高压电离催化氧化耦合陶瓷膜净水装置的制作方法

本实用新型属于水处理领域，具体涉及高压电离催化氧化耦合陶瓷膜净水装置。

背景技术：

膜分离技术近年来逐渐成为水处理领域的研究热点，并在饮用水处理、生活污水处理及工业废水处理等领域得到了工业化和规模化应用。与常规水处理技术相比，膜分离技术能有效地截留水体中的颗粒物、胶体、大分子有机物和微生物等污染物，但在长期运行过程中出现的膜污染问题仍制约该技术的进一步推广应用。此外，对于水中的一些新兴的微量有机物，如内分泌干扰物(EDCs)、药品和个人护理用品(PPCPs)及持久性有机污染物(POPs)等，以超滤为核心的低压膜处理技术对其作用能力有限，而这些新兴的污染物大量存在于水体中对人们的身体健康造成了巨大的威胁。

目前，膜前预处理技术普遍应用于膜污染的缓解及出水水质的提升，主要预处理方式包括混凝、吸附和氧化等，但这些常用的预处理方式在实际应用时会存在一些问题。例如，常规混凝对引起膜污染的大分子有机污染物具有较好的去除效果，但对水体中广泛存在的微量有机物，如EDCs、PPCPs和POPs等去除能力有限；Shao等人(Journal of Membrane Science,2016,500:99-105)发现采用粉末活性炭作为超滤膜前处理时，发现粉末活性炭和腐殖酸之间会形成复合污染，从而加重了膜污染；Wei等人(Chemical Engineering Journal,2016,294:157-166)发现，臭氧氧化虽然能在一定程度上缓解藻类胞外有机物引起的膜污染，但由于臭氧氧化并不彻底，仅仅是将大分子有机物氧化成了小分子物质，很难达到有机物的完全矿化降解，这就使得出水中有机物含量显著增加，对出水水质带来了负面影响。为此，有必要研发一种新型的净水装置，既能大幅改善出水水质，又能有效缓解膜污染。

技术实现要素：

针对现有常规处理技术对难降解有机污染物去除效率不足，以及膜分离技术长期运行出现的膜污染问题，本实用新型提供高压电离催化氧化耦合陶瓷膜净水装置，利用高压电离把水和氧气电离后产生高浓度大产量的羟基自由基(^·OH)，充分发挥^·OH催化氧化与耐氧化能力较能的陶瓷膜之间的协同作用，在高效去除难降解污染物、保障出水水质的同时，有效缓解膜污染。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

高压电离催化氧化耦合陶瓷膜净水装置，包括^·OH产生装置、^·OH投加装置和陶瓷膜过滤装置，其特征在于：

所述^·OH产生装置，包括气体流量和压力控制阀、等离子体集成源、高频高压电源、文丘里气液混合器、^·OH浓度在线监测仪；O2和H2O通过管路与等离子体集成源入口端相连，在所连管路上与气体流量、压力控制阀连接，等离子体集成源与高频高压电源相连接，等离子体源出口端通过管路与文丘里气液混合器的气体入口端相连，在其连接管路上设置^·OH浓度在线监测仪，文丘里气液混合器出水端与高效负压射流器^·OH溶液入口端相连；

所述^·OH投加装置，包括高效负压射流器、^·OH浓度在线监测仪，用于高浓度^·OH溶液与处理水体的高效混合；文丘里气液混合器的气液出口端通过管路与高效负压射流器^·OH溶液入口端相连，高效负压射流器水体入口端与待处理水的出水管路相连，在高效负压射流器出水管道上连接^·OH浓度在线监测仪，高效负压射流器出水管道与陶瓷膜组件的进水口相连；

所述陶瓷膜过滤装置，包括陶瓷膜组件、压力传感器、进出水阀门、抽吸泵；陶瓷膜组件的进水口与高效负压射流器出水管道相连，所述管道上设有进水阀门，陶瓷膜组件出水口通过管道与抽吸泵进水口相连，管道上设有出水阀门、压力传感器，抽吸泵出水口与产水箱相连；

优选地，所述^·OH产生装置中加入的气体为O2或H2O；

优选地，所述^·OH投加装置中^·OH溶液与处理水量按照1：20～40比例充分混合，^·OH溶液与处理水体的高效混合时间为15-30s，氧化剂^·OH投加量为0.5-1.0mg/L；

优选地，所述陶瓷膜组件为平均膜孔径大小为50kDa、100kDa或150kDa的陶瓷超滤膜，或平均膜孔径大小为50nm、100nm或200nm的微滤陶瓷膜；陶瓷膜材质为氧化铝、氧化锆、氧化钛或几种材料之间的组合；陶瓷膜外观构型采用平板式、管式或中空纤维式。

