一种水深度处理方法技术

本发明专利技术涉及一种水深度处理方法，采用水深度处理装置进行处理，水深度处理方法包括如下步骤：(1)将待处理的原水和氧化剂混合后输送至板框式膜反应器中，原水和氧化剂的混合液在碳纳米材料复合膜的作用下发生催化氧化和分离截留，处理后的出水经出水管排出；(2)当压力表的读数接近5bar时，停止向板框式膜反应器中通入待处理的原水和氧化剂，将氨水经热交换器加热后输送至板框式膜反应器中对碳纳米材料复合膜进行原位再生处理，当压力表的读数降至1.5bar以下或者运行4～8h后，停止原位再生处理。本发明专利技术的水处理装置和方法的净化效率高、处理能耗低、无重金属二次污染、适用范围广。

【技术实现步骤摘要】
一种水深度处理方法
本专利技术属于环保
，具体涉及一种水深度处理方法。
技术介绍
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NF10-20bar、RO20-100bar，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。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种能够充分发挥碳纳米材料复合膜的催化氧化和分离截留功能，且不会对碳纳米材料复合膜的结构造成不可再生性损伤的水深度处理方法。为解决以上技术问题，本专利技术采取如下技术方案：本专利技术的目的是提供一种水深度处理方法，所述的水深度处理方法采用水深度处理装置进行处理，所述的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进水管或所述的原水输送系统相连通的氧化剂投加系统、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；所述的原水输送系统包括储存有待处理的原水的原水水箱；所述的氧化剂投加系统包括储存有氧化剂的氧化剂储池；所述的水深度处理装置还包括用于对所述的板框式膜反应器中的碳纳米材料复合膜进行再生的膜功能再生系统；所述的膜功能再生系统包括储存有氨水的氨水搅拌密封储罐、分别与所述的氨水搅拌密封储罐和所述的进水管相连通用于对所述的氨水进行加热的热交换器；所述的水深度处理装置还包括设置在所述的进水管上的压力表；所述的水深度处理方法包括如下步骤：(1)将储存于所述的原水水箱中的待处理的原水和储存于所述的氧化剂储池中的氧化剂混合后输送至所述的板框式膜反应器中，所述的原水和所述的氧化剂的混合液在所述的碳纳米材料复合膜的作用下发生催化氧化和分离截留，处理后的出水经出水管排出；(2)当所述的压力表的读数接近5bar时，停止向所述的板框式膜反应器中通入所述的待处理的原水和所述的氧化剂，将储存于所述的氨水搅拌密封储罐中的氨水经所述的热交换器加热后输送至所述的板框式膜反应器中对所述的碳纳米材料复合膜进行原位再生处理，当所述的压力表的读数降至1.5bar以下或者运行4～8h后，停止所述的原位再生处理。本专利技术通过碳纳米材料层中相互偶联的单层还原氧化石墨烯和多壁碳纳米管与氧化剂投加系统中的氧化剂作用，催化形成降解污染物的强氧化性自由基，同时，氧化剂不会对基底膜层的结构造成破坏。待处理的原水和氧化剂的混合液在碳纳米材料复合膜的微观层状结构中做曲折流动，并同时发生催化氧化和分离截留，从而有效去除水中的有机微污染物。另外，本专利技术通过将碳纳米材料层负载于基底膜层上，基底膜层能够起到承托的作用，从而提高碳纳米材料复合膜的强度。