悬浮型光催化_膜分离反应器研究进展

5 其它光催化 膜分离反应器
A zrague 等[ 12] 设计一种光催化 渗析膜分离反 应器 ( M PR) , 所用膜由 2 种类型的模块组成, 分 别是由聚丙烯腈或聚砜制成的中空纤维和由赛璐玢 制成的平板框。MP R 不但可以过滤粒子, 还可以 不用跨 膜压 力就将 2, 4 二羟 基苯 甲酸 从污 水中 分离。
( 1) 大部分有机高分子聚合膜在光催化反应过 程中稳定性不高, 还不能满足长期 应用的工艺要 求, 因此一方面要通过优化工艺操作条件来降低对 反应对膜稳定性的不利影响, 另一方面, 更要研发 新的膜材料配方和制膜工艺来合成稳定性更好的高 分子有机聚合膜。
( 2) 在目前光催化 膜分离反应器设计中, 研 究者们对分离膜进行了优选, 确定了分离膜的类型 和孔径。但综合来看, 光催化 膜分离反应体系分 离膜的选择与光催化剂种类、光催化剂浓度、废水 处理目标, 以及分离工艺与光催化剂的结合形式等 条件有关。要实现对耦合分离膜类型和孔径的最佳
图 2 光催化 微滤膜分离反应器示意图 ( 1) F ig 2 photo cata lyt ic micro filt er membr ane separance r eact or ( 1)
图 3 光催化 微滤膜分离反应器示意图 ( 2) F ig 3 photo cata lyt ic micro filt er membr ane separance r eact or ( 2)
崔鹏等[ 10] 设 计 的光 催 化 微 滤膜 分 离反 应 器 ( 如图 2) , 由紫外灯、石英冷阱和陶瓷微滤膜组成, 冷阱与紫外灯置于膜管内, 膜的光反射作用使 T iO2 光催化剂更易吸收紫外光。甲基橙光催化反应结果 表明, 反应一个周期后甲基橙脱色率达到 10% , 高 于圆柱式 反 应器, 体 系 中 T iO2 微粉 的 截留 率 达 99 9% , 催化剂回收率高, 且渗透通量基本稳定。
张爱勇等[ 4] 分别采用悬浮型光催化反应器和悬 浮型光催化 纳滤膜分离反应器进行光催化降解 H 酸溶液试验。纳滤装置采用了聚酰胺复合纳滤膜, 该纳滤膜能抵抗长时间连续操作过程中光催化剂悬 浮体系对其所造成的冲蚀损害, 每次使用后纳滤分 离膜通过用水反冲洗的方式清洗, 直至其清水膜通 量恢复至初始值时止。反应 130 min 可使污染底物 彻底转化, 矿化效率达 70% 以上, 较悬浮型光催 化反应器矿化程度高, 且反应时间缩短了 20m in。
选择, 还要在大量试验基础上, 对有关理论问题进 一步明确、细化和完善, 建立起准确规范、可操作 性强的理论模型。
( 3) 目前, 可以通过一定工艺对纳米 T iO 2 进 行改性, 进而获得各种类型的具有更高催化效率的 光催化剂。但见诸报道的光膜耦合试验的都是选择 单一的纳米 T iO2 作为光催化剂, 且绝大部分均为 P25 型。因此, 在未来研究中, 对光催化剂进行筛 选和改性预处理也是悬浮型光催化反应器发展的重 要研究方向之一。
悬浮型光催化 膜分离反应器研究进展
张永涛1 , 闫 军1 , 杜仕国1 , 郭 毅1 , 崔海萍2*
( 1 军械工程学院 三系实验中心, 石家庄 050003, 2 军械工程学院 基础部理化教研室, 石家庄 050003)
摘 要: 悬浮型光催化反应体系因比表面积大 和传质快 等优点 而具有 较高光 催化效 率, 但催化 剂的分 离回
