CN206720796U - 一种用于水处理的光电催化氧化卷式膜反应器装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于水处理的光电催化氧化卷式膜反应器装置，包括容器状的壳体，壳体内部为反应空间且壳体上设置有和反应空间相连的进水口和出水口，壳体内部设置有滤膜组件，滤膜组件中设置有阴极和阳极，阴极和阳极导电后能够在之间形成位于反应空间内的电解磁场，其特点在于，在反应空间内设置有用于产生紫外线的紫外灯以及套设于紫外灯外部的用于将紫外灯与反应空间隔离的保护套管，紫外灯上连接有至壳体外的导线用于和外部电源连接，在壳体上还设置有能够连通到滤膜组件的进气口和排气口。反应器装置在使用时无需催化剂、环保、方便，可高效去除污染物，实现膜原位再生。

Description

一种用于水处理的光电催化氧化卷式膜反应器装置

技术领域

本实用新型涉及电化学高级氧化技术和膜技术相结合的水处理领域，特别是涉及一种用于水处理的光电催化氧化卷式膜反应器装置。

背景技术

高级氧化技术是通过产生具有非常高的氧化还原电位的羟基自由基·OH氧化有机物，达到降解水中有机污染物的目的。与之相比，用沸石吸附水中有机污染物必须对沸石进行针对性改性，且沸石的最佳吸附条件和有机物的除去条件难以确定，应用条件比较有限；生物膜技术去除水中污染物对水体自然条件要求较高，且污染物浓度低时，不利于微生物繁殖，水处理效率低；纳滤膜法应用上存在截留精度不够，膜通量小等缺点，膜制作与建立纳滤系统成本偏高。

高级氧化产生羟基自由基的方法多种多样，其中UV/H₂O₂法是通过H₂O₂在UV光辐照射下产生羟基自由基。Brillas 等人以Pt为阳极，碳-聚四氟乙烯充氧电极为阴极，在溶液中加入 Fe²⁺与阴极电化学反应产物 H₂O₂形成Fenton反应，紫外光的加入进一步光解有机物，此法需要加入Fe²⁺、 H₂O₂成本高；宋强等以 RuO₂ /TiO₂ /Ti为阳极，在自制的光电一体反应器中较系统的研究了光电协同机理,发现通过紫外光辐射激发和定向直流电场作用，控制了阳极的中毒和污染物分子的激发态及其迁移趋势，通过光电复合能够触发构成高级氧化的多种自由基链反应,使污染物快速、完全矿化，此法需要TiO₂作为催化剂，催化剂的制作、购买成本高。而本装置仅仅需要向装置中曝气即可，无需催化剂和其他操作，简洁方便同时兼具环保的优点。

膜技术广泛应用于海水淡化、饮用水净化和废水处理，其发展主要受限于膜孔堵塞，由此发展出很多过滤膜的化学清洗技术。过滤膜的化学清洗是指在水中加入化学试剂，清除堵塞膜孔的污垢，从而恢复膜通量。传统的化学清洗方法有酸、碱清洗、螯合剂、表面活性剂清洗等，这些清洗方法可以恢复膜通量，但是会降低膜的使用寿命；另有加入活性锰离子，硫酸根离子等方法清洗滤膜，但这类方法向体系中引入了新的离子，使用时需要配置相应的去除剂溶液。

饮用水处理中，紫外光可使水中微生物的核酸突变、阻碍其复制、转录封锁及蛋白质的合成，杀灭水中微生物和细菌，此外，紫外线用于水处理还兼具环保与低成本的特点。但紫外灯发射的紫外线在水中会逐渐衰减，随着使用时间增长，紫外灯本身的辐射强度会逐渐减弱，不足以完全除去有机物，或对特定污染物降解效果差。由于紫外光可激发产生羟基自由基在反应中去除有机物，为进一步提高有机物的降解效率，把光化学(催化)氧化技术与电化学技术耦合,以期达到协同作用的光电技术成为研究的热点。

