一種集去除重金屬和有機汙染於一體的多功能水處理裝置的製作方法

2023-05-29 17:34:46

專利名稱：一種集去除重金屬和有機汙染於一體的多功能水處理裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種新型多功能水處理裝置，該裝置既可以去除水中重金屬類汙染物，又可以去除水中有機汙染物。本實用新型的裝置可廣泛用於飲用水的深度處理和高純水的製備，同時也可推廣應用到同時含重金屬和有毒有害高濃度難降解有機汙染物的複雜水質廢水的處理。
背景技術：
隨著我國經濟和社會的快速發展，大量未經處理的工業廢水和生活汙水直接排入水體，致使城市飲用水源受到多種汙染物不同程度的汙染。飲用水常規處理工藝只對水中懸浮物、膠體顆粒有較好的去除效果，對難以生物降解的溶解性有毒有害有機物和重金屬
的去除並不理想。而水體中以汞、鎘、鉛、鉻等為代表的重金屬類汙染物，一旦進入生物體和人體健康產生危害，如水俁病、骨痛病等，且這些危害又普遍具有劇毒性、持久性、積累與放大性等特點。這對人們的健康構成了很大的潛在威脅。二氧化鈦(TiO2)光催化技術由於具有反應條件溫和、操作簡便、選擇性小、無毒等突出優點，尤其對於一些難以生物降解的有毒有害有機化合物具有極強的氧化破壞能力，同時還對細菌、病毒具有殺滅效果，因而備受關注，是一種具有良好應用前景的飲用水深度處理新技術。但是，迄今為止，光催化技術在推廣應用方面仍沒有取得實質性進展。其中一個重要原因是，在液相光催化反應中容易出現催化劑活性下降。國內外學者針對催化劑失活機理做了很多的研究工作，結果表明，光催化劑的失活，除由反應副產物或中間產物在催化劑表面的吸附或者累積引起外，更重要的是由水體中的無機離子，尤其是Fe2+、Mn2+、Cu2 +、Ni2 +、Cr3 +、Co2 +等重金屬離子導致的。為了延長催化劑的使用壽命，研究中多通過設立獨立的預處理工藝加以解決。如Crittenden等在太陽能降解BTEX的研究中，設立了包括過濾、氧化、離子交換的水質預處理單元，該預處理方法取得了較好效果，但是需要設置單獨的預處理設施，增加成本與運行費用，不利於技術的商業化推廣。也有單純通過錳砂濾柱來對自來水進行預處理以去除其中的Fe2+、Mn2+，該方法對催化劑活性起到很好保護作用，但是對水中其他重金屬離子去除則效果很差。目前對於水中重金屬離子的去除工藝與方法主要有化學沉澱法和離子交換法，前者需要向水中投加化學試劑，容易引入新的汙染物，且該方法需要沉澱分離工序，不適於飲用水的深度處理。離子交換法對水中重金屬離子去除效果較好，但工藝複雜，需要設置單獨的預處理設施，增加成本與運行費用。
發明內容技術問題本實用新型的目的是設計一種既可以去除水中重金屬類汙染物，又可以去除水中有機汙染物、細菌及病毒等的多功能飲用水深度處理裝置。該裝置具有結構簡單、建造和運行成本低、反應速率高、操作方便、運行穩定等優點，可廣泛用於飲用水的深度處理和高純水的製備。技術方案為了達到上述目的，本實用新型的多功能水處理裝置由流量計、多功能反應器組件、清水儲存箱、循環泵順序串聯連接構成，其特徵在於所述的多功能反應器組件由短波紫外燈、石英套管、多功能水處理構件、反應器筒體和反應器蓋板組成；在反應器筒體的中心設有短波紫外燈，在短波紫外燈外是石英套管，在反應器筒體與石英套管之間是TiO2催化劑，在TiO2催化劑的上端與下端之間設有孔道，在TiO2催化劑的上端和下端分別設有矽膠密封圈將內圈的孔道與外圈的孔道隔開，進水口設在反應器筒體的下部，出水口設在反應器筒體的上部。多功能水處理構件為圓柱筒狀，其主體部分設有奇數層孔道，筒體內壁附著有一層銳鈦礦型TiO2催化膜。反應器蓋板與石英套管之間的固定，通過螺紋蓋板的內螺紋、反應器蓋板上的外螺紋和矽膠密封0型圈加以固定和密封，拆裝方面，操作簡單。多功能水處理構件的載體材料為通過添加黏合劑燒結而成的圓柱筒形凹凸棒土材料，圓柱筒體中心內壁為通過溶膠-凝膠法負載的納米TiO2催化劑；圓柱筒體內為奇數個呈同心圓排列的孔道。