一种基于微波光催化‑陶瓷膜耦合的净水方法与流程

本发明涉及水处理领域，且特别涉及一种基于微波光催化-陶瓷膜耦合的净水方法。

背景技术：

随着工农业的迅速发展，印染、造纸、焦化、塑料、合成纤维等行业产生了越来越多难降解的有机物，造成了严重的环境污染问题。这类污染物包括有机染料、表面活性剂、抗生素等，其具有毒性大、成分复杂、化学耗氧量高，降解难度高的特点。

光催化技术是处理难降解有机废水的研究热点之一。在紫外光或太阳光的照射下，半导体催化剂能够产生空穴，空穴和水分子作用，产生强氧化性的羟基自由基，有效氧化废水中的各类有机物。发明人研究发现，光催化技术的处理效率始终难以达到实际应用的水平。这是由于以宽带隙半导体材料作为光催化剂，需要吸收较大的能量才能激发价带的电子跃迁，因而在传统光催化中量子效率并不高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于微波光催化-陶瓷膜耦合的净水方法，此方法利用微波光催化和纳滤陶瓷膜耦合技术，通过微波场、紫外光和催化剂协同降解反应，并结合纳滤陶瓷膜的分离效应，达到良好的水净化效果。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出一种基于微波光催化-陶瓷膜耦合的净水方法，包括如下步骤：

s1：使废水在储水箱和微波光催化陶瓷膜反应器间循环流动；

s2：s1中的废水在微波光催化陶瓷膜反应器中进行微波场、紫外光和催化剂协同降解反应，且同时进行陶瓷膜分离过程；

s3：s2中的废水部分透过陶瓷膜完成净化，剩余的废水从微波光催化陶瓷膜反应器流出后进入储水箱。

微波光催化陶瓷膜反应器包括陶瓷膜管、无极紫外灯和光催化剂，无极紫外灯设于陶瓷膜管的通道内，陶瓷膜管的内表面涂覆有光催化剂。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，陶瓷膜管为单通道陶瓷膜，无极紫外灯大致位于陶瓷膜管的轴心位置。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，无机紫外灯不设电极，依靠微波激发

进一步地，在本发明较佳的实施例中，光催化剂选自tio2、zno、zro2中的一种。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，s2中步骤中，在循环泵的作用下，废水在陶瓷膜的表面进行错流过滤。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，s2步骤中，无极紫外灯直接与废水接触。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，废水在微波光催化陶瓷膜反应器中的流动速度为4～15l/min。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，微波光催化陶瓷膜反应器置于微波仪的谐振腔内，微波仪为微波光催化陶瓷膜反应器提供微波场。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，废水净化过程中，微波的输出功率为400～500w。

本发明实施例的基于微波光催化-陶瓷膜耦合的净水方法的有益效果是：

本发明的基于微波光催化-陶瓷膜耦合的净水方法同时对废水就进行微波光催化和膜分离处理，多种降解手段协同增效，达到极佳的处理效率。并通过废水循环系统使废水在微波光催化陶瓷膜反应器中不断循环，达到良好的净化效果。

该净水方法不仅能发挥微波光催化光量子效率高、催化效果好的优势，又能充分利用陶瓷膜的截留和过滤性能，促进污染物的截留、降解，进一步提升出水水质。上述净水方法对于废水中难降解有机污染物的去除尤其有效，在自来水厂、污水厂、水产养殖、家禽养殖、医院和药厂等领域均有较好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例的微波光催化-陶瓷膜耦合净水装置的结构示意图；

图2为图1中的废水反应室的俯视图。

附图标记汇总如下：100-微波光催化-陶瓷膜耦合净水装置；10-废水循环系统；11-储水箱；12-循环泵；13-出水管路；14-进水管路；15-阀门；20-微波仪；21-磁控管；30-废水反应室；31-进水口；32-排水口；33-布流板；34-通孔；35-盖板；36-出水口；37-法兰；40-微波光催化陶瓷膜反应器；41-陶瓷膜管；42-无极紫外灯；43-光催化剂。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的微波光催化-陶瓷膜耦合净水装置进行具体说明。

参照图1和图2所示，本发明实施例提供一种微波光催化-陶瓷膜耦合净水装置100，包括：废水循环系统10、微波仪20、废水反应室30和微波光催化陶瓷膜反应器40。

废水循环系统10包括储水箱11、循环泵12、出水管路13和进水管路14，用于形成废水的循环回路。循环泵12设置在进水管路14或出水管路13的上，用于为废水循环流动提供动力。在出水管路13上设有阀门15。当阀门15打开后，储水箱11中的废水在循环泵12的作用下流经出水管路13，然后进入微波光催化陶瓷膜反应器40中。从微波光催化陶瓷膜反应器40中出来的废水再进入进水管路14中，回到储水箱11中，进行循环流动。

