一种用于水处理的电催化膜反应器的制作方法

本实用新型涉及膜技术和污染控制水处理领域，特别的涉及一种用于水处理的电催化膜反应器。

背景技术：

膜技术是近年来发展起来的一种高分离、浓缩、提纯及净化的技术，因其无相变化、能耗低等优点被广泛的用在水污染控制等领域。然而在膜处理过程中，由于膜的长时间运行，水源中有机污染物会吸附或沉积在膜表面或膜孔内，使膜污染，膜孔径变小或堵塞，膜通量下降，分离效果变差。膜技术应用的成功与否与膜本身性能是否稳定、污染后能否再生有着密切的关系。

膜清洗是一种有效的降低膜污染的途径。膜污染按其程度可分为：表面沉积，膜孔内阻塞，膜表面和孔内的吸附。传统的膜清洗方法目前可分为物理方法和化学方法。物理方法包括：增大膜表面湍动程度，气体、液体反冲，超声清洗、海绵球清洗，这种清洗方法只能对污染膜进行微清洗，清洗效果不理想；化学方法包括：酸、碱清洗，表面活性剂、螯合剂清洗，氧化剂和酶清洗，这种添加化学试剂清洗膜的方法会损耗膜的寿命，同时还会产生废水废液等二次污染，均无法应用到实际工作中。因此，寻求高效稳定的膜反应器及其清洗方法对于膜分离技术的工业化应用非常重要。

利用电催化氧化技术对膜进行清洗技术实际上是对高级氧化水处理技术的应用。国内已有各类应用电催化氧化技术的水处理反应器，发明专利CN103342405A和发明专利CN103318990A公开了使用阴极催化臭氧氧化和阴极活化过硫酸盐处理有机污染废水的方法，但将电催化氧化技术应用到膜清洗方面的研究鲜有报道，且电催化氧化对膜进行清洗时电催化降解的仅是膜表面和膜孔中的有机物，因而电解效率高。CN101597096A公开了一种电催化膜反应处理装置，该装置将阳极作为催化膜和过滤膜的统一体。但也存在能耗较大，反应效率较低的缺陷。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是：如何提供一种结构简单，成本低廉，能提高膜清洗效率和水处理效率，较低能耗的用于水处理的电催化膜反应器。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案：

一种用于水处理的电催化膜反应器，包括容器状的壳体，壳体上有进水口和出水口，壳体内部设置有过滤膜，过滤膜将壳体进水口到出水口之间的流通路径隔开，其特征在于，过滤膜为阴极电催化膜，壳体内还设置有和阴极电催化膜间隔设置的阳极电极层，阳极电极层为网状结构且和阴极电催化膜距离处于二者之前能够产生电催化反应的有效距离范围内，阴极电催化膜连接有至壳体外的阴极导线用于和电源负极相连，阳极电极层连接有至壳体外的阳极导线用于和电源正极相连，壳体上还设置有能够连通到阴极电催化膜的氧化剂源入口。

本反应器使用时，可以通过氧化剂源入口添加氧化剂源如臭氧、过硫酸盐或高锰酸盐，通过电催化臭氧、过硫酸盐或高锰酸盐，在电解作用下分别产生羟基自由基、硫酸根自由基或三价锰离子，可降解绝大多数有机污染物，如：莠去津、MTBE等常规氧化方法难以氧化降解的有机物，可以用于污染膜的处理，即将膜孔中的有机污染物氧化去除，实现污染膜的清洗。同时，在水处理过程中，利用电催化可对水中部分污染物进行处理。膜通量逐渐恢复，并可有效避免膜的二次污染，并提高出水水质。同时，本申请的反应器中，采用了阴极作为催化膜和过滤膜的统一体，产生电催化反应时，阴极输出电子成为反应源在周围生成强氧化剂，能够更好地实现对作为阴极的电催化膜上的有机污染物的氧化，提高膜清洗效率和水处理效率并降低能耗。根据反应可逆电势差分析，如果酸性条件下在阴极发生氧还原反应可以节约0.67V的槽压；碱性条件可节约0.762V的槽压。由此可见，在阴极上发生氧还原反应可以提高电能的利用效率，减少能耗，提高反应速率。这是利用阴极的催化能力的一个巨大优势。

作为优化，壳体整体呈长筒形且竖向设置，进水口设置于壳体上端，出水口设置于壳体下端，位于进水口和出水口之间的壳体内腔中还具有水平设置且竖向间隔布置在上端和下端的两块布水板，上端的布水板和下端的布水板之间竖向固定设置有竖筒形且网格状的膜支撑架，阴极电催化膜固定设置在膜支撑架上，上端的布水板和下端的布水板上设置有过水孔，使得进水能够经过上端的布水板后再水平经过阴极电催化膜后再经过下端的布水板流出。

这样优化后，能够极大地提高阴极电催化膜的过滤面积，提高水处理过滤的能力和效率。

作为优化，上端的布水板上的过水孔位于膜支撑架上端部对应区域外部的位置，下端的布水板上的过水孔位于膜支撑架下上端部对应区域内的位置，氧化剂源入口设置于上端的布水板和下端的布水板之间的壳体上。