多功能水處理構件筒體中心設置石英套管，套管內裝有作為光源的短波冷陰極低壓汞燈。反應器筒體為不鏽鋼，或者聚四氟乙烯，或聚乙烯，或ABS，或PVC-U等耐氧化類塑料製成。反應器筒體和蓋板之間通過螺母螺栓+矽膠密封墊圈加以密封。反應器筒體和石英套管之間通過螺紋+矽膠密封0型圈加以密封。多功能水處理構件筒體和反應器筒體呈同心圓安裝，水流在反應器的流向通過多層矽膠密封圈加以控制。受重金屬和有毒有害有機物汙染的待處理水，首先流經凹凸棒土載體材料以吸附去除水中重金屬，隨後流經TiO2催化膜時，在短波紫外輻射的作用下，水中的有機汙染物被氧化分解。同時還具有去除水中細菌和病毒作用。有益效果I.可以同時去除水中多種不同種類汙染物。構成本實用新型的多功能水處理構件主體為凹凸棒土，凹凸棒土材料對水中多種重金屬具有良好的吸附去除作用。在紫外光的作用下TiO2催化劑表面發生光催化反應對水中的有機汙染具有良好去除作用。此外，短波紫外光還對水中細菌、病毒具有良好的直接殺滅效果。因而本實用新型適應於多種不同水質的微汙染水的處理。2.本實用新型在實現對水中重金屬去除的同時，還可以有效屏蔽因水中Fe2+、Mn2 +、Cu2 +、Ni2+、Cr3+、Co2 +等重金屬離子導致的TiO2催化劑的活性下降，從而延長催化劑的使用壽命。3.本實用新型的光反應器內裝填的特製多功能水處理構件上TiO2催化劑為固定膜型，克服了使用懸浮性催化劑反應器所存在的催化劑分離、回收困難的固有缺點。4.本實用新型的光反應器內裝填的特製多功能水處理構件材料主要成分為燒結成型的凹凸棒土，克服了沉澱法去除重金屬時需要向水中投加化學試劑，容易引入新的汙染物的缺點，且不需要沉澱分離工序。5.本實用新型集對重金屬吸附去除工藝與對有機物的光催化工藝於一體，因而結構簡單，且不需要預處理工藝。可以直接利用管網末端水壓，進行一過式運行，降低了動力費用；也可以採取泵循環方式的間歇運行方式。還可根據處理水量、水質要求靈活選擇反應器單元組件採用串連或並聯連接方式，裝置規模放大不影響基本設計參數。

圖I為本實用新型的多功能水處理裝置工藝示意圖，圖2為本實用新型的裝置側視示意圖，圖3為本實用新型的裝置俯視示意圖，圖4為圖3中A-A剖面示意圖，圖5為圖2中B-B和C-C剖面示意圖，圖6為石英套管固定和密封示意圖，圖7為反應器蓋板和螺紋蓋板聯接示意圖。附圖中的標號說明如下I-清水儲存箱，2-多功能反應器組件，3-流量計，4-循環泵，5-短波紫外燈，6_石英套管，7-多功能水處理構件，8-反應器筒體，9-Ti02催化劑，10-孔道，11-反應器蓋板，12-螺母，13-螺栓，14-金屬墊片，15-矽膠密封墊圈，16-螺紋蓋板，17-矽膠密封0型圈，18-矽膠密封圈，19-進水口，20-出水口。
具體實施方式
請參閱附圖1-7。本實用新型包括清水儲存箱I、多功能反應器組件2、流量計3、循環泵4。多功能反應器組件的核心由短波紫外燈5、石英套管6、多功能水處理構件7、反應器筒體8與密封部件組成。多功能水處理構件7的載體材料為通過添加黏合劑燒結而成的圓柱筒形凹凸棒土材料，圓柱筒體中心內壁為通過溶膠-凝膠法負載的納米TiO2催化劑9 ;圓柱筒體內為奇數層個孔道10，孔道10呈同心圓排列的。多功能水處理構件7的筒體中心設置石英套管6，石英套管6對254nm短波紫外光的透射率在90%以上，套管內裝有作為光源的短波紫外燈5。反應器筒體8為不鏽鋼，或者聚四氟乙烯，或聚乙烯，或ABS，或PVC-U等耐氧化類塑料製成。反應器筒體8和反應器蓋板11之間通過螺母12、螺栓13、金屬墊片14和矽膠密封墊圈15加以密封。反應器蓋板11與石英套管6之間的固定，通過螺紋蓋板16的內螺紋、反應器蓋板11上的外螺紋和矽膠密封0型圈17加以固定和密封。多功能水處理構件7筒體和反應器筒體8呈同心圓安裝。反應器筒體8上設有進水口 19，反應器蓋板11上設有出水口 20。多功能水處理構件7筒體上部和下部的矽膠密封圈18布置位置直徑各自不同。