使废水形成循环，废水进行动态过滤过程，能够加快污染物的降解速率，且循环过程能够使废水进行多次降解过程，保证良好的水净化效果。

微波仪20为微波发生装置，用于为反应体系提供微波。具体地，微波仪20内设有磁控管21，使得微波仪20的腔室成为微波的谐振腔。微波的频率大约在300mhz-300ghz，具有电磁波的性质。施加微波辐照，一方面是用于点亮无极紫外灯42，无需增设另外的电源装置，保证紫外光源稳定输出。另一方面，在微波光催化陶瓷膜反应器40中形成微波场，加强对废水的降解效果。

废水反应室30装设在微波仪20的腔室内，用于盛装废水，形成水净化反应的容器。在本发明的实施例中，废水反应室30为透明容器，便于观测水净化过程，有效监控反应过程。进一步优选地，废水反应室30为有机玻璃反应室。有机玻璃是透明材料中质地最优异、价格最适宜的材料，其无毒环保，具有良好的化学稳定性和耐候性，能够充分满足水净化的需求。

废水反应室30具有进水口31和排水口32，进水口31用于使废水进入到废水反应室30中，排水口32用于将净化完成的水排出。优选地，将排水口32设置在废水反应室30的侧壁，便于废水净化完成后能够及时排出。进水口31设置在废水反应室30的底部，在循环泵12的作用下进入废水反应室30内。更进一步地，废水反应室30整体呈圆筒状，能够充分有效利用空间。

微波光催化陶瓷膜反应器40装设于废水反应室30中，包括陶瓷膜管41、无极紫外灯42和光催化剂43。无极紫外灯42装设在陶瓷膜管41的通道内，陶瓷膜管41的内表面涂覆有光催化剂43。

以无极紫外灯42作为微波光催化陶瓷膜反应器40的光源。在本发明的实施例中，无极紫外灯42不设金属电极，无需通过电激发，而是由微波激发。与传统紫外灯相比，微波无极紫外灯发光管小型化、光强大、光效高、寿命长、制作成本低，而且设计自由度大，所需更换维修次数极少，适用于维修困难场合。此外，无极紫外灯42直接通过微波激发，简化了结构、降低生产成本，使装置的安全性能得到提高。特别是，微波无极紫外灯在紫外光区的辐射效率很高，明显优于普通的有电极低压汞灯。微波激发下无极紫外灯能发射出主发射波长在uv-c波段和vuv波段的紫外光。短波长的紫外光辐射具有更高的能量，能够直接破坏污染物分子结构，有效去除污染物。优选地，在本实施例中，无极紫外灯42中主要填充低压汞蒸气。

同时，由微波激发的无极紫外灯42直接设置在陶瓷膜管41的通道内。相比于现有技术中，需要在紫外灯外设置石英套管，本发明实施例中的设置使得在水净化过程中，无极紫外灯42直接浸没在废水中，促进废水对紫外光的吸收。此外，陶瓷膜管41内的废水形成无极紫外灯42的降温装置，有效保证装置的使用寿命。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，无极紫外灯42具有超出废水反应室30的延伸部。进一步地，延伸部的长度为3～5cm。延伸部不与液体相接触，保证无极紫外灯42接受充分的微波辐照，能稳定点亮。同时，避免由废水和无极紫外灯42竞争吸收微波导致灯无法点亮或导致紫外灯亮度低的现象发生。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，陶瓷膜管41中的陶瓷膜为纳滤陶瓷膜，孔径小于或等于2nm。陶瓷膜可以有效对对废水进行膜分离，在外力的作用下，大部分的杂质被陶瓷膜截留。且纳滤级的陶瓷膜能够截留小分子量的有机物和盐类，同时还具有良好的除菌作用。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，陶瓷膜管41为单通道陶瓷膜管，陶瓷膜管41的内径优选为1～8cm，进一步优选为2～6cm。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，无极紫外灯42大致位于陶瓷膜管41的轴心位置。无极紫外灯42的表面距离陶瓷膜管41内壁的径向距离为1～3cm。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，光催化剂43的材料选自tio2、zno、cds、zro2、掺杂tio2的无机光催化材料中的一种或多种。进一步地，光催化剂43涂覆于陶瓷膜管41的整个内表面。选用上述的光催化剂43，能够达到更好的催化效果。特别是，tio2、zno、cds、zro2为纳米级的光催化剂，涂覆于陶瓷膜管41的内表面，除了发挥光催化剂43本身的光催化功能外，还使得陶瓷膜管41的内表面形成一层纳滤膜，使得陶瓷膜管41达到纳滤级别，从而有效地对废水进行净化。

