一種光催化-膜分離耦合的有機廢水處理裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種光催化-膜分離耦合的有機廢水處理裝置，屬于廢水處理【技術領域】。處理裝置包括光催化系統、曝氣系統、膜分離系統；光催化系統由反應容器、紫外輻照燈和納米TiO2光催化劑組成；曝氣系統由鼓風機和曝氣盤組成；膜分離系統采用納米孔皮層結構PVDF中空纖維膜。本發明的優點是：水中有機污染物在紫外光作用下經納米TiO2光催化劑在反應區內降解，處理后的廢水經膜過濾抽出反應區，納米TiO2光催化劑被中空纖維膜截留在反應區，保證了光催化劑在反應區的濃度，也解決了光催化劑的回收難題。
【專利說明】一種光催化-膜分離耦合的有機廢水處理裝置
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種有機廢水處理裝置，具體涉及一種光催化-膜分離耦合的有機廢 水處理裝置。
【背景技術】
[0002] 光催化降解是一種新型的廢水處理技術，具有高效、節能、使用范圍廣等特點，可 與任何有機物反應，對難生物降解的有機物可以直接礦化為無機小分子，具有廣泛的應用 前景，成為近年來廢水處理的新的熱門技術。有關光催化降解的研究工作基本圍繞如何提 高光催化效率、開發新型光催化劑、具有可見光降解性能的光催化劑、如何高效快速的實現 納米光催化劑的回收等。
[0003] 納米Ti02光催化劑光催化活性高，穩定性強，價格相對較低等優點，受到國內外研 究者的關注。110 2催化劑的使用一種是固定于載體上；另一種是分散于溶液之中。后者稱 為懸浮態，這種方式中，Ti02催化劑分布均勻，比表面積較涂覆式大十幾倍，催化效率更高。 但細小Ti0 2微粒不易為傳統的分離技術(絮凝、沉淀)分離回收，重復利用率較低，排出液易 產生二次污染，限制了其應用。針對此問題，國內外學者進行了大量的研究。如懸浮型磁載 Ti〇 2光催化劑，保持懸浮體系較高的光催化效率，利用磁性技術實現Ti〇2的回收。但是在 磁性載體與Ti〇 2的結合過程中，操作條件容易造成Ti〇2光催化活性的降低，并可能通過氧 化磁載材料等而影響磁分離性能。此外，磁載材料和Ti0 2結合的牢固性也有待進一步研究。 有的學者利用納米1102微球來解決其回收問題，通過特殊的工藝制得中空型微球負載納米 Ti〇 2光催化劑，但是中空微球的制備方法和操作條件對光催化降解效率影響較大。所以尋 找高效、簡便的Ti〇2光催化劑分離技術，對光催化技術的發展十分重要。
[0004] 膜分離技術是迅速發展起來的一種新型分離、凈化技術。在廢水處理過程中，它 是借助膜表面的微孔截留作用來達到分離脫除污染物的目的，無相變和二次污染，常溫下 連續操作，具有能耗低、設備體積小、操作方便、容易放大等優勢.然而，膜污染問題導 致膜通量下降，并縮短膜的使用壽命，盡管控制膜污染措施取得了一定的研究進展，但 仍是膜分離技術發展的主要瓶頸。對于光催化劑納米顆粒，目前沒有相應的過濾膜用于其 分離。納濾、反滲透膜可以達到納米級顆粒的截留，但是此過程需消耗大量動力，而且對料 液的預處理有很高的要求，非常不適合納米110 2顆粒的截留回收。中空纖維膜是用在廢水 處理中最廣泛的膜技術之一，可以通過控制鑄膜液組成，紡絲工藝參數制得對納米顆粒具 有截留效果的中空纖維膜。
[0005] 紫外光的照射和光催化過程中會產生強氧化性羥基自由基，會破壞膜材料的結 構，從根本上破壞分離膜和整個光催化-膜分離處理工藝。此外，膜分離過程需要膜承 受一定的壓力和水流的沖刷作用。因此，膜要求具有一定的機械強度和化學穩定性。無機 陶瓷膜比較耐紫外光的照射和光催化過程中產生的強氧化性羥基自由基，可以較好地滿足 實驗穩定性要求，但由于其價格昂貴，納米孔難以制得等缺點。因此，尋求廣泛采用且價 格相對低廉的有機高分子聚合膜成為首選。