这样，更加方便氧化剂源的加入和电催化反应。

作为优化，壳体上端还向上设置有排气孔。这样方便氧化剂源在氧化反应后剩余的气体外排泄压。

作为优化，阳极电极层和阴极电催化膜呈套设的圆筒状且二者之间设置有绝缘材料制得的隔绝层，隔绝层呈网格状结构。这样，可以更好地保证阳极电极层和阴极电催化膜不会接触短路，保证电催化反应的顺畅进行。

作为优化，阴极电催化膜为石墨材料、活性碳材料、碳纤维材料、碳纳米管材料、石墨烯材料、炭气凝胶材料或金属材料制得的具有阴电极属性的过滤膜，其膜孔径为0.001 μm~10 mm。上述材料可以形成更好的阴极效果和过滤效果。

综上所述，本实用新型具有结构简单，成本低廉，能提高膜清洗效率和水处理效率，能耗较低等优点。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为图1的B-B剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。

具体实施时：如图1-3所示，一种用于水处理的电催化膜反应器，包括容器状的壳体1，壳体1上有进水口4和出水口5，壳体1内部设置有过滤膜，过滤膜将壳体进水口到出水口之间的流通路径隔开，其特点在于，过滤膜为阴极电催化膜9，壳体内还设置有和阴极电催化膜间隔设置的阳极电极层7，阳极电极层7为网状结构且和阴极电催化膜9距离处于二者之前能够产生电催化反应的有效距离范围内，阴极电催化膜9连接有至壳体外的阴极导线用于和电源负极相连，阳极电极层7连接有至壳体外的阳极导线用于和电源正极相连，壳体1上还设置有能够连通到阴极电催化膜的氧化剂源入口6。

本反应器使用时，可以通过氧化剂源入口添加氧化剂源如臭氧、过硫酸盐或高锰酸盐，通过电催化臭氧、过硫酸盐或高锰酸盐，在电解作用下分别产生羟基自由基、硫酸根自由基或三价锰离子，可降解绝大多数有机污染物，如：莠去津、MTBE等常规氧化方法难以氧化降解的有机物，可以用于污染膜的处理，即将膜孔中的有机污染物氧化去除，实现污染膜的清洗。同时，在水处理过程中，利用电催化可对水中部分污染物进行处理。膜通量逐渐恢复，并可有效避免膜的二次污染，并提高出水水质。同时，本申请的反应器中，采用了阴极作为催化膜和过滤膜的统一体，产生电催化反应时，阴极输出电子成为反应源在周围生成强氧化剂，能够更好地实现对作为阴极的电催化膜上的有机污染物的氧化，提高膜清洗效率和水处理效率并降低能耗。根据反应可逆电势差分析，如果酸性条件下在阴极发生氧还原反应可以节约0.67V的槽压；碱性条件可节约0.762V的槽压。由此可见，在阴极上发生氧还原反应可以提高电能的利用效率，减少能耗，提高反应速率。这是利用阴极的催化能力的一个巨大优势。

本实施方式中，壳体1整体呈长筒形且竖向设置，进水口设置于壳体上端，出水口设置于壳体下端，位于进水口和出水口之间的壳体内腔中还具有水平设置且竖向间隔布置在上端和下端的两块布水板2，上端的布水板和下端的布水板之间竖向固定设置有竖筒形且网格状的膜支撑架10，阴极电催化膜9固定设置在膜支撑架10上，上端的布水板和下端的布水板上设置有过水孔，使得进水能够经过上端的布水板后再水平经过阴极电催化膜后再经过下端的布水板流出。这样，能够极大地提高阴极电催化膜的过滤面积，提高水处理过滤的能力和效率。

其中，上端的布水板上的过水孔位于膜支撑架上端部对应区域外部的位置，下端的布水板上的过水孔位于膜支撑架下上端部对应区域内的位置，氧化剂源入口设置于上端的布水板和下端的布水板之间的壳体上。这样，更加方便氧化剂源的加入和电催化反应。

其中，壳体1上端还向上设置有排气孔3。这样方便氧化剂源在氧化反应后剩余的气体外排泄压。

其中，阳极电极层7和阴极电催化膜9呈套设的圆筒状且二者之间设置有绝缘材料制得的隔绝层8，隔绝层8呈网格状结构。这样，可以更好地保证阳极电极层和阴极电催化膜不会接触短路，保证电催化反应的顺畅进行。实施时，阴极电催化膜9优选设置于外层，可以更好地提高过滤面积，提高过滤效果，但如果将阴极电催化膜9设置于内层，也属于可实施的范围。