将无极紫外灯42设置在陶瓷膜管41的轴心位置，光催化剂43涂覆在陶瓷膜管41的内表面。保证陶瓷膜管41内的废水和光催化剂43能够充分接受无极紫外灯42的辐射。光催化剂43所在的位置均能够受到紫外光的辐照，紫外辐照效率高，光催化反应效率高。

发明人研究发现，陶瓷膜管41和无极紫外灯42的距离会明显影响光催化反应效率。两者距离过近，则使得进入微波光催化陶瓷膜反应器40中的废水量过少，水净化成本高。两者距离过远，则会极大降低废水和光催化剂43的紫外辐照效率，影响水净化效率。当无极紫外灯42的表面距离陶瓷膜管41内壁的径向距离为1～3cm时，保证微波紫外光高效穿透废水，且对光催化剂43形成良好辐射，水净化效率达到最佳。

光催化剂43能够和微波发生协同增效的效应，在微波场的作用下，光催化剂43产生更多的缺陷。由于陷阱效应，缺陷将成为电子或空穴的捕获中心，减低电子与空穴的复合率。同时，微波能够促进光催化剂43表面·oh的生成，提高光催化效率。微波场对光催化剂43具有极化作用，能有效增强光催化剂43表面的光吸收。此外，微波场中水分子间的氢键被打断，抑制废水在光催化剂43表面的吸附，提高光催化剂43的活性。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，微波光催化陶瓷膜反应器40竖向设置在废水反应室30中，废水在循环泵12的作用下，从废水反应室30底部的进水口31进入陶瓷膜管41的通道中，废水在该通道中做循环运动，因此，废水在陶瓷膜管41的内表面形成错流过滤。

错流过滤的过程中，一部分废水以切线通过的方式滤出，另一部分废水在陶瓷膜管41的通道内形成湍流，不断冲洗陶瓷膜管41的内表面，将少量附着在膜上的固形物带走，有效防止陶瓷膜的堵塞，保证膜分离过程的顺利进行。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，废水反应室30内设置有5～9个微波光催化陶瓷膜反应器40，进一步优选为7个。更为优选地，相邻两个微波光催化陶瓷膜反应器40的间距相等。相邻两个微波光催化陶瓷膜反应器40的间距优选为2～5cm。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，废水反应室30靠近底部的位置设有布流板33。微波光催化陶瓷膜反应器40设置在布流板33上，布流板33对微波光催化陶瓷膜反应器40形成支撑作用，且布流板33成为微波光催化陶瓷膜反应器40的进水端。布流板33上开设有使废水进入陶瓷膜管41内的通孔34。

布流板33只在陶瓷膜管41的底部开设通孔34，可以使废水进入微波光催化陶瓷膜反应器40。布流板33其他地方为封闭结构。在该结构下，废水反应室30形成3个区域，位于废水反应室30底部的废水进入区i、位于微波光催化陶瓷膜反应器40内的废水反应区ii、位于微波光催化陶瓷膜反应器40外周的净化水容置区iii。废水进入区i只与废水反应区ii相连通，废水反应区ii的废水透过陶瓷膜管41进入净化水容置区iii。废水进入区i和净化水容置区iii彼此隔离。保证透过陶瓷膜管41完成净化的水与进入废水反应室30的废水不发生混合。

进一步地，通孔34为多个，只开设在陶瓷膜管41的底部。通孔34的孔径为0.5～1cm。废水经过通过进水口31进入废水反应室30，并通过只在陶瓷膜管42底部开设的通孔34进入每个微波光催化陶瓷膜反应器40中。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，废水反应室30的顶部设有盖板35，盖板35为微波光催化陶瓷膜反应器40的出水端。盖板35上开设有使废水流出陶瓷膜管41的出水口36。出水口36与微波光催化陶瓷膜反应器40的位置和个数相互对应。多个微波光催化陶瓷膜反应器40的存在，使得盖板35上形成分散性的出水口36。每个出水口36均连接至出水管路13，废水从微波光催化陶瓷膜反应器40顶端的出水口36进入出水管路13，回到储水箱11中，然后进入下一个循环。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，盖板35和废水反应室30可拆卸连接。在本实施例中，盖板35和废水反应室30通过法兰37连接。可以理解的是，在本发明的其他实施例中，可拆卸连接方式也可是卡扣连接、铰接等，但不局限于此。