本实用新型一种高压电离催化氧化耦合陶瓷膜净水装置的原理为：

(1)采用强电场电离放电方法，把利用高压电离把H2O和O2电离后产生高浓度大产量的高浓度^·OH，具体反应式如下：

O2+e→O2⁺+2e

O2⁺+H2O+M→O2⁺(H2O)+M

O2⁺(H2O)+H2O→H3O⁺+O2+^·OH

2H2O+e→H2O⁺+H2O*+2e

H2O*→^·H+^·OH

H2O⁺+H2O→H3O⁺+^·OH

H2O⁺→H⁺+^·OH

(2)利用^·OH的强氧化特性，可以将水体中存在的微量有机污染物直接矿化降解，或氧化成中间产物或部分降解，从而降低其生物毒性；同时，通过^·OH原位催化氧化降解引起陶瓷膜污染的大分子有机污染物，达到膜污染缓解的目的。

本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型通过高压电离H2O和O2产生大量高浓度·OH，具有极强的氧化能力，且^·OH氧化具有非选择性，氧化效率极高，能够对有机物进行彻底降解、矿化，同时达到出水水质提升及膜污染缓解的目的。

(2)本实用新型将高压电离催化氧化与陶瓷膜集成在一体化装置中，对膜污染物进行原位催化氧化降解，能够显著提升膜污染缓解效率，延长陶瓷膜运行周期，缩短水力反冲洗和化学清洗周期，提升装置运行效率。

(3)本实用新型净水过程中无药剂投加，^·OH催化氧化可以将有机污染物等最终降解为CO2、H2O和微量无毒害的无机盐，是环境友好型净水装置，不会对环境及人们的饮水健康造成危害。

(4)本实用新型研制的净水设备操作简单，运行成本低，占地面积小，能够高效、安全的矿化水中多种难降解有机污染物。

附图说明

图1为本实用新型高压电离催化氧化耦合陶瓷膜净水装置示意图。

附图标记说明：1等离子体集成源，2高频高压电源，3^·OH浓度在线监测仪，4文丘里气液混合器，5高效负压射流器，6^·OH浓度在线监测仪，7陶瓷膜组件，8压力传感器，9抽吸泵，10产水箱。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做具体描述。

高压电离催化氧化耦合陶瓷膜净水装置，包括^·OH产生装置、^·OH投加装置和陶瓷膜过滤装置；

所述^·OH产生装置，包括气体流量和压力控制阀、等离子体集成源1、高频高压电源2、文丘里气液混合器4、^·OH浓度在线监测仪3；O2和H2O通过管路与等离子体集成源入口端相连，在所连管路上与气体流量、压力控制阀连接，等离子体集成源与高频高压电源相连接，等离子体源出口端通过管路与文丘里气液混合器的气体入口端相连，在其连接管路上设置^·OH浓度在线监测仪，文丘里气液混合器出水端与高效负压射流器^·OH溶液入口端相连；由高频高压电源2对等离子体集成源1施加高频脉冲电压，产生非平衡等离子体，将O2和H2O电离后产生高浓度大产量的^·OH，利用^·OH浓度在线监测仪3对其浓度进行检测。进一步地，利用文丘里气液混合器4使气态^·OH与部分待处理水体充分混合，产生高浓度的^·OH溶液。

所述^·OH投加装置，包括高效负压射流器5、^·OH浓度在线监测仪6，用于高浓度^·OH溶液与处理水体的高效混合；文丘里气液混合器的气液出口端通过管路与高效负压射流器^·OH溶液入口端相连，高效负压射流器水体入口端与待处理水的出水管路相连，在高效负压射流器出水管道上连接^·OH浓度在线监测仪，高效负压射流器出水管道与陶瓷膜组件的进水口相连；利用高效负压射流器5与待处理原水按照1：20～40比例充分混合，^·OH溶液与处理水体的高效混合时间为15-30s，氧化剂^·OH投加量为0.5-1.0mg/L，进行催化氧化深度处理。

所述陶瓷膜过滤装置，包括陶瓷膜组件7、压力传感器8、进出水阀门、抽吸泵9；陶瓷膜组件的进水口与高效负压射流器出水管道相连，所述管道上设有进水阀门，陶瓷膜组件出水口通过管道与抽吸泵进水口相连，管道上设有出水阀门、压力传感器，抽吸泵出水口与产水箱10相连；陶瓷膜组件为平均膜孔径大小为50kDa、100kDa或150kDa的陶瓷超滤膜，或平均膜孔径大小为50nm、100nm或200nm的微滤陶瓷膜；陶瓷膜材质为氧化铝、氧化锆、氧化钛或几种材料之间的组合；陶瓷膜外观构型采用平板式、管式或中空纤维式。^·OH催化氧化能进一步对膜污染物进行原位降解，显著提升膜污染缓解效率，延长陶瓷膜运行周期，缩短水力反冲洗和化学清洗周期，提升装置运行效率。