张爱勇等[ 5] 还以阿特拉津 ( atr azine) 模拟废 水为处理对象, 采用 3 种不同种类和性质的纳滤膜 ( T S- 60、UT C- 20、NT R- 7250) 与悬 浮型光 催化反应器进行耦合试验。结果表明, 由于对目标 污染底物及主要光催化降解中间产物出色的选择性 分离截留效果, 以 T S- 60 为分离膜的反应器处理 目标废水的效果最佳。
[ 5] 张爱勇, 肖羽堂, 吕晓龙, 等 耦合分 离膜对 悬浮 型光催 化纳滤膜 反应器耦合 工艺 特性 的影 响研 究[ J] 现 代化
工, 2007, 27( 8) : 38 44 [ 6] 薛向东, 金奇 庭, 王彩 虹 混凝与 超滤 法分离 水相 T iO2
光催化 超滤膜反应器能够较好实现光催化剂 的分离, 回收的光催化剂活性不受影响, 且反应中 不易在膜表面形成沉 积; 但缺点是 孔径较纳滤膜 大, 对降解反应中间产物的有效分离程度弱, 对光 催化活效率无显著提高。
图 1 光催化 超滤膜分 离反应器示意图 F ig1 pho tocatalytic uhraifltr ation separ ance r eacto r
收稿日期: 2009 09 24 基金项目: 国家自然科学基金项目( 50842054) , 军械工程学院基金项
目( YJ JX M 08008, Y JJX M 08023) 作者简介: 张永涛 ( 1978 - ) , 男, 军械工 程学院 在读硕 士。* 通讯
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催化 纳滤膜、超滤膜、微滤膜、渗析膜以及膜蒸 馏分离反应器。本文对近年来国内光催化 膜分离 反应器的结构、降解效果及作用特点进行了综述。
中图分类号: T Q 13
文献标识码: A
文章编号: 1009 5624 ( 2009) 06 0044 04
1 引言
纳米 T iO 2 光催化氧化技 术因其氧化能 力强、 无二次污染、耗能低、操作简单等优点在有机废水 处理领域倍受关注[ 1] 。结构简单、效率高、可长期 稳定运行的反应器的设计是该技术大规模工业应用 关键步 骤[ 2] 。在 悬 浮 型 光 催 化 反 应 器 中, 纳 米 T iO2 颗粒被直接加入待处理废水中, 分散均匀后, 催化剂表面积与反应器有效体积比很高, 且无传质 限制, 因而光催化降解效率极高[ 3] 。但出水分离效 果差、费用高且不能实现连续操作是悬浮型光催化 反应器最突出的技术缺陷。基于此, 一些研究者将 悬浮型光催化反应器与膜分离技术进行耦合, 设计 了光催化 膜分离一体反应器, 并进行了有机废水 处理试验, 依据分离单元选取膜的种类可划分为光
参考文献
[ 1] 刘冬妮, 陈健波, 郑铭 半 导体光催化氧化 技术的研究 进 展[ J] 江苏大学学报( 自然科学版) , 2003, 24( 3) : 40 44
[ 2] 蒲生彦, 王有乐, 高康宁, 李 勃 水处 理中光 催化 反应器 的研究进 展[ J] 环境研究与监测, 2007, 20( 9) : 7 10
2 光催化 纳滤膜分离反应器
纳滤膜孔径范围为 0 001~ 0 005 m, 具有膜 上多带电荷等结构特点, 适宜于分离相对分子质量 在 200~ 1000 之间、大小 约为 lnm 的 溶解 组分。 纳滤膜材料主要有醋酸纤维素 ( CA) 、醋酸纤维素 ―三醋酸 纤维素 ( CA - CT A) 、磺 化聚 砜 ( S PS) 等。
4 光催化 微滤膜分离反ห้องสมุดไป่ตู้器
微滤膜孔 径范围一般在 0 1~ 10 m, 通常由 特种纤维素酯或高分子聚合物及无机物材质制成。