盖板35和废水反应室30可拆卸连接，便于装置的拆卸清洗和检查维护，使用方便，维护成本低。

进一步地，盖板35、陶瓷膜管41以及废水反应室30的壁接触处均采用橡胶圈进行密封。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，根据废水的降解难度控制阀门15，调节废水在微波光催化陶瓷膜反应器40中的停留时间，达到较佳的处理效果。当废水浓度小于0.4g/l时，废水的流速为12～15l/min；当废水浓度大于或等于0.4g/l、小于0.8g/l时，废水的流速为8～12l/min；当废水浓度大于或等于0.8g/l时，废水的流速为4～8l/min。

采用上述的微波光催化-陶瓷膜耦合净水装置100进行水净化的反应流程为：

将一定量的废水储水箱11中，开启阀门15和循环泵12，废水依次通过进水管路14、废水反应室30的进水口31和布流板33进入陶瓷膜管41的通道中。待废水通过一个循环再次汇入储水箱11中时，开启微波仪20，待无极紫外灯42稳定点亮后开始计算反应时间。待处理的废水在每根陶瓷膜管41中垂直向上流动，部分反应液透过陶瓷膜管41进入废水反应室30中，并通过废水反应室30的排水口32排出。剩余废水继续沿陶瓷膜管41的管壁向上通过分散出水口36排出，通过出水管路13再次汇入储水箱11中，进行循环流动。

综上，采用微波光催化-陶瓷膜耦合净水装置100进行水净化，将陶瓷膜管41设置成单通道形式，陶瓷膜管41的通道内容置有无极紫外灯42，并在陶瓷膜管41的内表面涂覆光催化剂层。每根陶瓷膜管41形成独立的微波光催化陶瓷膜反应器40，集光效果更好，光催化剂能接受更充分的紫外光照射，光催化效果得到显著提高。且在微波光催化器40内形成紫外内辐射的模式，光催化剂43能接受更为充分的紫外光照射，光催化效率高。

微波和紫外具有协同效应，能够加快反应过程中羟基自由基的形成，提高光催化剂的表面活性。微波和紫外能够同时作用于反应物，加剧反应物分子运动，降低反应活化能，加快反应速度。微波还能够诱导废水催化氧化反应，具有氧化快速、不带入新的污染物，省时节能，简化操作程序的优点。

微波场、紫外光、催化剂以及膜分离技术协同作用，解决传统光催化剂量子效率不高的问题，促进光催化剂的紫外光吸收和反应体系中·oh的生产，缩短反应时间，提高污染物降解效果。废水经过微波场、紫外辐射、光催化、纳滤陶瓷膜分离，且不断进行循环降解，达到良好的水净化效果。

本发明实施例还提供一种基于微波光催化-陶瓷膜耦合的净水方法，包括如下步骤：

s1：使废水在储水箱11和微波光催化陶瓷膜反应器40间循环流动；

s2：s1中的废水在微波光催化陶瓷膜反应器40中进行微波场、紫外光和催化剂协同降解反应，且同时进行陶瓷膜分离过程；

s3：s2中的废水部分透过陶瓷膜完成净化，剩余的废水从微波光催化陶瓷膜反应器40流出后进入储水箱11。

具体地，采用上述的微波光催化-陶瓷膜耦合净水装置100实现上述净水方法。废水通过废水循环系统10在储水箱11和微波光催化陶瓷膜反应器40间循环流动。废水通过布流板33进入微波光催化陶瓷膜反应器40。废水在微波光催化陶瓷膜反应器40中进行微波场、紫外光和催化剂协同降解反应，且同时进行陶瓷膜分离过程。废水部分经过陶瓷膜分离完成净化从排出口32排出，剩余的废水从分散式出水口36流出后进入储水箱11。

进一步地，废水净化过程中，微波的输出功率为300～700w。更进一步地，微波的输出功率为400～500w。在该输出功率下，一方面能够保证无极紫外灯42的稳定点亮，达到良好的水净化效果，且该功率下能够保证良好去除率的效果下，避免浪费过多能耗。

废水净化过程中，随着微波功率的升高，紫外光强随之升高，在上述微波功率下，能够保证足够的紫外光强下，能够达到较佳的水净化效果。

试验例

以初始浓度为500μg/l的磺胺甲基异恶唑溶液作为反应液，模拟水净化过程。采用微波、紫外辐照和光催化剂协同降解时，微波功率为400w时，紫外光强240μw/cm²，反应140s，磺胺甲基异恶唑的去除率可以达到96.7％。而只采用紫外光辐照，不在反应装置施加微波场，同样条件下磺胺甲基异恶唑的去除率是75.24％。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。