基于光能的污水处理方法及装置与流程

本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及一种基于光能的污水处理方法及装置。

背景技术：

随着全球工业和人口的快速增长，大量污染物，如有机染料，表面活性剂，重金属离子，油和其他有机溶剂被释放到河流和湖泊中，造成严重的健康威胁水污染问题。这种有机分子染料，如亚甲基蓝(meb)，碱性融合蛋白(bf)，甲基橙(mo)等，已广泛用于印刷，纺织，造纸和皮革工业。含有的染料分子因为其复杂的芳环结构和异质结构，具有化学稳定性，很高的毒性，因此这些工业废水在被释放到天然水体之前必须仔细处理。在废水处理技术中，光催化降解，膜过滤，吸收法已广泛用于去除这些有机染料。

尽管在染料废水处理方面取得了一定的进展，但仍有许多问题需要解决。例如，光催化是处理废水的常用方法，其中有机染料在暴露于可见光或紫外光照射时会降解。然而，这个过程并没有真正降低水中有机碳的含量，在水中留下有机残留物，尽管染料废水的颜色在视觉上变化或消失。在分离染料分子时膜过滤的方法也存在很大局限，其孔隙很容易被染料分子阻挡。最常用的清洁过滤膜的途径是用强氧化剂进行化学冲洗，不过这会导致膜腐蚀，破坏膜的润湿性并缩短膜寿命。除此之外，物理吸附用的吸附剂主要依赖于吸附剂和染料分子之间的非共价相互作用力(π-π，氢键相互作用，静电相互作用和酸碱相互作用)，这就要求在染料分子和吸附剂上存在特定官能团，因此极大的限制了吸附材料和分离染料的选择。另外，暴露在吸附剂上的特定官能团的数量限制了吸附能力，导致吸附高浓度的染料废水的失效。因此，开发用于染料废水的可再生的高效纯化方法已经成为世界范围的挑战。

技术实现要素：

本发明提供一种污水处理方法及装置。本发明研究发现，通过将碳纳米管沉积到多孔材料上制成的蒸汽发生器在光能例如太阳能的作用下能够有效地实现污水尤其是染料污水的高效清洁分离，且该蒸汽发生器具有优异的分离稳定性能和良好的可再生性能，可以通过煅烧的方式重新利用因为染料分子而堵塞的太阳能蒸汽发生器，不会造成二次污染。

具体而言，本发明提供一种污水处理用蒸汽发生器，其包括：

多孔材料，用于吸附及传输待处理污水；

光热转换层，用于将光能转换为热能并使待处理污水中的水分子转换为气态；其中，所述光热转换层位于所述多孔材料的表面。

进一步地，所述光热转换层位于所述多孔材料的至少一个面或多个面。当该蒸汽发生器被光源照射时，至少被所光源照射的部分设有光热转换层。

在本发明一些实施例中，所述光热转换层位于所述多孔材料的全部表面。

通常情况下，能被光源照射到的该光热转换层的范围(例如面积)越大，也会有更多的光能转换为热能，有利于提升污水分离速度。

进一步地，所述多孔材料为多孔超亲水陶瓷，可市售购得。多孔超亲水陶瓷内部含有丰富大量的通孔，这些通孔给了水分传输的路径，实现水分由下至上传输。另外该陶瓷的超亲水性能，能够使得陶瓷能够有效的吸收(染料)废水，并且为陶瓷表面(例如顶部)的光热转换层源源不断地提供水分的重要基础。

在本发明一些实施方式中，所述多孔材料的尺寸为2.5cm×2.5cm×4cm。

进一步地，本发明所述光热转换层为碳纳米管；可市售购得。

碳纳米管是一种优异的光热转换材料，具有良好的光热吸收性能，能够有效的吸收太阳光或其他光源，可以在较宽波长内实现较高的光吸收率。因此使用这种光热转换层可以更多的吸收太阳光或其他光源，实现更高的光热转化效率。

在本发明一些实施方式中，使用石墨化羧基多壁碳纳米管。

在本发明一些实施方式中，所使用的碳纳米管直径为30-50nm，长10μm左右。

进一步地，所述光热转换层的厚度为20-200mm，优选为40-60mm。在该条件下既可以实现对多孔材料全面的覆盖，保证光热转换效果，又可以实现成本的节约。

特别地，本发明通过以多孔超亲水陶瓷为多孔材料，以碳纳米管(尤其是石墨化羧基多壁碳纳米管)作为光热转换材料，充分地保证了光热的高效转换和水分的快速运输，最大程度地实现水汽蒸腾和水分运输地动态平衡。

本发明提供的污水处理用蒸汽发生器，其可采用如下方法进行制备：

将光热转换层材料(例如碳纳米管粉末)均匀分散在水中制成光热转换层溶液(例如碳纳米管溶液)；为更好地使其分散均匀，可采用超声处理，例如超声30分钟作用。

将所述光热转换层溶液(例如碳纳米管溶液)涂覆于多孔材料表面，或将多孔材料浸泡于所述光热转换层溶液(例如碳纳米管溶液)中，干燥，使所述光热转换层(例如碳纳米管)沉积于所述多孔材料表面上，即可得到具有双层结构的污水处理用蒸汽发生器。