因此，怎样才可以使反应器装置在使用时无需催化剂、环保、方便，可高效去除污染物，实现膜原位再生，成为有待本领域人员考虑解决的问题。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型所要解决的技术问题是：如何使反应器装置在使用时无需催化剂、环保、方便，可高效去除污染物，实现膜原位再生。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案：

一种用于水处理的光电催化氧化卷式膜反应器装置，包括容器状的壳体，壳体内部为反应空间且壳体上设置有和反应空间相连的进水口和出水口，壳体内部设置有滤膜组件，滤膜组件中设置有阴极和阳极，阴极和阳极导电后能够在之间形成位于反应空间内的电解磁场，其特点在于，在反应空间内设置有用于产生紫外线的紫外灯以及套设于紫外灯外部的用于将紫外灯与反应空间隔离的保护套管，紫外灯上连接有至壳体外的导线用于和外部电源连接，在壳体上还设置有能够连通到滤膜组件的进气口和排气口。

本技术方案中，在反应器装置内部设置一个能够产生紫外线的紫外装置，在使用时，可通过进气口输入氧气，氧气在通电的条件下和水反应生成H₂O₂，H₂O₂在紫外灯的光辐照射下生成具有强氧化作用的羟基自由基，羟基自由基可降解绝大多数的有机污染物，如锈去津、MTBE等常规氧化方法难以氧化降解的有机物，可以用于污染膜的处理，即将膜孔中的有机污染物氧化去除，实现对膜的清洗。阴极电极层截留的污染物被矿化为水、二氧化碳和无机盐，处理后的水从装置侧壁上部的出水管流出，产生的气体通过顶部排气孔排出装置，实现阴极过滤膜的原位再生，同时提高出水的水质。同时电化学和光化学联用产生羟基自由基的新技术可以有效避免传统产生羟基自由基的方法中向体系中引入新的物质的不足，仅需要通入氧气即可以实现羟基自由基的产生和过滤膜的原位清洗，原料简单取用方便，系统构成、操作步骤简单，反应效率高。能效方面，根据反应可逆电势差分析，如果酸性条件下在阴极发生氧还原反应可以节约0.67V的槽压；碱性条件可节约0.762V的槽压，可见该装置处理有机物的能耗较小而反应速率较高。同时，紫外线装置不仅可去除有机物还可以除去残余微生物，且不需要特制的膜清洗剂，不仅仅是工业，还可以向家用方面推广，生产基于相关技术的家用净水机。

作为优化，所述壳体整体以及滤膜组件整体均呈长筒形且竖向设置，紫外灯整体呈长圆柱形且竖向设置于滤膜组件的柱形通道内，在位于滤膜组件竖向两个端面之间的壳体内腔中还具有水平设置的且竖向间隔布置在壳体上端和下端的两块布水板，上端的布水板和下端的布水板上均设置有过水孔，使得进水能够经过上端的布水板后再向内经过滤膜组件后再经过下端的布水板流出。

这样，使得原水进入反应器装置内部后经过上部的布水板，上部的布水板将原水均匀的分配到滤膜组件，经过滤膜组件处理后再经下端的布水板后从出水口流出反应器装置。能够极大地提高原水与滤膜组件的过滤面积，提高水处理过滤的能力和效率。

作为优化，所述滤膜组件包括阴极电极层、与阴极电极层间隔设置的阳极电极层以及固定设置于上端布水板和下端布水板之间的膜支撑层，阳极电极层固定设置在膜支撑层上，阳极电极层为网状结构且和阴极电极层距离处于二者之前能够产生电催化反应的有效距离范围内，阴极电极层连接有至壳体外的导线用于和电源的负极相连，阳极电极层连接有至壳体外的导线用于和电源的正极相连。

这样，能够极大地提高原水与滤膜组件的过滤面积，提高水处理过滤的能力和效率。

作为优化，所述进水口设置于上端的布水板外侧的壳体上，出水口设置有两个并且均位于下端的布水板外侧的壳体上，两个出水口以壳体的中心线呈对称设置。这样，出水口对称设置有两个，方便处理后的原水排出反应器装置内部，提高过滤效率和能力。