上部矽膠密封圈18分別布置於自外向內第I層和第2層孔道之間，第3和第4層孔道之間……，及最內層內側；下部矽膠密封圈18分別布置於自外向內第I層孔道外側，第2層和第3層孔道之間，第4和第5層孔道之間……。本實用新型適用於多種TiO2固定膜。除採用鈦酸丁酯、乙醇、蒸餾水和硝酸配製的溶膠-凝膠液和浸潤提拉法進行鍍膜，重複塗覆、焙燒過程，直接在凹凸棒土材料上製得的TiO2固定膜外，還適用於將TiO2固定膜固定於其他非金屬礦物材料的多功能催化劑。裝置工作原理請參閱圖I和圖4。待處理水進入多功能反應器組件2後，水流在反應器內流向通過多層矽膠密封圈18加以控制。進水首先自下而上從多功能水處理構件7筒體和反應器筒體8空隙中流至頂部，然後在矽膠密封圈18的導流作用下，經過多功能水處理構件7內最外層孔道自上而下流過。如此上下往複流過，通過多功能水處理構件7載體材料的吸附作用去除水中的重金屬汙染物。當待處理水流至多功能水處理構件7筒體和石英套管6之間空隙時，在短波紫外燈5的照射下發生光催化反應去除水中有機汙染，並可以直接殺滅水中細菌、病毒。處理後水流至清水儲存箱I。該裝置運行方式靈活，操控簡單。可採用一過式連續流運行，來自城市自來水管網的待處理水在管網餘壓的作用下流過多功能反應器組件2得到淨化。可通過調整閥門開啟程度進行流量控制而實現對停留時間的控制。也可以採取間歇運行方式，一定量的待處理水在循環泵4的作用下，在多功能反應器組件2和清水儲存箱I之間往復循環以吸附去除 重金屬，待重金屬去除後，再打開紫外燈5進行光催化作用以去除有機汙染物。如果水樣中汙染物濃度較高且處理規模大，多功能反應器組件2還可採取若干組串聯或並聯方式。另外，還可根據水樣的汙染物濃度和處理規模大小，選擇是否添加O2或H2O2或O3等助氧化劑等。
權利要求1.一種多功能水處理裝置，由流量計(3)、多功能反應器組件(2)、清水儲存箱(I)、循環泵(4)順序串聯連接構成，其特徵在於所述的多功能反應器組件(2)由短波紫外燈(5)、石英套管(6)、多功能水處理構件(7)、反應器筒體(8)和反應器蓋板(11)組成；在反應器筒體(8)的中心設有短波紫外燈(5)，在短波紫外燈(5)外是石英套管(6)，在反應器筒體(8)與石英套管(6)之間是TiO2催化劑(9)，在TiO2催化劑(9)的上端與下端之間設有孔道(10)，在TiO2催化劑(9)的上端和下端分別設有矽膠密封圈(18)將內圈的孔道(10)與外圈的孔道(10)隔開，進水口(19)設在反應器筒體(8)的下部，出水口(20)設在反應器筒體(8)的上部。
2.根據權利要求I所述的一種多功能水處理裝置，其特徵在於多功能水處理構件(7)為圓柱筒狀，其主體部分設有奇數層呈同心圓排列的孔道(10)，筒體內壁附著有一層銳鈦礦型TiO2催化膜。
3.根據權利要求I所述的一種多功能水處理裝置，其特徵在於反應器蓋板(11)與石英套管(6)之間的固定，通過螺紋蓋板(16)的內螺紋、反應器蓋板(11)上的外螺紋和矽膠密封0型圈(17)加以固定和密封，拆裝方面，操作簡單。
專利摘要一種集去除重金屬和有機汙染於一體的多功能水處理裝置，由清水儲存箱(1)、多功能反應器組件(2)、流量計(3)、循環泵泵(4)組成。多功能反應器組件(2)由短波紫外燈(5)，石英套管(6)，多功能水處理構件(7)、反應器筒體(8)和反應器蓋板(11)等密封部件組成。多功能水處理構件(7)為圓柱筒狀，其主體為添加黏合劑燒結而成的凹凸棒土材料，主體部分設有奇數層孔道(10)，筒體內壁附著有一層採用溶膠-凝膠法製備而成的銳鈦礦型TiO2催化膜(9)。通過矽膠密封圈(18)控制作用實現水流在反應器內的上下往復運動。水流呈紊動狀態，但水力停留時間很長。有利於重金屬的徹底吸附，及光催化反應時水中有機物向催化劑表面的傳質擴散。
文檔編號C02F1/72GK202542910SQ20112055425
公開日2012年11月21日 申請日期2011年12月27日 優先權日2011年12月27日
發明者林少華 申請人:南京林業大學