申请日2014.05.22
公开(公告)日2015.07.01
IPC分类号C02F9/02
摘要
一种吸附分离低浓度金属离子和小分子污染物的水处理装置，包括中空纤维膜组件、动力泵、超声波分散器和污染物浓度在线监测仪等组件，装置分为污染物吸附系统和污染物脱附系统，其中污染物吸附系统由待处理液循环回路和吸附液循环回路组成，污染物脱附系统由待脱附吸附液循环回路和脱附液循环回路组成。本发明操作简单、运行成本低廉、处理效率高、吸附/脱附连续化、一体化，避免了吸附剂分离困难造成的二次污染。
权利要求书
1.一种吸附分离低浓度金属离子和有机小分子污染物的水处理装置，其特征是包括污染物吸附系统和污染物脱附系统;
所述的污染物吸附系统由待处理污水 循环回路和吸附剂分散液循环回路组成;
所述的待处理污水循环回路由作为主体的第一中空纤维膜组件(D1)，第一动力泵(M1)，第一三通(T1)和第二三通(T2)，第一污染物浓度在线监测仪(C1)以及连接管道构成;所述的处理污水循环回路中第一三通(T1)的三个接口分别与D1的第一接口(1)，连接M1的管道和待处污水储罐(A1)连接，第二三通(T2)的三个接口分别与第一中空纤维膜组件(D1)的第四接口(4)，连接第一动力泵(M1)的管道和净化液储罐(A4)连接，第一阀门(K1)和第二阀门(K2)分别位于在待处污水储罐(A1)与第一三通(T1)之间和净化液储罐(A4)与第二三通(T2)之间的管道上，第一污染物浓度在线监测仪(C1)位于第一动力泵(M1)与第二三通(T2)之间的管道上;
所述的吸附剂分散液循环回路由作为主体的第一中空纤维膜组件(D1)，第二动力泵(M2)，第三三通(T3)和第四三通(T4)，第一超声波分散器(B1)以及连接管道构成;所述的吸附剂分散循环回路中第三三通(T3)的三个接口分别与第一中空纤维膜组件(D1)的第二接口(2)，第四三通(T4)的一个接口和吸附剂分散液储罐(A2)连接，第四三通(T4)的三个接口分别与第一中空纤维膜组件(D1)的第三接口(3)、第三三通(T3)和第六三通(T6)的一个接口连接，第三阀门(K3)、第五阀门(K5)和第七阀门(K7)分别位于在吸附剂分散液储罐(A2)与第三三通(T3)、第三三通(T3)3与第四三通(T4)和第四三通(T4)与第六三通(T6)之间的管道上，第一超声波分散器(B1)位于第一中空纤维膜组件(D1)下接口与第四三通(T4)之间的管道上;
所述的污染物脱附系统由待脱附吸附剂分散液循环回路和脱附液循环回路组成;
所述的待脱附吸附剂分散液循环回路由作为主体的第二中空纤维膜组件(D2)，第三动力泵(M3)，第五三通(T5)和第六三通(T6)，超声波分散器(B2)以及连接管道构成;所述的脱附液循环回路中第五三通(T5)的三个接口分别与第二中空纤维膜组件(D2)的第六接口(6)，第六三通(T6)的一个接口与吸附剂分散液储罐(A2)连接;第六三通(T6)的三个接口分别与第二中空纤维膜组件(D2)的第七接口(7)以及第四三通(T4)和第五三通(T5)的一个接口连接，第四阀门(K4)和第六阀门(K6)分别位于吸附剂分散液储罐(A2)与第五三通(T5)，第五三通(T5)与第六三通(T6)管道之间，超声波分散器(B2)位于第二中空纤维膜组件(D2)的第七接口(7)与第六三通(T6)之间;
所述的脱附液循环回路由作为主体的第二中空纤维膜组件(D2)，第四动力泵(M4)，第七三通(T7)和第八三通(T8)，第二污染物浓度在线监测仪(C2) 以及连接管道构成;所述的脱附液循环第七三通(T7)的三个接口分别与第二中空纤维膜组件(D2)的第五接口(5)，与连接第四动力泵(M4)的管道和脱附液储罐(A3)连接，第八三通(T8)的中三个接口分别与第二中空纤维膜组件(D2)的第八接口(8)，连接第四动力泵(M4)的管道和富集液储罐(A5)连接，第八阀门(K8)和第九阀门(K9) 分别位于脱附液储罐(A3)与第七三通(T7)，富集液储罐(A5)与第八三通(T8)管道之间，第二污染物浓度在线监测仪(C2)位于第四动力泵(M4)与第八三通(T8)之间。
2.根据权利要求1所述的吸附分离低浓度金属离子和有机小分子污染物的水处理装置，其特征是所述的中空纤维膜上微孔的孔径大小应满足待处理污水中的金属离子和有机小分子能自由穿过中空纤维膜，而吸附剂不能穿过中空纤维膜。
