CN202542910U

CN202542910U - 一种集去除重金属和有机污染于一体的多功能水处理装置

Info

Publication number: CN202542910U
Application number: CN2011205542535U
Authority: CN
Inventors: 林少华
Original assignee: Nanjing Forestry University
Current assignee: Nanjing Forestry University
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2021-12-27

Abstract

一种集去除重金属和有机污染于一体的多功能水处理装置，由清水储存箱（1）、多功能反应器组件（2）、流量计（3）、循环泵泵（4）组成。多功能反应器组件（2）由短波紫外灯（5），石英套管（6），多功能水处理构件（7）、反应器筒体（8）和反应器盖板（11）等密封部件组成。多功能水处理构件（7）为圆柱筒状，其主体为添加黏合剂烧结而成的凹凸棒土材料，主体部分设有奇数层孔道（10），筒体内壁附着有一层采用溶胶-凝胶法制备而成的锐钛矿型TiO₂催化膜（9）。通过硅胶密封圈（18）控制作用实现水流在反应器内的上下往复运动。水流呈紊动状态，但水力停留时间很长。有利于重金属的彻底吸附，及光催化反应时水中有机物向催化剂表面的传质扩散。

Description

一种集去除重金属和有机污染于一体的多功能水处理装置

技术领域

本实用新型涉及一种新型多功能水处理装置，该装置既可以去除水中重金属类污染物，又可以去除水中有机污染物。本实用新型的装置可广泛用于饮用水的深度处理和高纯水的制备，同时也可推广应用到同时含重金属和有毒有害高浓度难降解有机污染物的复杂水质废水的处理。

背景技术

随着我国经济和社会的快速发展，大量未经处理的工业废水和生活污水直接排入水体，致使城市饮用水源受到多种污染物不同程度的污染。饮用水常规处理工艺只对水中悬浮物、胶体颗粒有较好的去除效果，对难以生物降解的溶解性有毒有害有机物和重金属的去除并不理想。而水体中以汞、镉、铅、铬等为代表的重金属类污染物，一旦进入生物体和人体健康产生危害，如水俣病、骨痛病等，且这些危害又普遍具有剧毒性、持久性、积累与放大性等特点。这对人们的健康构成了很大的潜在威胁。

二氧化钛（TiO₂）光催化技术由于具有反应条件温和、操作简便、选择性小、无毒等突出优点，尤其对于一些难以生物降解的有毒有害有机化合物具有极强的氧化破坏能力，同时还对细菌、病毒具有杀灭效果，因而备受关注，是一种具有良好应用前景的饮用水深度处理新技术。但是，迄今为止，光催化技术在推广应用方面仍没有取得实质性进展。其中一个重要原因是，在液相光催化反应中容易出现催化剂活性下降。国内外学者针对催化剂失活机理做了很多的研究工作，结果表明，光催化剂的失活，除由反应副产物或中间产物在催化剂表面的吸附或者累积引起外，更重要的是由水体中的无机离子，尤其是Fe^2＋、Mn^2＋、Cu^2＋、Ni^2＋、Cr^3＋、Co^2＋等重金属离子导致的。

为了延长催化剂的使用寿命，研究中多通过设立独立的预处理工艺加以解决。如Crittenden等在太阳能降解BTEX的研究中，设立了包括过滤、氧化、离子交换的水质预处理单元，该预处理方法取得了较好效果，但是需要设置单独的预处理设施，增加成本与运行费用，不利于技术的商业化推广。也有单纯通过锰砂滤柱来对自来水进行预处理以去除其中的Fe^2＋、Mn^2＋，该方法对催化剂活性起到很好保护作用，但是对水中其他重金属离子去除则效果很差。

目前对于水中重金属离子的去除工艺与方法主要有化学沉淀法和离子交换法，前者需要向水中投加化学试剂，容易引入新的污染物，且该方法需要沉淀分离工序，不适于饮用水的深度处理。离子交换法对水中重金属离子去除效果较好，但工艺复杂，需要设置单独的预处理设施，增加成本与运行费用。

发明内容

技术问题：本实用新型的目的是设计一种既可以去除水中重金属类污染物，又可以去除水中有机污染物、细菌及病毒等的多功能饮用水深度处理装置。该装置具有结构简单、建造和运行成本低、反应速率高、操作方便、运行稳定等优点，可广泛用于饮用水的深度处理和高纯水的制备。