作为优化，进气口设置于上端的布水板和下端的布水板之间的壳体上，排气口设置于壳体的上端的端面上。这样，方便反应后剩余的气体外排泄压。

作为优化，上端的布水板上的过水孔位于阴极电极层上端部对应区域外部的位置，下端的布水板上的过水孔位于膜支撑层下端部对应区域内的位置。这样，方便电催化反应，能够提高整个装置的过滤效率。

作为优化，阴极电极层和阳极电极层呈套设的圆筒状且二者之间设置有绝缘材料制得的隔绝层，隔绝层呈网格状结构。

这样，可以更好的保证阴极电极层和阳极电极层之间不会接触短路，保证电催化反应的顺畅进行。

作为优化，阴极电极层为石墨材料、活性炭材料、碳纤维材料、碳纳米材料、石墨烯材料、炭气凝胶材料或金属材料制得的具有阴极电极属性的过滤膜，其膜孔径为0.001μm至10mm。这样，上述材料可以形成更好的阴极效果和过滤效果。

作为优化，所述保护套管的材质为石英玻璃、派克莱斯玻璃或有机玻璃。这样，采用上述材料能够更好的保护紫外灯且不影响紫外灯的光照效果。

作为优化，所述紫外灯为中压高强汞灯或低压高强汞灯，辐射波段为230 nm至320nm。

相比现有技术，本实用新型具有如下优点：

1、本实用新型通过电化学和光化学联用产生羟基自由基的新技术可以有效避免传统产生羟基自由基的方法中向体系中引入新的物质的不足，仅需要通入氧气即可以实现羟基自由基的产生和过滤膜的原位清洗，原料简单取用方便，系统构成、操作步骤简单，反应效率高。

2、紫外线装置不仅可去除有机物还可以除去残余微生物，更加的环保、使用时更加方便。

3、本反应器装置结构简单、成本低廉、能够提高膜清洗效率和水处理效率，能耗低等优点。

附图说明

图1为本实施例的结构示意图。

图2为本实施例的纵向剖视图。

图3为图2的B-B剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。

具体实施时：如图1至图3所示，一种用于水处理的光电催化氧化卷式膜反应器装置，包括容器状的壳体2，壳体2内部为反应空间且壳体2上设置有和反应空间相连的进水口1和出水口11，壳体2内部设置有滤膜组件，滤膜组件中设置有阴极和阳极，阴极和阳极导电后能够在之间形成位于反应空间内的电解磁场，滤膜组件将进水口到出水口之间的反应空间隔开，在反应空间内设置有用于产生紫外线的紫外灯9以及套设于紫外灯9外部的用于将紫外灯9与反应空间隔离的保护套管12，紫外灯9上连接有至壳体2外的导线用于和外部电源连接，在壳体2上还设置有能够连通到滤膜组件的进气口8和排气口14。

本技术方案中，在反应器装置内部设置一个能够产生紫外线的紫外装置，在使用时，可通过进气口输入氧气，氧气在通电的条件下和水反应生成H₂O₂，H₂O₂在紫外灯的光辐照射下生成具有强氧化作用的羟基自由基，羟基自由基可降解绝大多数的有机污染物，如锈去津、MTBE等常规氧化方法难以氧化降解的有机物，可以用于污染膜的处理，即将膜孔中的有机污染物氧化去除，实现对膜的清洗。阴极电极层截留的污染物被矿化为水、二氧化碳和无机盐，处理后的水从装置侧壁上部的出水管流出，产生的气体通过顶部排气孔排出装置，实现阴极过滤膜的原位再生，同时提高出水的水质。同时电化学和光化学联用产生羟基自由基的新技术可以有效避免传统产生羟基自由基的方法中向体系中引入新的物质的不足，仅需要通入氧气即可以实现羟基自由基的产生和过滤膜的原位清洗，原料简单取用方便，系统构成、操作步骤简单，反应效率高。能效方面，根据反应可逆电势差分析，如果酸性条件下在阴极发生氧还原反应可以节约0.67V的槽压；碱性条件可节约0.762V的槽压，可见该装置处理有机物的能耗较小而反应速率较高。同时，紫外线装置不仅可去除有机物还可以除去残余微生物，且不需要特制的膜清洗剂，不仅仅是工业，还可以向家用方面推广，生产基于相关技术的家用净水机。