通常，提供控制所述光热转换层溶液(例如碳纳米管溶液)的浓度、涂覆或浸泡时间可以制备不同厚度的光热转换层。

本发明提供的污水处理用蒸汽发生器，其使用方法及净化原理概述如下：

将该污水处理用蒸汽发生器置于待处理的污水(例如染料污水)中，在该蒸汽发生器的顶部用光源照射；污水可以沿着该蒸汽发生器中多孔材料的开放的微孔从该蒸汽发生器的底部输送到顶部。由于多孔材料的吸附作用，较少部分的杂质或污染物(例如染料分子)被拦截在所述多孔材料(例如多孔超亲水陶瓷)的内部的传输路径中，而大多数未被拦截的杂质或污染物(例如染料分子)可沿水流路径到达该蒸汽发生器的顶部；该蒸汽发生器的光热转换层将光能转换为热能，从而将达到顶部的污水加热使其蒸发到周围环境中。由于水与其中的杂质或污染物(例如染料分子)的蒸发温度差别很大，当液态水被加热变成气态水时，其中的杂质或污染物(例如染料分子)不会蒸发并沉积在该蒸汽发生器的表面上，从而实现水与其中的杂质或污染物(例如染料分子)的分离；然后可以通过冷凝水蒸气的方式获得纯净水。该蒸汽发生器的结构如图1所示。

本发明提供的污水处理用蒸汽发生器优选采用太阳为光源，可以采用其他光源。

本发明提供的污水处理用蒸汽发生器另一显著的优点是其可以方便地被再生。例如可以通过煅烧的方法使经使用后多孔材料被水中的杂质或污染物(例如染料分子)堵塞的蒸汽发生器恢复基本上与之前相同的处理性能。该再生方法的优点是不会造成二次污染。

为方便用于污水处理及收集，本发明还提供一种污水处理装置，其包括：上述污水处理用蒸汽发生器；还包括蒸汽冷凝器，或者进一步还包括净水收集器。

进一步地，本发明所述污水处理装置，还包括用于盛装待处理污水的设备。

其中，所述蒸汽冷凝器、净水收集器和用于盛装待处理污水的设备可选用本领域常规设备。

进一步地，本发明还提供上述污水处理用蒸汽发生器或污水处理装置在污水处理中的应用。

具体地，本发明还提供一种污水处理方法，包括：

将上述污水处理用蒸汽发生器与待处理的污水接触，使该蒸汽发生器的光热转换层能够被光源直接照射；

使所述污水处理用蒸汽发生器的光热转换层获得光能，并将光能转换为热能从而将待处理污水中的水分子转换为气态。

具体地说，上述污水处理方法，蒸汽发生器要与污水接触，但至少应该有一个光热转换层表面不与污水接触，这个光热转换层表面用来涂敷光热转换层并且接受光源照射，并且产生的蒸汽也从这个表面逸出。

进一步地，上述污水处理方法，还包括将转换为气态的水分子进行冷凝以使其转换为液态水分子的步骤；或者进一步还包括将转换为液态的水分子(即净化水)进行收集的步骤。

实验证明，本发明污水处理用蒸汽发生器适用于处理有机污染物、重金属污染物、工业废水污染物、染料污染物等类型的污水，尤其是染料类型的污水。这些染料包括罗丹明b，甲基橙，甲基蓝，刚果红等。

通常，对于污水中污染物(例如染料)的浓度为0.002-2mg/ml时，本发明污水处理用蒸汽发生器仍能保持80％以上的污水分离率。可见，其对于污水中污染物的浓度耐受度较高。

本发明中，所述污水分离率是指分离前后染料污水中染料分子的浓度变化，其计算公式如下：

污水分离效率＝(分离前染料分子浓度-分离后染料分子浓度)/分离前染料污水浓度)×100

实验证明，本发明污水处理用蒸汽发生器可以在光照强度1个太阳数到5个太阳数条件下获得较好的污水分离率；通常可达98％以上。

实验证明，本发明污水处理用蒸汽发生器具有良好的酸碱稳定性。当待处理的污水ph从0变为14时，染料分子的高分离效率(>98％)几乎不受影响。这表明酸和碱不会破坏蒸汽发生装置的形态，并且不会影响分离染料的效率。

实验证明，本发明污水处理用蒸汽发生器还具有良好的耐用性，在长达200小时的处理时间内其分离效率几乎可以保持随着时间的推移不变。

本发明通过简单快速地在多孔材料表面沉积了一层具有良好吸光性能的碳纳米管，制成了太阳能蒸汽发生器用来污水净化，其制备方法所需设备少，操作简单。利用本发明蒸汽发生器进行染料污水净化，在不同的净化条件下都能实现高效率的分离净化，效率稳定。另外，本发明净化器可通过煅烧重复使用。本发明为污水处理尤其是含有可溶性污染物的污水处理净化提供了新的思路，有利于促进促进废水净化技术的进一步发展。

