管状多孔钛膜-臭氧接触反应装置及其水处理方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种管状多孔钛膜‑臭氧接触反应装置及其水处理方法，腔体、管状膜电极和对电极；管状多孔钛膜电极设置于所述腔体中心，对电极设置在管状膜电极的内部，对电极与管状多孔钛膜电极之间设置有分隔材料，用于防止短路；腔体上的底部和顶部分别设置有进气口和出气口，管状多孔钛膜电极的下端与上端分别为进水口与出水口，用于使废水流入和流出所述管状多孔钛膜电极；使用时，当管状多孔钛膜电极作为阴极，对电极作为阳极，当管状多孔钛膜电极作为阳极，对电极作为阴极。本装置可以实现整个体系中臭氧无泡高效传质同时，在膜电极界面高效转化，产生羟基自由基，用于难降解有机物的快速降解。

Tubular porous titanium film ozone contact reactor and its water treatment method

【技术实现步骤摘要】
管状多孔钛膜-臭氧接触反应装置及其水处理方法
本专利技术涉及水处理
，尤其涉及一种管状多孔钛膜-臭氧接触反应装置及其水处理方法。
技术介绍
近年来，臭氧催化氧化技术在水处理领域中得到广泛的应用。然而，为了提高臭氧催化的效果，增强臭氧传质成为研究的主要方向。近些年来，基于膜无泡曝气的膜-臭氧接触反应器成为研究的热点。专利(申请号201710583322.7)通过采用无机疏水膜材料如聚四氟乙烯(PTFE)、偏四氟乙烯(PVDF)等膜材料作为气体扩散器，利用膜材料特殊的多孔特征，实现臭氧在膜界面的有效传质。由于整个传质过程中不产生气泡，引起传质效率高，臭氧利用率也高。为了进一步提高臭氧催化转化效率，Tony等人(TonyMerle，WouterPronk，UrsvonGunten，MEMBRO3X,aNovelCombinationofaMembraneContactorwithAdvancedOxidation(O3/H2O2)forSimultaneousMicropollutantAbatementandBromateMinimization，Environ.Sci.Technol.Lett.2017,4,5,180-185)膜-臭氧接触反应器的基础上，向待测溶液中加入H2O2，使其与臭氧发生O3/H2O2反应，产生大量的羟基自由基，以促进有机污染物的快速降解。然而，由于H2O2是危险化学品，其运输和储存都有严格的要求，因此一定程度上限制了该方法的大规模推广。众所周知，电化学还原氧气产生H2O2具有原位产生，经济廉价，易操控的特点，被水处理领域广泛应用。然而，传统的有机膜材料均不导电，无法通过电化学作用开展相关研究。即便有机膜可以通过负载导电层实现导电性的提升，但是导电层的稳定性，导电性仍需要进一步提升。管状多孔钛膜以其优异的导电性、耐臭氧、耐酸碱、耐有机溶剂和优良的传质，因此被广泛应用于制药、水处理和食品加工等过程进行精密过滤。与此同时，管状多孔钛膜还具有三维多孔、电化学稳定性好、抗氧化性强以及比表面积高的独特优势。多孔钛材料不仅可以作为金属膜材料基体，同时由于其优良的多孔特性和耐腐蚀性，也是作为臭氧曝气的主要材料，已经广泛应用于臭氧水处理的实际工程中。因此，亟需开发一种可以实现整个体系中臭氧无泡高效传质同时，能够在膜电极界面高效转化的水处理装置，以实现整个体系中臭氧无泡高效传质同时，在膜电极界面高效转化，产生羟基自由基，用于难降解有机物的快速降解。
技术实现思路
本专利技术提供了一种管状多孔钛膜-臭氧接触反应装置及其水处理方法，以解决现有技术问题中的缺陷。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。本专利技术提供了一种管状多孔钛膜-臭氧接触反应装置，包括：腔体、管状膜电极和对电极；所述的管状多孔钛膜电极设置于所述腔体中心，所述的对电极设置在管状膜电极的内部，所述的对电极与管状多孔钛膜电极之间设置有分隔材料，用于防止短路；所述腔体的底部和顶部分别设置有进气口和出气口，所述管状多孔钛膜电极的下端与上端分别为进水口与出水口，用于使废水流入和流出所述管状多孔钛膜电极；使用时，当所述管状多孔钛膜电极作为阴极，所述对电极作为阳极，当所述管状多孔钛膜电极作为阳极，所述对电极作为阴极。优选地，管状多孔钛膜电极包括管状多孔钛基体和负载在管状多孔钛基体上的第一催化层，所述的对电极包括网状金属电极基体和负载在网状金属电极基体上的第二催化层。优选地，管状多孔钛基体的内径为1cm～5cm，壁厚为2mm～20mm，平均孔径为1μm～200μm。优选地，当所述管状多孔钛膜电极作为阴极，所述对电极作为阳极，包括：所述的负载在管状多孔钛基体上的催化层为炭材料涂层，所述的负载在网状金属电极基体上的第二催化层为Ti、Mn、Ce、Cu、Fe、Ni、Sn、Sb、Pb的氧化物或复合氧化物。优选地，当所述管状多孔钛膜电极作为阳极，所述对电极作为阴极，包括：所述的负载在管状多孔钛基体上的第一催化层为金属氧化物，所述的负载在网状金属电极基体上的第二催化层为石墨烯、碳纳米管、碳微球层和导电石墨粉中的一种或多种。优选地，炭材料涂层为石墨烯、碳纳米管、碳微球层和导电石墨粉中的一种或多种。优选地，金属氧化物为Ti、Mn、Ce、Cu、Fe、Ni、Sn、Sb、Pb的氧化物或复合氧化物。优选地，网状金属电极基体为钛网、不锈钢网、镍网或铜网，所述的第一催化层的形状为纳米球、纳米线、纳米棒、纳米片、纳米管或纳米花，所述的第二催化层的形状为纳米球、纳米线、纳米棒、纳米片、纳米管或纳米花。优选地，分隔材料为尼龙网。本专利技术还提供了一种应用于上述装置进行水处理的方法，包括：当所述管状多孔钛膜电极作为阳极，所述对电极作为阴极：对电极卷曲后放置在管状多孔钛膜电极内部，之间采用分隔材料防止短路，O3气体通过进气口进入腔体并与管状多孔钛膜电极外部接触，经过膜表面扩散至管状多孔钛膜电极的内部，首先O3和管状多孔钛膜电极的第一催化层发生非均相催化反应产生羟基自由基，然后扩散到管状多孔钛膜电极内部的O2与对电极的第二催化层发生两电子还原反应产生H2O2，O3与H2O2进一步发生均相反应产生大量羟基自由基；同时待处理废水从管状多孔钛膜电极底部的进水口流入，与管状膜电极内部产生的大量羟基自由基发生反应，对有机物进行高效降解，最终出水从管状多孔钛膜电极上部出水口排出。2)当所述管状多孔钛膜电极作为阴极，所述对电极作为阳极：对电极卷曲后放置在管状多孔钛膜电极内部，之间采用分隔材料防止短路，O3气体通过进气口进入腔体并与管状多孔钛膜电极外部接触，经过膜表面扩散至管状多孔钛膜电极内部，首先O3/O2混合气体中的O2和管状多孔钛膜电极表面的第一催化层发生两电子还原反应产生H2O2，O3与H2O2进一步发生均相反应产生大量羟基自由基，其次，扩散到管状多孔钛膜电极内部的O3与对电极表面的第二催化层发生非均相催化反应产生羟基自由基，同时待处理废水从管状膜电极底部进水口流入，与管状多孔钛膜电极内部产生的大量羟基自由基发生反应，对有机物进行高效降解，最终出水从管状多孔钛膜电极上部出水口排出。由上述本专利技术的管状多孔钛膜-臭氧接触反应装置及其水处理方法提供的技术方案可以看出，本专利技术的装置的管状多孔钛膜均具备电催化电极(阳极或者阴极)和无泡曝气器的双重作用，可以通过改变电极极性、控制施加电流以及曝气位置，控制反应状态。当管状多孔钛膜作为阴极时，O2可以在阴极原位电还原产H2O2，发生O3和H2O2反应产生羟基自由基，O3在金属网阳极上发生非均相催化反应；当管状多孔钛膜作为阳极时，透过膜的O3先在阳极表面发生非均相催化反应产生自由基，其次，O2进一步在金属网阴极上原位电还原产H2O2，发生O3和H2O2反应产生羟基自由基。同时阴阳极之间仅采用尼龙网作为分隔材料，阴阳极平行布置且电极间距非常小(尼龙网厚度，不到1mm),因此槽电压低，能耗更低。因而，自由基在阳极阴极区域具有大量产生，可以有效降解污染物，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种管状多孔钛膜-臭氧接触反应装置，其特征在于，包括：腔体、管状膜电极和对电极；/n所述的管状多孔钛膜电极设置于所述腔体中心，所述的对电极设置在管状膜电极的内部，所述的对电极与管状多孔钛膜电极之间设置有分隔材料，用于防止短路；/n所述腔体的底部和顶部分别设置有进气口和出气口，所述管状多孔钛膜电极的下端与上端分别为进水口与出水口，用于使废水流入和流出所述管状多孔钛膜电极；/n使用时，当所述管状多孔钛膜电极作为阴极，所述对电极作为阳极，当所述管状多孔钛膜电极作为阳极，所述对电极作为阴极。/n