本具体实施方案中，如图1和图2所示，所述壳体2整体以及滤膜组件整体均呈长筒形且竖向设置，紫外灯9整体呈长圆柱形且竖向设置于滤膜组件的柱形通道内，在位于滤膜组件竖向两个端面之间的壳体2内腔中还具有水平设置的且竖向间隔布置在壳体2上端和下端的两块布水板3，上端的布水板3和下端的布水板3上均设置有过水孔13，使得进水能够经过上端的布水板3后再向内经过滤膜组件后再经过下端的布水板3流出。这样，使得原水进入反应器装置内部后经过上部的布水板，上部的布水板将原水均匀的分配到滤膜组件，经过滤膜组件处理后再经下端的布水板后从出水口流出反应器装置。能够极大地提高原水与滤膜组件的过滤面积，提高水处理过滤的能力和效率。

本具体实施方案中，如图1所示，所述滤膜组件包括阴极电极层4、与阴极电极层4间隔设置的阳极电极层6以及固定设置于上端布水板3和下端布水板3之间的膜支撑层7，阳极电极层6固定设置在膜支撑层7上，阳极电极层6为网状结构且和阴极电极层4距离处于二者之前能够产生电催化反应的有效距离范围内，阴极电极层4连接有至壳体2外的导线用于和电源10的负极相连，阳极电极层6连接有至壳体2外的导线用于和电源10的正极相连。这样，能够极大地提高原水与滤膜组件的过滤面积，提高水处理过滤的能力和效率。

本具体实施方案中，如图1所示，所述进水口1设置于上端的布水板3外侧的壳体2上，出水口11设置有两个并且均位于下端的布水板3外侧的壳体2上，两个出水口11以壳体的中心线呈对称设置。这样，出水口对称设置有两个，方便处理后的原水排出反应器装置内部，提高过滤效率和能力。

本具体实施方案中，如图1所示，进气口8设置于上端的布水板和下端的布水板之间的壳体2上，排气口14设置于壳体2的上端的端面上。这样，方便反应后剩余的气体外排泄压。

本具体实施方案中，如图1和图2所示，上端的布水板上的过水孔位于阴极电极层上端部对应区域外部的位置，下端的布水板上的过水孔位于膜支撑层下端部对应区域内的位置。这样，方便电催化反应，能够提高整个装置的过滤效率。

本具体实施方案中，如图1和图2所示，阴极电极层4和阳极电极层6呈套设的圆筒状且二者之间设置有绝缘材料制得的隔绝层5，隔绝层5呈网格状结构。这样，可以更好的保证阴极电极层和阳极电极层之间不会接触短路，保证电催化反应的顺畅进行。当然具体实施时，阴极电极层优选设置于外层，可以更好地提高过滤面积，提高过滤效率，但如果将阴极电极层设置于内层，同样属于本装置可实施的范围。

本具体实施方案中，阴极电极层4为石墨材料、活性炭材料、碳纤维材料、碳纳米材料、石墨烯材料、炭气凝胶材料或金属材料制得的具有阴极电极属性的过滤膜，其膜孔径为0.001μm至10mm。这样，上述材料可以形成更好的阴极效果和过滤效果。其中所述的石墨电极为石墨丝电极、石墨毡电极、石墨海绵电极、石墨粒电极或多孔石墨电极；所述的碳纤维电极为碳纤维丝电极、碳纤维毡电极、碳纤维布电极、碳纤维纸电极或碳纤维海绵电极；其中所述金属复合电极为金属、金属氧化物或金属氢氧化物一种或几种的复合材料，所述的金属为铂、钛、铜、镍、锌、铁、锰、铅、锡、钨、锑，所述的金属氧化物中金属为铂、钛、铜、镍、锌、铁、锰、铅、锡、钨、锑，所述的金属氢氧化物中金属为铂、钛、铜、镍、锌、铁、锰、铅、锡、钨、锑。