附图说明

图1表示本发明污水处理用蒸汽发生器结构示意图。

图2-图5分别表示对于不同浓度染料污水、不同太阳光照强度、不同ph值染料污水、以及不同的工作时长的净化效果。

图6表示在煅烧被污染的蒸汽发生器后净化染料污水效果。

图7为煅烧前后蒸发器的光学图和清水洗涤前后蒸发器的光学图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。

以下所用多孔材料为多孔超亲水陶瓷，购自萍乡市恒昌化工新材料有限公司。使用前将其裁割成尺寸为2.5cm×2.5cm×4cm左右的小块，然后将放入自来水中煮30分钟后捞出，用蒸馏水流动冲洗10分钟，确保去除陶瓷上附着的泥土灰尘。

将清洗后的亲水多孔陶瓷放在电子显微镜下观察发现，该陶瓷表面与截面都显示孔径为10～25μm的不规则多孔结构，能够为水分的运输提供路径。

所述光热转换层为石墨化羧基多壁碳纳米管，直径30-50nm，长10μm左右，购自南京先丰纳米有限公司。

实施例1污水处理用蒸汽发生器及其制备

将石墨化羧基多壁碳纳米管粉末溶于水中，超声30分钟，制成浓度为2mg/ml的均匀分散的碳纳米管溶液；然后涂覆于多孔材料表面，干燥，使碳纳米管沉积于所述多孔材料表面上形成光热转换层，即可得到具有双层结构的污水处理用蒸汽发生器。其结构示意图如图1所示。

经检测，本实施例制得的污水处理用蒸汽发生器，其光热转换层的厚度为50um左右。

实验例

取实施例1制备的污水处理用蒸汽发生器，污水杯；置于装有染料污水的污水杯中，将该蒸汽发生器与污水杯口的孔隙用泡沫填满并用封口膜密封。将装有蒸汽发生器的污水杯置于光源下，使光源发射的光线垂直照射于蒸汽发生器的顶部，组成污水蒸汽发生器置。以太阳光模拟器为光源，进行如下实验。

以下所用染料污水为罗丹明b染料污水。

1)净化不同的浓度的染料污水

使用该蒸汽发生器在三个太阳数照射下净化不同浓度的染料污水溶液，即使污水中水溶性染料浓度分别为0.002、0.02、0.2、2mg/ml，该蒸汽发生器的染料污水分离率仍保持在80％以上，表明该蒸汽发生装置不受浓度变化的不利影响，且对于2mg/ml的超高浓度染料废水仍然有很高的分离净化效率。结果见图2。

2)在不同太阳光照强度下净化染料污水

将该蒸汽发生器置于不同强度的太阳光下，净化浓度为0.2mg/ml的染料废水，结果发现，在光照强度为1,2,3,4,5个太阳数的条件下分离效率全部在98％以上。结果见图3。

3)净化不同的ph值下的染料污水

将该蒸汽发生器浸入不同ph的溶液中48小时，然后取出进行染料分离试验。浸入后的测量分离效率如附图所示。当溶液的ph从0变为14时，染料分子的高分离效率(>98％)几乎不受影响。这表明酸和碱不会破坏蒸汽发生器的形态，并且不会影响分离染料的效率。结果见图4，表明该蒸汽发生器还表现出良好的酸碱稳定性。

4)在不同的工作时长下净化染料污水

使用该蒸汽发生器进行长时间的染料分离试验，使蒸汽发生装置在三个太阳强度的照射下连续蒸发浓度为0.2mg/ml的染料废水达200小时。结果如图5所示，收集蒸发时间分别为0,40,80,120,160,200小时的纯化的产物，经过净化产物的定量分析，六次分离效率分别为99.4％，99.5％，99.7％，99.3％，99.6％和99.6％，表明染料蒸汽发生装置的分离效率几乎可以保持随着时间的推移不变。

5)在煅烧被污染的太阳能蒸汽发生器后净化染料污水

该蒸汽发生器显示出优异的再生性能，并且此发明还首次讨论了通过煅烧再生蒸汽发生器的方法。当蒸汽发生器在三个太阳照强度照射下连续分离浓度为0.2mg/ml的染料废水200小时时，从图6可以看出蒸发速率将从3.0逐渐降低到约1.8。此时，我们将蒸发速率降低30％的蒸汽发生装置放入马弗炉中，并在800°下煅烧6小时。煅烧后的光学照片显示染料累积的多孔亲水陶瓷能够有效的被清洁，这是因为蒸汽发生器上的碳纳米管和染料分子被燃烧成二氧化碳和水分，而陶瓷由于其耐高温而被保存。同时，我们还比较了传统的再生方法：用水清洁染料污染的陶瓷，图7中的图片显示用一升流水冲洗一次，两次，三次，五次，十次和十五次的陶瓷照片。可以看出，污染陶瓷的颜色可以通过清洗有效地稀释，但是在洗涤五次后效果大大降低。而且糟糕的是，用于清洁受污染陶瓷的水变成红色，导致严重的二次污染，结果如图7所示。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。