送至电催化膜蒸馏反应器4中，内部的热废液经热侧循环泵103自反应器热废液回流口47回流至热侧水箱3，形成热侧循环系统。
同时，冷侧水箱5中的洁净水经渗透液冷却系统6散热冷凝处理，水温控制在20℃，冷却后的洁净水再输送至电催化膜蒸馏反应器4的中轴布水管道431内，再经由膜组件冷水进水口434布水至导电蒸馏膜组件43内部，渗透液经膜组件冷水出口435汇入中轴布水管道431，经由冷侧循环泵104回流至冷侧水箱5，构成冷侧循环系统。
冷侧水箱5内设有水位监控系统，待冷侧水箱内储存的洁净水超出设定水位时，水位监控系统将开启冷侧水箱5与洁净水储存箱8之间的管路及水泵，将冷侧水箱5中的洁净淡水输送至洁净水储存箱8中进行贮存以供船舶使用。
本实施例选用孔径为在0.1-0.4μm范围内的疏水PTFE膜作为基底膜，采用石墨烯作为导电涂料，通过涂敷法将石墨烯均匀固着地负载至基底疏水膜表面，制备出具有优良导电性能及疏水分离过程的导电蒸馏膜433，涂层厚度为300-600μm。
本实施例选用碳纳米管CNTs作为电催化电极的导电基材及离子电吸附材料，选取纳米二氧化钛作为电催化材料，选用石墨烯电极片作为电极基片，制备具有优良的有机物降解性能及离子吸附储存能力的TiO2/CNTs电催化氧化电极。电催化膜蒸馏反应器4内导电蒸馏膜组件43两侧的热废液与洁净水以错流方式流动，实现有机物降解与盐物质的吸附、拦截过程，水蒸汽透过导电蒸馏膜膜孔到达冷侧水箱5。
电催化膜蒸馏反应器4中的插片式电催化电极42对船舶压载水中的有机污染物进行高效降解，并有效杀灭压载水中的细菌等微生物，同时还对压载水中的重金属离子和盐类物质具备一定的电吸附-储存功能，提高反应器脱盐效率，电催化氧化系统结合曝气装置44对压载水中的氨氮等易挥发污染物具备可靠的脱除能力，提高反应器的脱氮效率；导电蒸馏膜对压载水中的非挥发性污染物进行高效截留处理，提高产品水水质；电催化氧化电极的有机物降解及离子吸附能力，以及曝气系统对膜蒸馏膜组件的气泡冲刷清洗作用，实现膜蒸馏膜污染/膜润湿的原位控制与减缓，延长蒸馏膜使用寿命，降低膜清洗及膜更换的频次，减少该发明装置处理船舶压载水的运行成本与维护成本。
采用该发明装置对某运输石油的海洋船舶产生的船舶压载水进行净化再生回用处理。
(1)将船舶压载水输送至发动机冷却池1内的热侧加热装置2中，进行压载水的加热处理，加热后的压载水输送至热侧水箱3中，热侧水箱3的水温控制在65℃；
(2)利用计算机自动控制程序，待热侧水箱3的水温低于60℃时，热侧水箱3中的压载水回流至热侧加热装置2进一步加热；
(3)基于液位控制系统，利用计算机自动控制程序，控制第二污水泵12和闸阀4的开启及闭合，待电催化膜蒸馏反应器6内的水位低于设定液位时，第二污水泵102和进料闸阀105开启，将加热后的压载水输送至反应器内，热废液经热侧循环泵103再回流至热侧水箱3。
(4)冷侧水箱5中的洁净水经由渗透液冷却装置6降温冷凝处理，温度设定在20℃，冷侧洁净水经中轴布水管道431均匀布水至各个导电膜蒸馏膜组件内部，渗透液再经过冷侧循环泵104回流至冷侧水箱5；
(5)电催化膜蒸馏反应器4内的导电蒸馏膜选用孔径为0.22μm的疏水PTFE膜作为基底膜，膜两侧的水流速度控制在10mm/s左右，利用直流电源7控制插片式电催化电极42与导电蒸馏膜433之间的电压为4.8V。
按照上述方式进行操作，船舶压载水的电导率为43.2mS/cm，石油含量70mg/L，COD为170mg/L，总细菌数为104个/100mL，经过电催化膜蒸馏反应池处理6h后，反应池内石油类降解率可达90％以上；渗透液中盐类物质的去除率可达99.9％，渗透液中COD、电导率显著下降至2.52mg/L、20μS/cm，氨氮去除率可达90％以上，渗透液中的细菌数量极低，几乎检测不出；并且膜蒸馏的膜污染趋势明显减缓，装置运行35天后其膜通量仅下降了10％左右。

Claims (10)