姚平等[ 9] 用光催化 微滤膜分离反应器处理含 腐殖酸的合成污水, 采用间歇式操作, 4 h 时腐殖 酸的 UV254 和 T OC 去除效率分别为 99% 和 89% , 且操作全过程中无明显的膜污染。
光催化 纳滤膜分离反应器的分离单元具有纳 米孔径, 具有分离效果好、节约催化剂提高光催化 效率等优点; 但分离膜易造成污染沉积, 需增加冲 洗、曝气等工艺流程, 增加了工艺成本。
3 光催化 超滤膜分离反应器
超滤膜孔径范围为 0 001~ 0 1 m , 能截留相 对分子质量约 500 以上的高分子溶质。超滤膜材料 一般 包 括 二 醋 酸 纤 维 ( CA ) , 三 醋 酸 纤 维 ( CT A ) , 氰 乙 基 醋 酸 纤 维 ( CN - CA ) , 聚 砜 ( P S) 等。
金洛楠等[ 7] 设计的光 催化 超滤膜分离反应器 ( 如图 1) , 由光催化和分离两个单元组成, 其光催 化反应单元混合液出水被分为两部分: 一部分回流 到光催化反应单元中部, 可起到减轻石英套管表面 污染的作用, 保证紫外光的透过率; 另一部分混合 液被泵压至超滤膜分离单元。纳米 T iO2 浓缩液回 流到光催化反应单元, 出水从透过液出口流出。试 验结果表明, 连续光催化超滤反应器既可实现染料 废水的降解, 颗粒状纳米 T iO2 催化剂能够完全被 超滤膜分离, 而且不易在膜表面沉积, 能够有效地 减少凝胶层的形成和减轻膜的污染。
解立平等[ 11] 设计了一种光催化 超滤膜分离反 应器 ( 如图 3) 。反应器的膜组件系 PV DF 中空纤
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维膜, 反应器下部为光催化氧化区, 上部为膜分离 区, 出水口与膜组件相连, 被降解的废水在曝气气 流裹挟下形成上升水流, 进入膜分离区, 膜组件将 进入该区的光催化剂截留, 处理水由出水口排出。 膜组件底部曝气装置产生的曝气气流使膜丝抖动, 膜丝表面在气泡剪切力的作用下避免光催化剂、污 染物等的附着, 可有效减轻膜污染。
微滤膜较之纳滤、超滤膜的突出优点是有较高 孔隙率, 通量大、过滤效率高。崔鹏和解立平的一 体式光催化 微滤膜分离反应器既可实现对废水的 有效降解, 又能 够较好 地分离回 收光催化 剂, 同 时, 一体式的设计能够连续操作, 曝气等工艺可减 小膜污染, 具有较好的工业应用前景。
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6 结语
光催化 膜分离的反应体系不但可以对有机物 成功降解, 还可以彻底分离颗粒态光催化剂, 光催 化剂流失少, 且操作 简单, 易 于实现工 艺的模型 化; 同时, 分离膜还可对反应体系中的部分中间产 物和反应物进行选择性分离截留, 减少光催化剂投 加量, 缩短水力停留时间, 显著提高工艺经济性, 为大规模工业化应用奠定了基础。笔者认为光膜耦 合技术在有机废水处理领域工业应用前景可观, 未 来光催化 膜分离反应器的研究应着重突出以下三 个方面:
M ozia 等[ 13] 采用 光催化和 膜蒸馏联 合处理三 种偶氮染料水溶液, 有机物降解和分离同时同地进 行。处理 5 h 以后, 无论 T iO2 用量多少, 不影响 透过通量, 蒸馏液浊度类似于超纯水, T OC 浓度 不超过 1 2 m g C/ L 。由于膜蒸馏不会出现明显 的膜垢, 因此要优于其它加压膜分离 ( 如微滤、超 滤、纳滤等) 过程。