3.根据权利要求1所述的吸附分离低浓度金属离子和有机小分子污染物的水处理装置，其特征是所述的动力泵为普通动力泵。
说明书
一种吸附分离低浓度金属离子和有机小分子污染物的水处理装置
技术领域
本发明属于水处理技术领域，涉及水处理装置。
背景技术
随着全球工业化发展，产生了大量含有低浓度度金属离子和有机小分子的污水，如果这些污水未经处理或没有处理达标就进入河流湖泊，由于金属离子和有机小分子大都对生物具有毒性，将严重影响生态环境和人们的身体健康。目前我国每年都有数以万计的人身受这些金属离子和有机小分子的毒害，对人们的身体健康带来了巨大的威胁。但是这些金属离子和有机小分子在水体中的浓度一般都很低，对生态短期危害不明显，长期危害却是巨大的。但是处理低浓度的金属离子和有机小分子的污水方法存在高成本和二次污染等问题。因此，充分利用新材料、开发出高效绿色的，无二次污染的吸附分离技术工艺及配套专业设备来解决水体中金属离子和有机小分子对人们身体健康和生态环境的危害难题都是当前国际社会面临的极其重要且刻不容缓的课题。
现有分离低浓度金属离子和有机小分子的方法有沉淀法、萃取法、离子交换树脂法[H Ozaki, K Sharmab, W Saktaywirf, Desalination,2002,144: 287-294]、膜分离法[WSW Ngah, LC Teonga, MAKM Hanafiah, Carbohydr. Polym., 2011,83:1446–1456]、吸附法[M. Dakiky, M. Khamis, A. Manassra,M. Mer,eb, Adv. Environ. Res. 2002, 6:533-540]等。最为简单的是沉淀法，通常是用石灰中和使溶液呈碱性，使金属离子析出氢氧化物沉淀而与大量的水分离。该法简单，但由于水量大，需要用酸反调pH到中性才能排放，并且不能分离小分子。萃取法富集尽管效率高，富集倍数大，但相比太小，萃取剂溶解损失大，成本高和二次污染大等问题还没有彻底解决。离子交换法是以离子交换树脂过滤原水，水中的离子会与固定在树脂上的离子交换实现离子的分离，该法虽然具有工艺简单、设备封闭、吸附效率高、脱附再生容易、操作方便、易于实现工业化和自动化等特点，以及一般不用易燃、易爆、有毒有害的有机物，废水产量少，易于处理，具有较好的社会环境效益，但离子交换剂价格较昂贵，无法有效的去除大部分的有机物或微生物，使用过程中易被污染。膜分离法是目前运用的最广泛的低浓度粒子分离的方法，主要有反渗透膜分离法[H Ozaki, K Sharma, W Saktaywin, Desalination, 2002,144:287-294]，超滤[D. Abdessemed ,G. Nezzal, R. Ben Aim, Desalination, 2000,131:307-317]和纳滤膜分离法[C. Tang, V. Chen, Desalination, 2002, 143: 11-20]，该法是在一定的压力下，当原液流过膜表面时，膜表面密布的许多细小的微孔只允许水及有机小分子物质通过而成为透过液，而原液中体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的进液侧，成为浓缩液，实现对原液的分离和浓缩目的的一种分离方法。反渗透膜分离法是一种在在处理溶液一边加上比自然渗透压更高的压力，扭转自然渗透方向，把浓溶液中的水压到半透膜的另一边实现水的净化的方法，具有无相态变化、常温操作、设备简单、操作方便、分离效果好、能量消耗少、自动化程度高等优点，并且可实现废水处理与回收金属的双重目的，但是所选用的选择性半透膜必须满足高选择性和高渗透性，操作压力必须高于溶液的渗透压，使得反渗透膜分离法需要高要求的膜和高压设备，并且出水量低，造成设备投资大，运行费用高。反渗透膜分离法分离的是有机小分子和离子，需要快速高效的预先出去除处理液中的分离大分子溶质。设备系统能耗低，生产周期短，设备运行费用低，膜孔径在膜的平均孔径为10-100埃，用于分离大分子溶质的超滤的出现，为反渗透提供了一种为反渗透可靠的预处理方法，但是该法只能去除一些大分子溶质。