1.一种基于电催化膜蒸馏一体化装置的船舶压载水处理系统，其特征在于：包括船舶发动机冷却池(1)，依次通过管道连接的热侧加热装置(2)、热侧水箱(3)、电催化膜蒸馏反应器(4)、冷侧水箱(5)、渗透液冷却系统(6)；
还包括对电催化膜蒸馏反应器(4)进行供电的直流电源(7)以及与冷侧水箱(5)连接的洁净水储存箱(8)；
所述热侧加热装置(2)、热侧水箱(3)、电催化膜蒸馏反应器(4)通过第一污水泵(101)、第二污水泵(102)、热侧循环泵(103)形成热侧循环系统；
所述的热侧加热装置(2)将船舶发动机冷却池(1)中的船舶压载水换热升温后经由第一污水泵(101)提升至热侧水箱(3)中，所述热侧水箱(3)的水温由热侧加热装置(2)维持在55-65℃，热侧水箱(2)中的热废液经第二污水泵(102)输送至电催化膜蒸馏反应器(4)内，再经热侧循环泵(103)回流至热侧水箱(3)；
所述电容式膜蒸馏反应器(4)包括外壳(41)、插片式电催化电极(42)以及导电蒸馏膜组件(43)；所述插片式电催化电极(42)设于外壳内侧壁，并与直流电源(7)的负极连接；所述导电蒸馏膜组件(43)设于中心部位，并与直流电源(7)的正极连接；分别带正、负电的导电蒸馏膜组件(43)与插片式电催化电极(42)构成多组电催化氧化系统；
所述冷侧水箱(5)和电催化膜蒸馏反应器(4)经两个管道连接成冷侧循环系统，两条管道上分别设有渗透液冷却装置(6)和冷侧循环泵(104)；
所述冷侧水箱(5)的洁净水经渗透液冷却系统(6)散热后进入电催化膜蒸馏反应器(4)的导电蒸馏膜组件(43)内部，再经由冷侧循环泵(104)回流至冷侧水箱(5)，冷侧水箱(5)的洁净水存放至洁净水储存箱(8)中以供船舶行驶过程的淡水需求。
2.根据权利要求1所述的基于电催化膜蒸馏一体化装置的船舶压载水处理系统，其特征在于：所述外壳(41)为透明桶形结构，内侧壁设有多个并排设置的卡槽(411)；所述插片式电催化电极(42)为多个，分别布设于多个卡槽(411)内；所述插片式电催化电极(42)通过石墨集流体(421)以及银制导线与直流电源(7)的负极连接。
3.根据权利要求1所述的基于电催化膜蒸馏一体化装置的船舶压载水处理系统，其特征在于：所述导电蒸馏膜组件(43)包括中轴布水管道(431)、环形固定支架(432)、导电蒸馏膜(433)；所述导电膜蒸馏膜(433)为多组并联结构，以中轴布水管道(431)为中心，通过环形固定支架(432)形成围绕在中轴布水管道(431)周向的扇叶结构；
所述导电蒸馏膜(433)的疏水侧直接浸没于电容式膜蒸馏反应器(4)的热废液中，并通过中轴布水管道(431)进行布水，冷侧水箱(5)的洁净水经膜组件冷水进水口(434)进入导电蒸馏膜组件(43)内，经膜组件冷水出水口(435)流出的渗透液再回流至冷侧水箱(5)；所述导电蒸馏膜组件(43)通过银制导线与直流电源(7)的正极连接。
4.根据权利要求1所述的基于电催化膜蒸馏一体化装置的船舶压载水处理系统，其特征在于：所述电容式膜蒸馏反应器(4)还包括曝气装置(44)。
5.根据权利要求1或2所述的基于电催化膜蒸馏一体化装置的船舶压载水处理系统，其特征在于：所述的插片式电催化电极(42)的制备方法包括如下步骤：
步骤1，碳纳米管CNTs粉末预处理：称取40-50gCNTs粉末置于烧杯中并加入200-250mL去离子水，置于恒温水浴锅中100℃加热2-3h，置于室温环境下冷却并用去离子水反复冲洗以去除CNTs浆料中的杂质，利用真空泵抽滤浆料并获得纯净的CNTs粉末并置于马弗炉中200℃加热活化10-12h；