由于经过长时间运行，碳纳米材料的催化性能和过水性能都会由于表面活性点位的消耗、掩蔽而有所降低。本专利技术通过设置膜功能再生系统，可以实现碳纳米材料催化活性和表面疏水性的原位再生，显著延长复合膜使用寿命，避免了现有技术需增设催化剂收集、再生和再利用等额外工序。优选地，所述的氧化剂储池中储存的氧化剂为过硫酸盐溶液或臭氧水溶液。进一步优选地，当所述的氧化剂为过硫酸盐溶液时，控制所述的氧化剂的温度低于30℃；当所述的氧化剂为臭氧溶液时，控制所述的氧化剂的温度为0～4℃。进一步优选地，当所述的氧化剂为过硫酸盐溶液时，控制所述的混合液中过硫酸盐和有机微污染物的初始摩尔浓度比为50～200:1；当所述的氧化剂为臭氧溶液时，控制所述的混合液中臭氧和有机微污染物的初始质量浓度比为10～50:1。优选地，控制所述的待处理的原水的流量对应膜通量为0.5-5.0L·min-1·m-2，控制所述的氧化剂的流量不大于所述的待处理的原水的流量的5％。其中，所述的待处理的原水的流量对应膜通量指的是待处理的原水的流量与板框式膜反应器中的总有效过滤面积的比值。优选地，步骤(1)中，控制压力表的读数不大于5bar。优选地，控制所述的氨水的流量对应膜通量为0.1～0.4L·mi本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水深度处理方法，其特征在于：所述的水深度处理方法采用水深度处理装置进行处理，所述的水深度处理装置包括具有进水管(21)和出水管(22)的板框式膜反应器(1)、与所述的板框式膜反应器(1)的进水管(21)相连通的原水输送系统、与所述的板框式膜反应器(1)的进水管(21)或所述的原水输送系统相连通的氧化剂投加系统、与所述的板框式膜反应器(1)的出水管(22)相连通的清水池(2)；所述的板框式膜反应器(1)还包括碳纳米材料复合膜(16)，所述的碳纳米材料复合膜(16)包括依次设置在所述的进水管(21)和所述的出水管(22)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；所述的原水输送系统包括储存有待处理的原水的原水水箱(31)；所述的氧化剂投加系统包括储存有氧化剂的氧化剂储池(41)；所述的水深度处理装置还包括用于对所述的板框式膜反应器(1)中的碳纳米材料复合膜(16)进行再生的膜功能再生系统；所述的膜功能再生系统包括储存有氨水的氨水搅拌密封储罐(51)、分别与所述的氨水搅拌密封储罐(51)和所述的进水管(21)相连通用于对所述的氨水进行加热的热交换器(55)；所述的水深度处理装置还包括设置在所述的进水管(21)上的压力表(4)；所述的水深度处理方法包括如下步骤：(1)将储存于所述的原水水箱(31)中的待处理的原水和储存于所述的氧化剂储池(41)中的氧化剂混合后输送至所述的板框式膜反应器(1)中，所述的原水和所述的氧化剂的混合液在所述的碳纳米材料复合膜(16)的作用下发生催化氧化和分离截留，处理后的出水经出水管(22)排出；(2)当所述的压力表(4)的读数接近5bar时，停止向所述的板框式膜反应器(1)中通入所述的待处理的原水和所述的氧化剂，将储存于所述的氨水搅拌密封储罐(51)中的氨水经所述的热交换器(55)加热后输送至所述的板框式膜反应器(1)中对所述的碳纳米材料复合膜(16)进行原位再生处理，当所述的压力表(4)的读数降至1.5bar以下或者运行4～8h后，停止所述的原位再生处理。...

