一种高通量去除水中有机污染物的限域式膜反应装置

本技术属于高级氧化水处理，涉及一种高通量去除水中有机污染物的限域式膜反应装置。

背景技术：

1、非均相催化氧化反应利用过渡金属催化剂(如铁、钴等)直接活化前驱体分子(如过氧化氢、过硫酸根)快速产出强氧化性的羟基自由基(·oh)，在深度处理有机废水、城市中水回用、饮用水净化等方面具有重要的应用价值。

2、由于·oh在水中的化学极不稳定性(寿命不到10微秒)，限制了其与有机污染物的接触反应，使得传统的填床式的催化反应器中绝大部分的反应空间实质上是无效的。我们前期利用自主开发的荧光成像探测技术，也揭示了只有当控制有机物分子与催化剂表面的距离小于25纳米时，才能真正使自由基发挥最大的水处理效果，详见“zhang,s.；sun,m.；hedtke,t.；deshmukh,a.；zhou,x.c.；weon,s.；elimelech,m.；kim,j.h.,mechanism ofheterogeneous fenton reaction kinetics enhancement under nanoscale spatialconfinement.environmental science&technology 2020,54,(17),10868-10875.”。基于此问题，我们在本实用新型设计中，用负载催化剂的膜骨架替代了传统的催化剂填床，形成了一套基于膜催化的跨介质水处理装置，可确保相应的催化氧化反应在纳米尺度下进行，达到自由基的最大化利用。

3、另一方面，非均相催化体系在处理复合污染水质的情形下会面临颗粒物以及大分子的背景有机物堵塞催化剂以及膜孔道等问题。针对此问题，我们一改传统的死端过滤模式，在反应器的侧面增设了旁路循环结构，这样能够在保证系统维持一定的跨膜水动力的前提下，增加膜表面的流体扰动强度，避免水中的杂质因重力沉积作用而阻塞催化剂或者膜孔道，从而大幅提升整个水处理过程的运转周期。

4、因此，本实用新型的新型膜反应装置，同时具备了跨介质分离和限域催化氧化功能，能够快速、有效地氧化分解复杂水相中的多种小分子有机污染物，还能够在常规的超滤膜通量条件下矿化去除总有机碳。

技术实现思路

1、本实用新型要解决的技术问题，一方面通过将纳米催化剂负载在无机膜骨架上作为催化介质，替代了传统的催化剂颗粒填床，从而强化了水处理的效果，提升了水处理的通量；另一方面，通过设计旁路循环结构，在跨介质膜分离的同时，保证了膜前端的水力充分扰动，有效避免了膜表面的沉积或膜孔道堵塞等问题，延长了材料和反应器的使用周期。

2、本实用新型的技术方案：

3、一种高通量去除水中有机污染物的限域式膜反应装置，其外部结构主要由上下两部分组成，上半部分的空腔横向截面为等直径圆，下半部分的空腔横向截面为由等直径圆过渡到变直径圆，变直径圆对应位置的纵截面为倒三角形，二者围成膜反应装置的空腔；上半部分的顶部开有进水口1，侧壁面开有旁路循环出水口2，底部内壁面开有用于安装弹性密封胶圈3的卡槽；下半部分在等直径位置处安装有不锈钢支撑槽5，不锈钢支撑槽5内安装有膜材料4；下半部分的底部设有出水口6；利用弹性密封胶圈3实现对膜材料4压紧和密封，通过密封螺丝提供挤压力，将上下两部分紧密连结，防止漏水。

4、进一步，进水口1直径是旁路循环出水口2直径的2倍。

5、进一步，控制上半部分内部的高径比h：l介于0.5-1之间，实现了在水处理过程中膜表面的错流效果，从而有效的避免了膜孔被一些较大的物质因重力作用而吸附堵塞，因此，水中的胶体、颗粒、大分子有机物等会被膜截留下来，而只有含小分子有机物的水会通过膜的孔道，被内部的类芬顿反应而彻底氧化去除掉。

6、进一步，控制下半部分的变直径位置处的倒三角形底角为45°，保证出水能够通过重力作用而迅速被收集，避免有机残留物黏附在反应器内而结成垢。

7、进一步，膜材料4由两部分组成，一部分是外部的无机膜骨架，另一部分是在膜孔道内部固定且随机生长的纳米催化剂颗粒。

8、本实用新型的有益效果：

9、(1)此膜反应装置对去除复合水质情况下的有机污染物具有独特的强化效果，通过跨介质分离结合膜内部空间限域下的高级氧化过程，能够深度氧化乃至矿化去除多种有机污染物；

10、(2)此膜反应装置有效的避免了传统工艺中膜易堵塞、结垢等问题，通过旁路循环增强流体扰动以及膜表面的自氧化清洁过程，大幅延长了水处理的运行周期，并强化了水处理的效果。

技术特征：

1.一种高通量去除水中有机污染物的限域式膜反应装置，其特征在于，该限域式膜反应装置外部结构主要由上下两部分组成，上半部分的空腔横向截面为等直径圆，下半部分的空腔横向截面为由等直径圆过渡到变直径圆，变直径圆对应位置的纵截面为倒三角形，二者围成膜反应装置的空腔；上半部分的顶部开有进水口(1)，侧壁面开有旁路循环出水口(2)，底部内壁面开有用于安装弹性密封胶圈(3)的卡槽；下半部分在等直径位置处安装有不锈钢支撑槽(5)，不锈钢支撑槽(5)内安装有膜材料(4)；下半部分的底部设有出水口(6)；利用弹性密封胶圈(3)实现对膜材料(4)压紧和密封，通过密封螺丝提供挤压力，将上下两部分紧密连结，防止漏水。

2.根据权利要求1所述的限域式膜反应装置，其特征在于，进水口(1)直径是旁路循环出水口(2)直径的2倍。

3.根据权利要求1所述的限域式膜反应装置，其特征在于，控制上半部分内部的高径比h：l介于0.5-1之间。

4.根据权利要求1所述的限域式膜反应装置，其特征在于，控制下半部分的变直径位置处的倒三角形底角为45°。

5.根据权利要求1所述的限域式膜反应装置，其特征在于，膜材料(4)由两部分组成，一部分是外部的无机膜骨架，另一部分是在膜孔道内部固定且随机生长的纳米催化剂颗粒。

技术总结
本技术属于高级氧化水处理技术领域，提供了一种高通量去除水中有机污染物的限域式膜反应装置，其外部结构主要由上下两部分组成，上半部分的空腔横向截面为等直径圆，下半部分的空腔横向截面为由等直径圆过渡到变直径圆，变直径圆对应位置的纵截面为倒三角形，二者围成膜反应装置的空腔。此膜反应装置对去除复合水质情况下的有机污染物具有独特的强化效果，通过跨介质分离结合膜内部空间限域下的高级氧化过程，能够深度氧化乃至矿化去除多种有机污染物；此膜反应装置有效的避免了传统工艺中膜易堵塞、结垢等问题，通过旁路循环增强流体扰动以及膜表面的自氧化清洁过程，大幅延长了水处理的运行周期，并强化了水处理的效果。

技术研发人员：张硕
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：20221111
技术公布日：2024/1/13