具体实施时，阳极电极层为具有阳极电极属性的膜状或网状的石墨电极、碳纤维电极、碳纳米管电极、炭气凝胶电极或金属复合电极；所述的石墨电极为石墨丝电极、石墨毡电极、石墨海绵电极、石墨粒电极或多孔石墨电极；所述的碳纤维电极为碳纤维丝电极、碳纤维毡电极、碳纤维布电极、碳纤维纸电极或碳纤维海绵电极；其中所述金属复合电极为金属、金属氧化物或金属氢氧化物一种或几种的复合材料，所述的金属为铂、钛、铜、镍、锌、铁、锰、铅、锡、钨、锑，所述的金属氧化物中金属为铂、钛、铜、镍、锌、铁、锰、铅、锡、钨、锑，所述的金属氢氧化物中金属为铂、钛、铜、镍、锌、铁、锰、铅、锡、钨、锑。

具体实施时，膜支撑层7材料为多孔无机材料、聚合物材料、纺织材料支撑体等。且所述的无机材料为陶瓷、不锈钢管、烧结玻璃等；所述的聚合物材料为聚丙烯、聚酯等；所述的纺织材料支撑体为机织物、非制造布等。

本具体实施方案中，所述保护套管12的材质为石英玻璃、派克莱斯玻璃或有机玻璃。这样，采用上述材料能够更好的保护紫外灯且不影响紫外灯的光照效果。

本具体实施方案中，所述紫外灯9为中压高强汞灯或低压高强汞灯，辐射波段为230 nm至320 nm。

实施时，具体清洗方法按以下方式完成：经进水口流入装置的原水通过布水板到达过滤层，阴极膜过滤层截留水中的污染物，减少水中的污染物质，处理的时间越长，膜通量也就越小；同时开启电源，从装置底部的进气口通入的氧气在通电的条件（开启与电极相连的直流电源，电压调至+0.4 V）下和水反应生成H₂O₂，氧气投加量为1 mg/L~1000 mg/L，H₂O₂在250 w高强中压汞灯UV光辐照射下生成具有强氧化作用的·OH自由基，处理15 min，在阴极膜过滤层将被截留的污染物矿化为水、二氧化碳和无机盐，处理后的水从装置侧壁上部的出水管流出，产生的气体通过顶部排气孔排出装置，实现阴极过滤膜的原位再生，同时提高出水的水质。

申请人采用下述实验验证本实用新型的效果：利用阴极滤膜对含有浓度100 ng/L硝基苯溶液进行截留过滤，阴极滤膜孔通透性趋近饱和时，接通紫外灯电源，通过进气管向反应器通入氧气，氧气投加量为2 mg/L，开启与电极相连的直流电源，电压调至+0.4 V，处理15 min，多余的气体通过排气孔排出，处理后的水通过出水管排出，即完成硝基苯的截留和阴极滤膜的原位再生，记录实验过程中硝基苯的去除率。

试验的对比试验：同样利用阴极滤膜对含有浓度100 ng/L硝基苯溶液进行截留过滤，阴极滤膜孔通透性趋近饱和时，接通紫外灯电源，通过进气管向反应器通入氧气，氧气投加量为2 mg/L，不开启与电极相连的直流电源，同样处理15 min，多余的气体通过排气孔排出，处理后的水通过出水管排出，完成硝基苯的截留和阴极滤膜的原位再生，记录实验过程中硝基苯的去除率。实验结果表明：与对照试验相比，接通电极电源的实验对硝基苯的去除率提高了49%，更为有效地去除了溶液中的硝基苯。

因此，本实用新型通过氧气和水在通电和紫外光的条件下产生的羟基自由对污垢的矿化实现过滤膜的原位清洗，从而恢复膜通量并降解水中的污染物质的方法切实可行。

Claims (10)