絕大部分有機高分子聚合膜在紫外光降解環境 中穩定性很差，但是聚偏氟乙烯膜耐紫外光的照射和光催化過程中產生的強氧化性羥基自 由基，是十分優異的過濾膜材料。通過控制鑄膜液組成，制得納米孔皮層結構的中空纖維 膜，可以對水中的納米Ti02顆粒實現截留，可以解決光催化技術中光催化劑回收難的問題， 又能解決膜分離工藝發展的膜污染問題，二者的耦合過程還能產生一系列的協同作用，從 而大大提高水處理的效率。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種光催化-膜分離耦合的有機廢水處理裝置，該處理裝 置可以對水中的納米Ti0 2顆粒實現截留，可以解決光催化技術中光催化劑回收難的問題， 又能解決膜分離工藝發展的膜污染問題。
[0007] 本發明是這樣來實現的，一種光催化-膜分離耦合的有機廢水處理裝置，其特征 在于：它包括光催化系統，曝氣系統和膜分離系統；所述光催化系統由反應容器、納米光催 化劑、紫外光輻照發生器組成；所述曝氣系統由鼓風機和曝氣盤組成；所述膜分離系統采 用納米孔皮層結構PVDF中空纖維膜，所述PVDF中空纖維膜對納米光催化劑顆粒的截留率 超過99%。
[0008] 進一步的，所述PVDF中空纖維膜封裝成浸沒簾式PVDF中空纖維膜組件和外壓式 PVDF中空纖維膜組件，不同的耦合方式選用不同的膜組件。 進一步的，所述膜分離系統和光催化降解系統的耦合的第一種形式：浸沒簾式PVDF中 空纖維膜組件內置于光催化系統的反應容器中，外接真空抽吸泵，將處理后的廢水抽走，將 反應區中的納米光催化劑截留。
[0009] 進一步的，所述膜分離系統和光催化系統的耦合的第二種形式：外壓式PVDF中空 纖維膜組件置于光催化降解系統的反應容器外部，廢水容器中經處理后的廢水由循環泵泵 入外壓式PVDF中空纖維膜組件內，水透過膜后排放，Ti0 2納米顆粒被截留后返回反應器中， 繼續參與光降解活動。
[0010] 本發明的優點是：水中有機污染物在紫外光作用下經納米Ti〇2光催化劑在反應區 內降解，處理后的廢水經膜過濾抽出反應區，納米Ti〇 2光催化劑被中空纖維膜截留在反應 區，保證了光催化劑在反應區的濃度，也解決了光催化劑的回收難題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發明的聚偏氟乙烯中空纖維膜微觀結構圖一。
[0012] 圖2為本發明的聚偏氟乙烯中空纖維膜微觀結構圖二。
[0013] 圖3為本發明的浸沒簾式膜分離-光催化耦合反應器裝置。
[0014] 圖4為本發明的外壓式膜分離-光催化耦合反應器裝置。
[0015] 在圖中，1、浸沒式簾式膜組件或外壓式膜組件，2、反應容器，3、收集液儲罐，4、循 環泵，5、曝氣機，6、紫外燈光源，7、真空抽吸泵，8、曝氣盤。
【具體實施方式】
[0016] 本發明面向納米Ti02光催化顆粒截留的PVDF中空纖維膜制備：聚偏氟乙烯膜材 料22%，復配型致孔添加劑15%，溶劑58%，非溶劑添加劑5%，經過溶解后制得鑄膜液，經干噴 濕紡干濕相轉化法制得納米孔皮層結構的聚偏氟乙烯中空纖維膜(如圖1、圖2所示)，制得 的聚偏氟乙烯中空纖維膜對納米Ti02光催化顆粒的截留率達到99%。將制得的聚偏氟乙烯 中空纖維膜封裝成浸沒簾式膜組件（圖3中1)和外壓式膜組件（圖4中1)。
[0017] 如圖3所示，將浸沒簾式膜組件1放在光催化反應器的反應容器2中，外接真空 抽吸泵7,真空抽吸泵7和浸沒簾式膜組件1之間設置收集液儲罐3,處理污水由循環泵4 循環，用量為〇. 5-5. Og/L納米Ti02催化劑加入反應容器2中，曝氣機5通過曝氣盤8以 0. 3-0. 5L/min速度在反應容器2中加氣，使得納米Ti02催化劑懸浮在反應容器2中，反應 容器2頂部放置紫外燈光源6,廢水中污染物在紫外燈光源發射出的紫外光作用下經納米 Ti02顆粒礦化成無機小分子。光降解一段時間后，開啟真空抽吸泵7,處理后的廢水經浸沒 簾式膜組件1經泵抽出外反應容器外，納米Ti0 2催化劑被截留在反應容器內，繼續對水中 有機污染物降解。