具体实施时，阴极电催化膜可以为石墨材料、活性碳材料、碳纤维材料、碳纳米管材料、石墨烯材料、炭气凝胶材料或金属材料制得的具有阴电极属性的过滤膜，其膜孔径为0.001 μm~10 mm。上述材料可以形成更好的阴极效果和过滤效果。其中所述的石墨电极可以为石墨丝电极、石墨毡电极、石墨海绵电极、石墨粒电极或多孔石墨电极；其中所述的活性碳电极为活性碳海绵电极、活性碳粒电极、活性碳管电极或多孔活性碳电极；所述的碳纤维电极为碳纤维丝电极、碳纤维毡电极、碳纤维布电极、碳纤维纸电极或碳纤维海绵电极；其中所述金属复合电极为金属、金属氧化物或金属氢氧化物一种或几种的复合材料，所述的金属为铂、钛、铜、镍、锌、铁、锰、铅、锡、钨或锑，所述的金属氧化物中金属为铂、钛、铜、镍、锌、铁、锰、铅、锡、钨或锑，所述的金属氢氧化物中金属为铂、钛、铜、镍、锌、铁、锰、铅、锡、钨或锑。

具体实施时，阳极电极层可以为具有阳电极属性的膜状或网状的石墨电极、金属电极或金属复合电极；其中所述的石墨电极为石墨丝电极、石墨毡电极、石墨棒电极、石墨板电极或石墨粒电极；其中所述的金属电极为铂电极、钛电极、铜电极、镍电极，且所述的金属电极为丝状、网状、棒状或板状电极；其中所述金属复合电极为金属、金属氧化物或金属氢氧化物一种或几种的复合材料，所述的金属为铂、钛、铜、镍、锌、铁、锰、铅、锡、钨或锑，所述的金属氧化物中金属为铂、钛、铜、镍、锌、铁、锰、铅、锡、钨或锑，所述的金属氢氧化物中金属为铂、钛、铜、镍、锌、铁、锰、铅、锡、钨或锑，且所述的金属复合电极中电极为石墨电极、铂电极、钛电极或锡电极。

实施时，隔绝层的绝缘材料可以为聚四氟乙烯、氧化铝、氧化锆或者氧化钛及其复合材料，提高绝缘效果和支撑效果。

实施时，具体清洗方法按以下两种方式完成的：方式一：在水处理过程中，通过阴极电催化膜的筛分和吸附作用截留过滤水中的污染物，待膜孔被污染物堵塞造成膜通量下降后，在反应器通入臭氧或臭氧饱和溶液，臭氧投加量为1 mg/L~1000 mg/L；或通入浓度为0.01 mmol/L~100 mmol/L的过硫酸盐或高锰酸盐溶液，开启连接阴阳电极层的直流电源，电压调至+5.0 V~-5.5 V，然后通过进水口往反应器中以0.01~2000 L/min的流量通入含有上述氧化剂的清洗溶液（流量取决于膜反应器的大小和水处理规模），清洗溶液电导率为100~800 μS/cm，膜清洗过程中反应器中的气体通过排气孔排出，清洗溶液流经带电的膜反应器，通过电催化作用产生氧化性极强的自由基或活性锰离子，在极短的时间内将堵塞膜孔的污染物彻底矿化为水、二氧化碳和无机盐，并携带膜孔中的氧化产物从出液管排出，即完成电催化膜对水的处理及膜的原位清洗过程；方式二：在阴极电催化膜过滤的同时，在过滤液中通入臭氧或臭氧饱和溶液，臭氧投加量为0.5 mg/L~500 mg/L；或通入浓度为0.01 mmol/L~100 mmol/L的过硫酸盐或高锰酸盐溶液，同时开启连接阴阳电极层的直流电源，电压调至+5.0V~-5.5V，溶液电导率控制在10~500μS/cm，在膜过滤的过程中，利用电催化氧化对水中部分污染物进行氧化降解，有效降低不可逆膜污染，提高出水水质。这样具有操作简便，能耗低，清洗效果好，效率高，不需要投加活化的化学药剂，可有效避免二次污染和污泥量大问题等优点，不需要后续的处理，可用于实际推广应用。

申请人采用下述实验验证本实用新型的效果：利用反应器对含有浓度100 ng/L的荞去津溶液进行截留过滤，接近饱和时，往反应器通入臭氧饱和溶液，臭氧投加量为2 mg/L，开启直流电源，电压调至+0. 4 V，处理15 min，膜清洗过程中可能产生或多余的气体通过排气孔排出，处理后的水通过出水口排出，即完成电催化膜反应器对水源的处理及无机活性炭膜的原位清洗再生。

实验的对比试验：在臭氧投加量调至2 mg/L下对含荞去津接近饱和的无机活性炭膜进行处理，处理15 min。

实验结果表明，经外加直流电源再生的无机活性炭膜中的荞去津的浓度为与单独臭氧处理的对照实验相比，外加直流电源的实验对荞去津的去除率提高了52.3%，大大提高了无机活性炭膜的再生率。此外，经膜的通透性实验得出相关参数表明，利用电催化膜反应器及清洗方法，膜通量的恢复率约为95%。因此，采用本发明提供的方法再生无机活性炭膜，能大大提高无机活性炭膜的再生率。