本发明专利技术涉及一种电催化臭氧吸附膜过滤去除水中有机污染物的装置及方法，该装置包括依次连接的氧气源、臭氧发生器和臭氧溶液储罐，所述臭氧溶液储罐与原水储罐通过管线与电催化臭氧膜过滤反应器连接，所述电催化臭氧膜过滤反应器由金属网状电极、硅胶绝缘垫圈、电催化臭氧过滤膜电极构成，其中稳压电源正极通过连接导线与金属网电极连接，电催化臭氧过滤膜电极与稳压电源负极通过连接导线相连接，阴阳极之间用硅胶绝缘垫圈隔开。本发明专利技术具有操作压力低、外加电流小，能耗低、能够高效连续去除难降解有机污染物，以及高臭氧转化自由基效率的技术优点。
【技术实现步骤摘要】
一种电催化臭氧吸附膜过滤去除水中有机污染物的装置及方法
本专利技术涉及水处理
，具体涉及一种水中有机污染物去除的装置及方法。
技术介绍
近年来，随着饮用水水源水质的不断下降，水环境中的微量有机污染物如个人护理品、药物活性物质、天然有机物等逐渐增多。这类有机污染物浓度低、成分复杂、结构稳定、种类繁多、并且一些有机物被认为是消毒副产物的前驱物，长期饮用含有这类污染物的饮用水对人体健康有潜在的危害。因此，针对性地开发新型高效、经济适用的饮用水处理技术对于控制我国饮用水中的有机污染，提高饮用水安全保障水平至关重要。另一方面，现有的污水处理技术同样不能有效去除水中的微量有机污染物，而未经有效处理的污水排入水环境中会造成生态环境污染，或影响水的回收利用。因此，开发一种同时适用于废水深度处理及污水回用的高效、安全、环保的水处理技术至关重要。传统膜过滤技术如超滤、微滤膜不能有效去除水中微量有机污染物，而纳滤、反渗透膜对于该类有机污染物去除效果不稳定，且操作压力大，运行成本高。在此基础上发展的纳米材料低压复合膜过滤技术，通过改变传统膜表面的物理化学性质，强化材料吸附性能，能够有效平衡选择性与透水率之间的关系，对于大多数有机污染物均具有优良的去除效果。然而复合膜在长期使用过程中存在再生问题和膜污染问题，限制了该技术进一步发展应用。基于此开发的电化学膜过滤技术能够深度降解和去除多种有机污染物、环境兼容性较强，一定程度上缓解膜污染问题。但同样该技术也受到电化学氧化效率、电子利用率低、电解电流等多种因素影响，而不易控制反应最终进程。臭氧作为一种常用的高级氧化技术具有良好的消毒、脱色、氧化能力，其在水处理中发挥氧化作用有两种途径：臭氧直接氧化具有选择性，并且矿化效率较低，还会产生消毒副产物前驱物；基于·OH的高级氧化技术中，·OH与有机物的反应无选择性，反应速率常数也大得多。臭氧高级氧化去除污染物以直接氧化为主，而臭氧间接氧化作用一般发生在臭氧与其他工艺联用技术中，例如臭氧和H2O2、UV等技术联用。E-peroxone技术是在臭氧氧化作用基础上开发的新型电化学技术，该技术利用碳基电极电催化还原氧气产H2O2的特性，与臭氧氧化相结合强化·OH的生成。电催化臭氧化技术对难降解有机污染物具有良好的去除效果，然而臭氧和氧气在水中溶解度较小；并且臭氧在环境中不稳定，容易分解产生氧气；再者目前臭氧发生器所产生的臭氧质量浓度(气相分压)比较低，臭氧在水中的传质及转化效率低。因此，如何强化臭氧、氧气的气液间传质效率，提高气体利用率是臭氧催化氧化技术研究与应用的一个关键与前提。CN107200394A公开了一种电催化臭氧高级氧化膜反应器废水处理装置及方法，包括可调式直流稳压电源、连接导线、负载有导电层的疏水膜(导电疏水膜)、辅助电极、料液槽、蠕动泵、臭氧发生器、气体流量计等部分，该方法可以高效地处理如染料、石化、制药等行业难降解有机废水，以及污水厂出水中的微量有机物。上述专利中提出的电催化臭氧膜反应器将疏水膜作为氧气和臭氧气体的分布器，仅能从一定程度上提高臭氧气体的溶解扩散作用和自由基的产生。然而，由于自由基(例如：羟基自由基、超氧自由基、过氧自由基等)寿命短、扩散速度慢，需要进一步强化污染物与自由基之间的扩散传质，以提升臭氧催化氧化中污染物降解效率。此外，此类电催化臭氧膜反应器单纯依靠E-peroxone作用产生的自由基处理水体污染物，不涉及吸附、电化学过滤，以及污染物与自由基的对流混合等机制的协同作用。碳材料具有优良的导电性能、吸附性能，并且碳材料制备的电极具有良好的电催化还原氧气产过氧化氢(H2O2)的能力。近年来，大量研究和应用将碳材料用于水中有机污染物的去除，并取得重大的进展。这类研究主要利用碳材料大的比表面积吸附去除污染物，或者将其用于电极的制备构建电化学高级氧化系统降解污染物。CN104211138A公开了一种基于碳纳米管制备膜电极及其电解去除有机污染物的方法，该方法结合滤膜和电催化降解技术，在吸附过滤的同时催化降解流过膜孔的有机污染物。然而，吸附去除污染物并不能将其彻底去除，并且存在吸附饱和、再生以及固体废弃物处理处置等问题；而电催化作用产生的自由基(例如：羟基自由基、超氧自由基、过氧自由基等)寿命短、扩散速度较慢，因此污染物与自由基之间的扩散传质成为限制高级氧化过程中污染物降解效率的最关键因素。