[0018] 如圖4所示，將外壓式膜組件1用循環泵4和管路串聯在光催化反應器的反應容 器2外部，外接真空抽吸泵7,真空抽吸泵7和外壓式膜組件1之間設置收集液儲罐3,處理 污水由循環泵4循環，用量為0. 5-5. Og/L納米Ti02催化劑加入反應容器2中，曝氣機5通 過曝氣盤8以0. 3-0. 5L/min速度在反應容器2中加氣，使得納米Ti02催化劑懸浮在反應 容器2中，反應容器2頂部放置紫外燈光源6,廢水中污染物在紫外燈光源發射出的紫外光 作用下經納米Ti0 2顆粒礦化成無機小分子。光降解一段時間后，開啟真空抽吸泵7,處理后 的廢水經外壓式膜組件1經泵抽出外反應容器外，納米110 2催化劑被截留在反應容器內， 繼續對水中有機污染物降解。
[0019] 實施例1 : 將0.5m2浸沒簾式膜組件放在光催化反應器的反應容器中，外接真空抽吸泵，光降 解-膜分離耦合反應器裝置如圖3所示。將濃度為20mg/L的甲基橙污水以和用量為5g/L 納米1102催化劑加入反應器混合，水力停留時間為2h，紫外光輻照計電流15A，輻照強度為 80Mw/cm 2,加氣速度為0. 4L/min。真空抽吸泵抽出的水量為80L/m2. h，抽出水中納米Ti02濃 度低于〇. lg/L，甲基橙含量為0,污染物去除率達到100%。
[0020] 實施例2 : 將0. 6m2外壓式膜組件用循環泵串聯在光催化反應器的廢水容器外部，膜組件出水側 外接真空抽吸泵，光降解-膜分離耦合反應器裝置如圖4所示。將濃度為20mg/L的雙酚 A污水以和用量為5g/L納米Ti02催化劑加入反應器混合，紫外光輻照計電流20A，輻照強 度為115Mw/cm 2,加氣速度為0. 5L/min。真空抽吸泵抽出的水量為75L/m2. h，抽出水中納米 Ti〇2濃度低于0. lg/L，雙酚A含量為0,污染物去除率達到100%。
【權利要求】
1. 一種光催化-膜分離耦合的有機廢水處理裝置，其特征在于：它包括光催化系統， 曝氣系統和膜分離系統；所述光催化系統由反應容器、納米光催化劑、紫外光輻照發生器組 成；所述曝氣系統由鼓風機和曝氣盤組成；所述膜分離系統采用納米孔皮層結構PVDF中空 纖維膜，所述PVDF中空纖維膜對納米光催化劑顆粒的截留率超過99%。
2. 根據權利要求1所述的一種光催化-膜分離耦合的有機廢水處理裝置，其特征在于： PVDF中空纖維膜封裝成浸沒簾式PVDF中空纖維膜組件和外壓式PVDF中空纖維膜組件，不 同的耦合方式選用不同的膜組件。
3. 根據權利要求1或2所述的一種光催化-膜分離耦合的有機廢水處理裝置，其特征 在于：膜分離系統和光催化降解系統的耦合的第一種形式：浸沒簾式PVDF中空纖維膜組件 內置于光催化系統的反應容器中，外接真空抽吸泵，將處理后的廢水抽走，將反應區中的納 米光催化劑截留。
4. 根據權利要求1或2所述的一種光催化-膜分離耦合的有機廢水處理裝置，其特征 在于：膜分離系統和光催化系統的耦合的第二種形式：外壓式PVDF中空纖維膜組件置于光 催化系統的反應容器外部，廢水在反應容器中經降解后由循環泵泵入外壓式PVDF中空纖 維膜組件內，水透過膜后排放，Ti0 2納米顆粒被截留后返回反應容器中，繼續參與光降解活 動。
5. 根據權利要求1所述的一種光催化-膜分離耦合的有機廢水處理裝置，其特征在 于：納米孔皮層結構PVDF中空纖維膜的制備是：聚偏氟乙烯膜材料22%，復配型致孔添加劑 15%，溶劑58%和非溶劑添加劑5%，上述材料經過溶解后制得鑄膜液，經干噴濕紡干濕相轉 化法制成。
【文檔編號】C02F9/08GK104086037SQ201410365650
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月30日 優先權日:2014年7月30日
【發明者】董永全, 吳詩婷, 許輝, 吳冬冬, 肖冬平, 嚴斐斐 申請人:南昌航空大學