步骤2，制备纳米二氧化钛/碳纳米管(TiO2/CNTs)催化剂材料：称取60-70g钛酸四丁酯和20-30gCNTs粉末并加入100-150mL无水乙醇混合，磁力搅拌50min形成混合溶液A；称取20mL无水乙醇、50mL去离子水及30mL浓硝酸混合，磁力搅拌50min形成混合溶液B；将B溶液缓慢逐滴加入A溶液中，静置3-6h形成凝胶状物质，置于烘箱120℃下干燥12h获得黑灰色粉末状颗粒物，采用研钵将颗粒物研磨成粉末，并置于马弗炉600℃下高温煅烧3h，获得TiO2/CNTs催化剂粉末；
步骤3，TiO2/CNTs电催化氧化电极制备：称取50-60g TiO2/CNTs催化剂粉末溶于150-200mL的全氟磺酸型聚合物溶液中，超声10min使其混合均匀，利用涂膜机将混合溶液浆料均匀涂覆于石墨烯电极片表面，置于室温静置干燥48h。
6.根据权利要求3所述的基于电催化膜蒸馏一体化装置的船舶压载水处理系统，其特征在于：
所述的导电蒸馏膜(433)通过涂敷法在疏水膜表面负载导电材料石墨烯制备而成，具体包括如下步骤：
步骤1，石墨烯分散液浆料制备：称取30-40g石墨烯加入150mL无水乙醇中，充分搅拌后，加入3-5g石墨烯分散剂PVP，超声分散2-4h，按照7％-10％的质量百分比加入交联剂聚偏氟乙烯，置于60℃水浴锅中水浴搅拌2-3h后，真空脱泡30min，即可获得石墨烯分散液浆料；
步骤2，涂敷：将石墨烯分散液浆料转移至倒料器中，将疏水蒸馏膜基底膜(PP、PVDF或PTFE)置于涂膜机，设定涂层厚度为300-600μm，借助涂膜机将石墨烯浆料均匀涂覆于疏水基底膜表面；
步骤3，干燥：将上述涂敷完毕的石墨烯导电蒸馏膜置于室温下静置固化后置于真空干燥箱中60℃下24h，获得石墨烯导电蒸馏膜。
7.根据权利要求1所述的基于电催化膜蒸馏一体化装置的船舶压载水处理系统，其特征在于：所述的热侧加热装置(2)置于船舶发动机冷却池(1)内，内设有换热器，具体包括环形片状的加热基板(21)以及集热片(22)，还包括第一水流通道(23)、第一进水口(24)以及第一出水口(25)，集热片(22)均匀垂直布设于加热基板(21)的两侧，第一水流通道(23)弯曲布设于加热基板(21)内，第一水流通道(23)通过第一进水口(24)与船舶压载水进水管道连接，并通过第一出水口(25)将加热后的船舶压载水输送至热侧水箱(3)中。
8.根据权利要求1所述的基于电催化膜蒸馏一体化装置的船舶压载水处理系统，其特征在于：所述渗透液冷却系统(6)布设在海水或江水中，内设有换热器，具体包括环形片状的散热基板(61)以及散热片(62)，还包括第二水流通道(63)，第二进水口(64)以及第二出水口(65)，散热片(62)均匀垂直布设于散热基板(61)的两侧，第二水流通道(63)弯曲布设于散热基板(61)内，第二水流通道(63)通过第二进水口(64)与冷侧水箱(5)连接，并通过第二出水口(65)将冷凝处理后的渗透液输送至导电蒸馏膜组件(43)内。
9.根据权利要求1所述的基于电催化膜蒸馏一体化装置的船舶压载水处理系统，其特征在于：所述电催化膜蒸馏反应器(4)内设有液位控制器(45)；所述液位控制器(45)通过PLC系统控制进料闸阀(105)和第二污水泵(102)的开启与闭合；电催化膜蒸馏反应器(4)内压载水低于设定水位时，PLC系统控制进料闸阀(105)和第二污水泵(102)开启，将热侧水箱(3)的压载水经反应器进水口(46)输送至电催化膜蒸馏反应器(4)中，内部的热废液经热侧循环泵(103)自反应器热废液回流口(47)回流至热侧水箱(3)，形成热侧循环系统。
10.根据权利要求1所述的基于电催化膜蒸馏一体化装置的船舶压载水处理系统，其特征在于：所述电催化膜蒸馏反应器(4)内还设有温度传感器，电导率传感器，pH传感器，液位传感器，通过多个传感器控制电催化膜蒸馏反应器(4)内温度在50-60℃，pH在6.0-8.0，液位控制要求为完全淹没导电蒸馏膜组件(43)以及插片式电催化电极(42)；所述渗透液冷却装置(6)内温度控制为15-20℃。
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