【技术特征摘要】
1.一种管状多孔钛膜-臭氧接触反应装置，其特征在于，包括：腔体、管状膜电极和对电极；
所述的管状多孔钛膜电极设置于所述腔体中心，所述的对电极设置在管状膜电极的内部，所述的对电极与管状多孔钛膜电极之间设置有分隔材料，用于防止短路；
所述腔体的底部和顶部分别设置有进气口和出气口，所述管状多孔钛膜电极的下端与上端分别为进水口与出水口，用于使废水流入和流出所述管状多孔钛膜电极；
使用时，当所述管状多孔钛膜电极作为阴极，所述对电极作为阳极，当所述管状多孔钛膜电极作为阳极，所述对电极作为阴极。


2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的管状多孔钛膜电极包括管状多孔钛基体和负载在管状多孔钛基体上的第一催化层，所述的对电极包括网状金属电极基体和负载在网状金属电极基体上的第二催化层。


3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的管状多孔钛基体的内径为1cm～5cm，壁厚为2mm～20mm，平均孔径为1μm～200μm。


4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的当所述管状多孔钛膜电极作为阴极，所述对电极作为阳极，包括：所述的负载在管状多孔钛基体上的催化层为炭材料涂层，所述的负载在网状金属电极基体上的第二催化层为Ti、Mn、Ce、Cu、Fe、Ni、Sn、Sb、Pb的氧化物或复合氧化物。


5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的当所述管状多孔钛膜电极作为阳极，所述对电极作为阴极，包括：所述的负载在管状多孔钛基体上的第一催化层为金属氧化物，所述的负载在网状金属电极基体上的第二催化层为石墨烯、碳纳米管、碳微球层和导电石墨粉中的一种或多种。


6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的炭材料涂层为石墨烯、碳纳米管、碳微球层和导电石墨粉中的一种或多种。


7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的金属氧化物为Ti、Mn、Ce、Cu、Fe、N...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚宏，李新洋，张家赫，张济民，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11