技术方案：为了达到上述目的，本实用新型的多功能水处理装置由流量计、多功能反应器组件、清水储存箱、循环泵顺序串联连接构成，其特征在于所述的多功能反应器组件由短波紫外灯、石英套管、多功能水处理构件、反应器筒体和反应器盖板组成；在反应器筒体的中心设有短波紫外灯，在短波紫外灯外是石英套管，在反应器筒体与石英套管之间是TiO₂催化剂，在TiO₂催化剂的上端与下端之间设有孔道，在TiO₂催化剂的上端和下端分别设有硅胶密封圈将内圈的孔道与外圈的孔道隔开，进水口设在反应器筒体的下部，出水口设在反应器筒体的上部。

多功能水处理构件为圆柱筒状，其主体部分设有奇数层孔道，筒体内壁附着有一层锐钛矿型TiO₂催化膜。

反应器盖板与石英套管之间的固定，通过螺纹盖板的内螺纹、反应器盖板上的外螺纹和硅胶密封O型圈加以固定和密封，拆装方面，操作简单。

多功能水处理构件的载体材料为通过添加黏合剂烧结而成的圆柱筒形凹凸棒土材料，圆柱筒体中心内壁为通过溶胶-凝胶法负载的纳米TiO₂催化剂；圆柱筒体内为奇数个呈同心圆排列的孔道。多功能水处理构件筒体中心设置石英套管，套管内装有作为光源的短波冷阴极低压汞灯。反应器筒体为不锈钢，或者聚四氟乙烯，或聚乙烯，或ABS，或PVC-U等耐氧化类塑料制成。反应器筒体和盖板之间通过螺母螺栓+硅胶密封垫圈加以密封。反应器筒体和石英套管之间通过螺纹+硅胶密封O型圈加以密封。多功能水处理构件筒体和反应器筒体呈同心圆安装，水流在反应器的流向通过多层硅胶密封圈加以控制。受重金属和有毒有害有机物污染的待处理水，首先流经凹凸棒土载体材料以吸附去除水中重金属，随后流经TiO₂催化膜时，在短波紫外辐射的作用下，水中的有机污染物被氧化分解。同时还具有去除水中细菌和病毒作用。

有益效果：

1．可以同时去除水中多种不同种类污染物。构成本实用新型的多功能水处理构件主体为凹凸棒土，凹凸棒土材料对水中多种重金属具有良好的吸附去除作用。在紫外光的作用下TiO₂催化剂表面发生光催化反应对水中的有机污染具有良好去除作用。此外，短波紫外光还对水中细菌、病毒具有良好的直接杀灭效果。因而本实用新型适应于多种不同水质的微污染水的处理。

2．本实用新型在实现对水中重金属去除的同时，还可以有效屏蔽因水中Fe^2＋、Mn^2＋、Cu^2＋、Ni²⁺、Cr³⁺、Co^2＋等重金属离子导致的TiO₂催化剂的活性下降，从而延长催化剂的使用寿命。

3．本实用新型的光反应器内装填的特制多功能水处理构件上TiO₂催化剂为固定膜型，克服了使用悬浮性催化剂反应器所存在的催化剂分离、回收困难的固有缺点。

4.本实用新型的光反应器内装填的特制多功能水处理构件材料主要成分为烧结成型的凹凸棒土，克服了沉淀法去除重金属时需要向水中投加化学试剂，容易引入新的污染物的缺点，且不需要沉淀分离工序。

5.本实用新型集对重金属吸附去除工艺与对有机物的光催化工艺于一体，因而结构简单，且不需要预处理工艺。可以直接利用管网末端水压，进行一过式运行，降低了动力费用；也可以采取泵循环方式的间歇运行方式。还可根据处理水量、水质要求灵活选择反应器单元组件采用串连或并联连接方式，装置规模放大不影响基本设计参数。

附图说明

图1为本实用新型的多功能水处理装置工艺示意图，

图2为本实用新型的装置侧视示意图，

图3为本实用新型的装置俯视示意图，

图4为图3中A-A剖面示意图，

图5为图2中B-B和C-C剖面示意图，

图6为石英套管固定和密封示意图，

图7为反应器盖板和螺纹盖板联接示意图。

附图中的标号说明如下：

1-清水储存箱，2-多功能反应器组件，3-流量计，4-循环泵，5-短波紫外灯，6-石英套管，7-多功能水处理构件，8-反应器筒体，9-TiO₂催化剂，10-孔道，11-反应器盖板，12-螺母，13-螺栓，14-金属垫片，15-硅胶密封垫圈，16-螺纹盖板，17-硅胶密封O型圈，18-硅胶密封圈，19-进水口，20-出水口。