1.一种用于水处理的光电催化氧化卷式膜反应器装置，包括容器状的壳体（2），壳体（2）内部为反应空间且壳体（2）上设置有和反应空间相连的进水口（1）和出水口（11），壳体（2）内部设置有滤膜组件，滤膜组件中设置有阴极和阳极，阴极和阳极导电后能够在之间形成位于反应空间内的电解磁场，其特征在于，在反应空间内设置有用于产生紫外线的紫外灯（9）以及套设于紫外灯（9）外部的用于将紫外灯（9）与反应空间隔离的保护套管（12），紫外灯（9）上连接有至壳体（2）外的导线用于和外部电源连接，在壳体（2）上还设置有能够连通到滤膜组件的进气口（8）和排气口（14）。

2.如权利要求1所述一种用于水处理的光电催化氧化卷式膜反应器装置，其特征在于，所述壳体（2）整体以及滤膜组件整体均呈长筒形且竖向设置，紫外灯（9）整体呈长圆柱形且竖向设置于滤膜组件的柱形通道内，在位于滤膜组件竖向两个端面之间的壳体（2）内腔中还具有水平设置的且竖向间隔布置在壳体（2）上端和下端的两块布水板（3），上端的布水板（3）和下端的布水板（3）上均设置有过水孔（13），使得进水能够经过上端的布水板（3）后再向内经过滤膜组件后再经过下端的布水板（3）流出。

3.如权利要求2所述一种用于水处理的光电催化氧化卷式膜反应器装置，其特征在于，所述滤膜组件包括阴极电极层（4）、与阴极电极层（4）间隔设置的阳极电极层（6）以及固定设置于上端布水板（3）和下端布水板（3）之间的膜支撑层（7），所述阴极为阴极电极层（4），所述阳极为阳极电极层（6），阳极电极层（6）固定设置在膜支撑层（7）上，阳极电极层（6）为网状结构且和阴极电极层（4）距离处于二者之前能够产生电催化反应的有效距离范围内，阴极电极层（4）连接有至壳体（2）外的导线用于和电源（10）的负极相连，阳极电极层（6）连接有至壳体（2）外的导线用于和电源（10）的正极相连。

4.如权利要求2所述一种用于水处理的光电催化氧化卷式膜反应器装置，其特征在于，所述进水口（1）设置于上端的布水板（3）外侧的壳体（2）上，出水口（11）设置有两个并且均位于下端的布水板（3）外侧的壳体（2）上，两个出水口（11）以壳体的中心线呈对称设置。

5.如权利要求2所述一种用于水处理的光电催化氧化卷式膜反应器装置，其特征在于，进气口（8）设置于上端的布水板和下端的布水板之间的壳体（2）上，排气口（14）设置于壳体（2）的上端的端面上。

6.如权利要求3所述一种用于水处理的光电催化氧化卷式膜反应器装置，其特征在于，上端的布水板（3）上的过水孔（13）位于阴极电极层（4）上端部对应区域外部的位置，下端的布水板（3）上的过水孔（13）位于膜支撑层（7）下端部对应区域内的位置。

7.如权利要求3所述一种用于水处理的光电催化氧化卷式膜反应器装置，其特征在于，阴极电极层（4）和阳极电极层（6）呈套设的圆筒状且二者之间设置有绝缘材料制得的隔绝层（5），隔绝层（5）呈网格状结构。

8.如权利要求3所述一种用于水处理的光电催化氧化卷式膜反应器装置，其特征在于，阴极电极层（4）为石墨材料、活性炭材料、碳纤维材料、碳纳米材料、石墨烯材料、炭气凝胶材料或金属材料制得的具有阴极电极属性的过滤膜，其膜孔径为0.001μm至10 mm。

9.如权利要求1所述一种用于水处理的光电催化氧化卷式膜反应器装置，其特征在于，所述保护套管（12）的材质为石英玻璃、派克莱斯玻璃或有机玻璃。

10.如权利要求1所述一种用于水处理的光电催化氧化卷式膜反应器装置，其特征在于，所述紫外灯（9）为中压高强汞灯或低压高强汞灯，辐射波段为230 nm至320 nm。