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服吸附过滤存在的吸附饱和；电化学氧化降解效率低；电催化臭氧化臭氧转化羟基自由基效率低，臭氧利用率低的技术不足。提供一种高通量电催化臭氧吸附膜过滤去除水中有机污染物的装置及方法，将吸附膜过滤、电催化作用与臭氧氧化相耦合，利用过滤强化传质，提高电流利用率同时解决传统高级氧化作用存在的界面反应污染物浓度低而限制降解速率的问题；制备并筛选出具有高电催化还原原位生成H2O2效率、高通量、高导电性能、抗氧化特性以及稳定性的碳纳米材料复合膜，电催化还原氧气生成H2O2并与进水中的臭氧反应生成羟基自由基，通过强化羟基自由基的生成以及扩散传质作用，实现水中难降解有机污染物的高效、快速、连续去除。本专利技术提供了一种电催化臭氧吸附膜过滤去除水中有机污染物的装置，包括顺序连接的氧气源、臭氧发生器和臭氧溶液储罐，所述臭氧溶液储罐与原水储罐通过管线与电催化臭氧膜过滤反应器连接，所述电催化臭氧膜过滤反应器由金属网状电极、硅胶绝缘垫圈、电催化臭氧过滤膜电极构成，其中稳压电源正极通过连接导线与金属网电极连接，电催化臭氧过滤膜电极与稳压电源负极通过连接导线相连接，阴阳极之间用硅胶绝缘垫圈隔开。进一步地，所述电催化臭氧过滤膜电极表面负载一层导电碳材料，该碳材料具备良好的导电性能和良好的化学稳定性，能够抗臭氧和自由基氧化；并且能够在电化学作用下定向发生两电子还原反应，还原氧气生成过氧化氢。进水在一定的压力下渗透过滤膜电极，其中含有的微量有机污染物被吸附在导电纳米层表面及材料孔道内，进行富集。同时，膜电极在阴极电催化作用下还原进水溶液中的氧气生成过氧化氢，进一步与流入孔道内的臭氧反应产生大量的自由基，最终将富集于孔道内的污染物降解去除。进一步地，电催化臭氧过滤膜电极为含碳材料的复合膜电极，所述碳材料包括碳纳米管、纳米碳纤维、碳毡、碳纸和炭黑；所述导电纳米材料负载量为5-500g/m2，导电层厚度介于5μm-1mm之间；任选地，碳纳米材料表面含有羟基、羧基、氨基中的一种或者多种官能团。进一步地，所述电催化臭氧过滤膜电极由碳材料导电层和基底膜构成，其制备方法是首先配置分散均匀的碳材料分散液，然后以真空抽滤或加压过滤等方式将其负载在基底膜表面；或者把碳纤维布或碳纸等压合在基底膜表面制成。进一步地，臭氧发生器通过气体流量阀、气体流量计与臭氧溶液储罐连接，并通过过滤泵或加药泵与电催化臭氧膜过滤反应器连接；所述原水储罐通过过滤泵或加药泵与电催化臭氧膜过滤反应器连接。作为本专利技术的另一个专利技术目的，本专利技术提供了利用上述装置去除水中有机污染物的方法，包括如下步骤：(1)打开氧气源，启动臭氧发生器，将本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种电催化臭氧吸附膜过滤去除水中有机污染物的装置，其特征在于，包括依次连接的氧气源、臭氧发生器和臭氧溶液储罐，所述臭氧溶液储罐与原水储罐通过管线与电催化臭氧膜过滤反应器连接，所述电催化臭氧膜过滤反应器由金属网状电极、硅胶绝缘垫圈、电催化臭氧过滤膜电极构成，其中稳压电源正极通过连接导线与金属网电极连接，电催化臭氧过滤膜电极与稳压电源负极通过连接导线相连接，阴阳极之间用硅胶绝缘垫圈隔开。/n
【技术特征摘要】
1.一种电催化臭氧吸附膜过滤去除水中有机污染物的装置，其特征在于，包括依次连接的氧气源、臭氧发生器和臭氧溶液储罐，所述臭氧溶液储罐与原水储罐通过管线与电催化臭氧膜过滤反应器连接，所述电催化臭氧膜过滤反应器由金属网状电极、硅胶绝缘垫圈、电催化臭氧过滤膜电极构成，其中稳压电源正极通过连接导线与金属网电极连接，电催化臭氧过滤膜电极与稳压电源负极通过连接导线相连接，阴阳极之间用硅胶绝缘垫圈隔开。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电催化臭氧过滤膜电极表面负载一层导电纳米材料，进水流经过滤膜电极表面，其中含有的有机污染物被吸附在导电纳米层表面，而后与进入膜孔的臭氧电催化产生的自由基发生氧化反应，最终被降解。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，电催化臭氧过滤膜电极为碳材料复合膜电极，所述碳材料包括碳纳米管、碳纤维、碳纤维布、碳毡、碳纸和炭黑的一种或多种材料；所述导电纳米材料负载量为5-500g/m2，导电层厚度介于5μm-1mm之间；任选地，碳材料表面含有羟基、羧基、氨基中的一种或者多种官能团。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电催化臭氧过滤膜电极由碳纳米材料导电层和基底膜构成，其制备方法是首先配置分散均匀的碳纳米管分散液，然后以真空抽滤或加压过滤的方式将其负载在基底膜表面；或者把碳纤...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨晴，黄海鸥，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。