具体实施方式

请参阅附图1-7。本实用新型包括清水储存箱1、多功能反应器组件2、流量计3、循环泵4。多功能反应器组件的核心由短波紫外灯5、石英套管6、多功能水处理构件7、反应器筒体8与密封部件组成。多功能水处理构件7的载体材料为通过添加黏合剂烧结而成的圆柱筒形凹凸棒土材料，圆柱筒体中心内壁为通过溶胶-凝胶法负载的纳米TiO₂催化剂9；圆柱筒体内为奇数层个孔道10，孔道10呈同心圆排列的。多功能水处理构件7的筒体中心设置石英套管6，石英套管6对254nm短波紫外光的透射率在90％以上，套管内装有作为光源的短波紫外灯5。反应器筒体8为不锈钢，或者聚四氟乙烯，或聚乙烯，或ABS，或PVC-U等耐氧化类塑料制成。反应器筒体8和反应器盖板11之间通过螺母12、螺栓13、金属垫片14和硅胶密封垫圈15加以密封。反应器盖板11与石英套管6之间的固定，通过螺纹盖板16的内螺纹、反应器盖板11上的外螺纹和硅胶密封O型圈17加以固定和密封。多功能水处理构件7筒体和反应器筒体8呈同心圆安装。反应器筒体8上设有进水口19，反应器盖板11上设有出水口20。多功能水处理构件7筒体上部和下部的硅胶密封圈18布置位置直径各自不同。上部硅胶密封圈18分别布置于自外向内第1层和第2层孔道之间，第3和第4层孔道之间……，及最内层内侧；下部硅胶密封圈18分别布置于自外向内第1层孔道外侧，第2层和第3层孔道之间，第4和第5层孔道之间……。

本实用新型适用于多种TiO₂固定膜。除采用钛酸丁酯、乙醇、蒸馏水和硝酸配制的溶胶-凝胶液和浸润提拉法进行镀膜，重复涂覆、焙烧过程，直接在凹凸棒土材料上制得的TiO₂固定膜外，还适用于将TiO₂固定膜固定于其他非金属矿物材料的多功能催化剂。

装置工作原理：

请参阅图1和图4。

待处理水进入多功能反应器组件2后，水流在反应器内流向通过多层硅胶密封圈18加以控制。进水首先自下而上从多功能水处理构件7筒体和反应器筒体8空隙中流至顶部，然后在硅胶密封圈18的导流作用下，经过多功能水处理构件7内最外层孔道自上而下流过。如此上下往复流过，通过多功能水处理构件7载体材料的吸附作用去除水中的重金属污染物。当待处理水流至多功能水处理构件7筒体和石英套管6之间空隙时，在短波紫外灯5的照射下发生光催化反应去除水中有机污染，并可以直接杀灭水中细菌、病毒。处理后水流至清水储存箱1。

该装置运行方式灵活，操控简单。可采用一过式连续流运行，来自城市自来水管网的待处理水在管网余压的作用下流过多功能反应器组件2得到净化。可通过调整阀门开启程度进行流量控制而实现对停留时间的控制。也可以采取间歇运行方式，一定量的待处理水在循环泵4的作用下，在多功能反应器组件2和清水储存箱1之间往复循环以吸附去除重金属，待重金属去除后，再打开紫外灯5进行光催化作用以去除有机污染物。

如果水样中污染物浓度较高且处理规模大，多功能反应器组件2还可采取若干组串联或并联方式。另外，还可根据水样的污染物浓度和处理规模大小，选择是否添加O₂或H₂O₂或O₃等助氧化剂等。

Claims

1.一种多功能水处理装置，由流量计（3）、多功能反应器组件（2）、清水储存箱（1）、循环泵（4）顺序串联连接构成，其特征在于所述的多功能反应器组件（2）由短波紫外灯（5）、石英套管（6）、多功能水处理构件（7）、反应器筒体（8）和反应器盖板（11）组成；在反应器筒体（8）的中心设有短波紫外灯（5），在短波紫外灯（5）外是石英套管（6），在反应器筒体（8）与石英套管（6）之间是TiO₂催化剂（9），在TiO₂催化剂（9）的上端与下端之间设有孔道（10），在TiO₂催化剂（9）的上端和下端分别设有硅胶密封圈（18）将内圈的孔道（10）与外圈的孔道（10）隔开，进水口（19）设在反应器筒体（8）的下部，出水口（20）设在反应器筒体（8）的上部。

2.根据权利要求1所述的一种多功能水处理装置，其特征在于：多功能水处理构件（7）为圆柱筒状，其主体部分设有奇数层呈同心圆排列的孔道（10），筒体内壁附着有一层锐钛矿型TiO₂催化膜。

3.根据权利要求1所述的一种多功能水处理装置，其特征在于：反应器盖板（11）与石英套管（6）之间的固定，通过螺纹盖板（16）的内螺纹、反应器盖板（11）上的外螺纹和硅胶密封O型圈（17）加以固定和密封，拆装方面，操作简单。