[发明专利]一种水深度处理装置

说明书

本发明涉及一种水深度处理装置，包括具有进水管和出水管的板框式膜反应器、与所述的板框式膜反应器的进水管相连通的原水输送系统、与所述的板框式膜反应器的出水管相连通的清水池，所述的水深度处理装置还包括与所述的板框式膜反应器的进水管或所述的原水输送系统相连通的氧化剂投加系统，所述的板框式膜反应器还包括碳纳米材料复合膜，所述的碳纳米材料复合膜包括依次设置在所述的进水管和所述的出水管之间的碳纳米材料层、负载有所述的碳纳米材料层的基底膜层，所述的碳纳米材料层的原料包括单层还原氧化石墨烯和多壁碳纳米管。本发明的水深度处理装置的净化效率高、处理能耗低、无重金属二次污染、适用范围广。

技术领域

本发明属于环保技术领域，具体涉及一种水深度处理装置。

背景技术

随着人工合成化学品(如药品及个人护理品、清洁剂、农药等)的大量使用，其中部分会经过城镇排水系统排入天然水体中，带来潜在的生态与环境风险。该类污染物通常具有浓度低(<1mg/L)、分子量小(<500Dalton)、溶解度高和持久性强等特点，也被称为微污染物。有研究表明，混凝、沉淀、过滤和生物降解等传统水处理技术对微污染物的去除效能较低，无法满足饮用水深度净化的要求。目前，膜分离技术和高级氧化法被认为是控制有机微污染物的有效手段。

借助位阻效应、静电斥力、溶解扩散等作用，以纳滤(NF)、反渗透(RO)为代表的膜分离技术能够有效截留水中各类污染物，具有操作简单快速、目标适应面广、装置易于自动化等优点，但其跨膜压力需控制在NF 10-20bar、RO 20-100bar，处理单位水量的能耗较高，产水率通常低于75％，仍要对浓缩水进行后续处理。此外，由于是纯物理分离过程，污染物黏附在膜表面及孔道内造成膜污染，会导致系统产水性能的显著降低，即使采用反冲洗和化学清洗也只能部分恢复。与之相比，高级氧化法主要通过产生一定量·OH、SO₄^·-等强氧化性自由基，降解、矿化污染物，例如，紫外光或可见光催化氧化、臭氧催化氧化、过硫酸盐催化氧化、芬顿(Fenton)反应等。在上述体系中，常把各类过渡金属及其氧化物作为催化剂使用。当前，如何有效固定、分离和再生催化剂，实现重复使用，并严格防控金属离子溶出仍是限制这类方法工程化应用的主要问题。

作为一种非金属纳米材料，氧化石墨烯(GO)薄片具有接近单碳原子厚度的二维层状结构，其主要由sp²杂化六元碳原子环和大量羟基、羧基和环氧官能团组成。与石墨烯相比，GO的亲水性更强、更容易实现功能化，且造价相对较低，很适合用于制备新型膜材料。有研究发现，在强碱性和一定温度条件下，GO表面含氧基团将得到部分还原，碳原子层中会形成锯齿状缺陷，形成还原氧化石墨烯(rGO)。这不仅使rGO获得了更强的过硫酸盐与臭氧催化活性，可生成大量SO₄^·-或·OH自由基，还显著降低了水分子在碳材料表面的摩檫力，有利于提高GO膜材料的过水性能，降低跨膜压力。如果能够利用rGO薄片建立具有催化氧化功能的膜分离系统，将有效克服传统膜分离技术与高级氧化法的固有缺点，成为控制水中微污染物的一种新方法。

需要注意的是，反应装置是进行水处理的场所，也是决定处理效果的关键因素。现有的水处理反应装置及其控制方法无法同时实现膜分离和催化氧化功能，原因包括：(1)在现有装置中，NF和RO膜组件能够用于污染物的高效分离，但在原水中投加氧化剂，不仅不能产生足够的强氧化自由基降解截留的污染物，还会对膜结构造成严重破坏，导致其分离效能显著降低；(2)在现有装置中，为了充分发挥催化剂效能，反应期间常采用减小催化剂尺寸、提高混合强度等方法。当反应结束后，又需要对催化剂进行分离操作，以获得处理出水。上述操作方法在工业化连续运行中实现难度很大；(3)在现有装置中，不具备对失活催化剂进行原位再生功能，只能通过定期更换催化剂，确保装置的运行，这势必会提高其运行成本。

因此，如何创新反应装置构型设计及其控制方法，最大程度地发挥还原氧化石墨烯膜的分离与催化功能，已成为利用该项水处理新技术高效去除水中微污染物的关键。

发明内容