【技术特征摘要】
1.一种水深度处理方法，其特征在于：所述的水深度处理方法采用水深度处理装置进行处理，所述的水深度处理装置包括具有进水管(21)和出水管(22)的板框式膜反应器(1)、与所述的板框式膜反应器(1)的进水管(21)相连通的原水输送系统、与所述的板框式膜反应器(1)的进水管(21)或所述的原水输送系统相连通的氧化剂投加系统、与所述的板框式膜反应器(1)的出水管(22)相连通的清水池(2)；所述的板框式膜反应器(1)还包括碳纳米材料复合膜(16)，所述的碳纳米材料复合膜(16)包括依次设置在所述的进水管(21)和所述的出水管(22)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；所述的原水输送系统包括储存有待处理的原水的原水水箱(31)；所述的氧化剂投加系统包括储存有氧化剂的氧化剂储池(41)；所述的水深度处理装置还包括用于对所述的板框式膜反应器(1)中的碳纳米材料复合膜(16)进行再生的膜功能再生系统；所述的膜功能再生系统包括储存有氨水的氨水搅拌密封储罐(51)、分别与所述的氨水搅拌密封储罐(51)和所述的进水管(21)相连通用于对所述的氨水进行加热的热交换器(55)；所述的水深度处理装置还包括设置在所述的进水管(21)上的压力表(4)；所述的水深度处理方法包括如下步骤：(1)将储存于所述的原水水箱(31)中的待处理的原水和储存于所述的氧化剂储池(41)中的氧化剂混合后输送至所述的板框式膜反应器(1)中，所述的原水和所述的氧化剂的混合液在所述的碳纳米材料复合膜(16)的作用下发生催化氧化和分离截留，处理后的出水经出水管(22)排出；(2)当所述的压力表(4)的读数接近5bar时，停止向所述的板框式膜反应器(1)中通入所述的待处理的原水和所述的氧化剂，将储存于所述的氨水搅拌密封储罐(51)中的氨水经所述的热交换器(55)加热后输送至所述的板框式膜反应器(1)中对所述的碳纳米材料复合膜(16)进行原位再生处理，当所述的压力表(4)的读数降至1.5bar以下或者运行4～8h后，停止所述的原位再生处理。2.根据权利要求1所述的水深度处理方法，其特征在于：当所述的氧化剂为过硫酸盐溶液时，控制所述的氧化剂的温度低于30℃；当所述的氧化剂为臭氧溶液时，控制所述的氧化剂的温度为0～4℃。3.根据权利要求1或2所述的水深度处理方法，其特征在于：当所述的氧化剂为过硫酸盐溶液时，控制所述的混合液中过硫酸盐和有机微污染物的初始摩尔浓度比为50～200:1；当所述的氧化剂为臭氧溶液时，控制所述的混合液中臭氧和有机微污染物的初始质量浓度比为10～50:1。4.根据权利要求1所述的水深度处理方法，其特征在于：控制所述的待处理的原水的流量对应膜通量为0.5-5.0L·min-1·m-2，控制所述的氧化剂的流量不大于所述的待处理的原水的流量的5％。5.根据权利要求1所述的水深度处理方法，其特征在于：步骤(1)中，控制所述的压力表(4)的读数不大于5bar。6.根据权利要求1所述的水深度处理方法，其特征在于：控制所述的氨水的流量对应膜通量为0.1～0.4L·min-1·m-2，所述的氨水搅拌密封储罐(51)中储存的氨水的质量浓度为4％～10％，pH不低于10。7.根据权利要求1所述的水深度处理方法，其特征在于：控制所述的热交换器(55)出口处的氨水的温度为120～150℃。8.根据权利要求1所述的水深度处理方法，其特征在于：所述的碳纳米材料层中所述的还原氧化石墨烯和所述的多壁碳纳米管的质量比为2～4:1；所述的还原氧化石墨烯呈薄片状，其直径为2～5μm，厚度为0.8～1.2nm，碳氧原子比例为3～4:1，单层率＞95％；所述的多壁碳纳米管的内径为2～5nm，外径＜8nm，长度为1～2μm，比表面积＞500m2/g；所述的碳纳米材料复合膜(16)中所述的碳纳米材料层在所述的基底膜层表面的负载量为8～32g/m2，所述的碳纳米材料复合膜(16)的纯水通量为30～90L·(m2·h·bar)-1，单位比阻为1.0～2.0×1018m-2，有效过滤面积不小于0.1m2；所述的基底膜层的基底膜为尼龙膜、聚偏二氟乙烯膜、亲水改性的聚四氟乙烯膜中的一种或多种；所述的基底膜的过滤孔径为0.45μm以下。9.根据权利要求1所述的水深度处理方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱飞跃，王俊霞，沈耀良，高仕谦，盛嘉逸，黄慧敏，
申请(专利权)人：苏州科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32