反渗透膜分离法只能制备超纯水，水质超好，但是分离膜和压力要求高，出量少，质量高;超滤不能截留离子或者有机小分子，只能去除大分子;单独使用超滤处理废水不能达标，要是增加反渗透处理，水质远远高于环保标准，成本过于高昂。运行压力低，膜通量高，对膜压力要求低，装置运行费用低，在分离全部大分子的同时还可以分离部分离子或者有机小分子的纳滤膜分离法应运而生，很好的解决了使用反渗透和超滤处理废水存在的为题。但纳滤是一种膜分离技术，必然存在膜分离技术存在的需要高压设备和价格昂贵的半透膜，且需定期对膜进行清洗，造成设备投资大，运行费用高等问题，限制了其运用。
吸附法是在液-固两相界面上，吸附质与固体吸附剂颗粒间的亲和力引起吸附沉淀后过滤吸附剂得到净化水的一种简单快速成熟的水处理方法。目前吸附法处理废水一般是直接将吸附剂投入到废水中搅拌静置过滤，具有耗能低、操作简单、效果显著、选择性高等优点，但是吸附剂的不完全分离会造成二次污染，限制其发展。使用一般的大颗粒吸附剂时，虽然固液分离简单，但是吸附效果不好，处理水质很难达标。使用亚微米或者纳米颗粒吸附剂时，虽然具有吸附容量大，吸附速率高等优点，但是因为吸附剂颗粒小，固液分离困难，会产生二次污染，处理水质依然很难达标。大颗粒吸附效果好的吸附剂，虽然可以克服吸附法普遍存在的问题，但是这种吸附剂如高效活性炭[K. Pyrzynska, M. Bystrzejewski, Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects,2010, 362 :102–109]存在两个致命的弱点：一是价格昂贵，二是饱和再生后，吸附性能会大幅降低，需频繁更换。如果能够找到高效、环保、价廉的吸附剂和避免吸附剂的二次污染，解决了当前吸附分离法亟待解决的关键问题，吸附法是分离、富集低浓度的金属离子和有机小分子溶液最佳的选择。
针对吸附法处理水存在的二次污染问题，人们将目光投向了负载磁性纳米粒子吸附剂。虽然磁性吸附剂通过外加磁场作用能方便的实现固液分离，但是必须在外强磁场下经过大体量的过滤才能实现固液分离，增加了设备投资，而且磁性复合粒子合成工艺复杂、成本高、难于规模化实际应用。由于石墨烯和氧化石墨烯及其改性产物比表面积超大，表面富含活性基团，能形成高稳定性的水性胶体，特别是与碳纳米管相比，氧化石墨烯更易于规模化低成本合成，而且不需要特殊的氧化引入亲水基团来改善对金属离子或者有机小分子的吸附，就有非常理想的吸附容量，似乎是非常理想的高效、环保、价廉的吸附剂。如果将石墨烯和氧化石墨烯及其改性产物[S. Chowdhury, R. Balasubramanian, Adv. Colloid Interface Sci.,2014, 204:35–56]用于处理含金属离子或者有机小分子的废水，还是通过以往的方法，将吸附剂均匀分散在废水中并与废水直接接触，将会存在吸附剂固液分离困难产生的二次污染和固液分离量大甚至困难的问题。目前比较理想的吸附剂已经找到了，但是急需一种能够避免二次的、高效环保的用于理想的吸附剂处理水的装置。
发明内容
本发明提供了一种高效的、无二次污染、能循环再生吸附分离低浓度金属离子和有机小分子污染物的水处理装置。
本发明所采用的解决问题的技术方案如下。
本发明包括污染物吸附系统和污染物脱附系统。
本发明所述的污染物吸附系统由待处理污水循环回路和吸附剂分散液循环回路组成。
本发明所述的待处理污水循环回路由作为主体的第一中空纤维膜组件(D1)，第一动力泵(M1)，第一三通(T1)和第二三通(T2)，第一污染物浓度在线监测仪(C1)以及连接管道构成。所述的处理污水循环回路中第一三通(T1)的三个接口分别与D1的第一接口(1)，连接M1的管道和待处污水储罐(A1)连接，第二三通(T2)的三个接口分别与第一中空纤维膜组件(D1)的第四接口(4)，连接第一动力泵(M1)的管道和净化液储罐(A4)连接，第一阀门(K1)和第二阀门(K2)分别位于在待处污水储罐(A1)与第一三通(T1)之间和净化液储罐(A4)与第二三通(T2)之间的管道上，第一污染物浓度在线监测仪(C1)位于第一动力泵(M1)与第二三通(T2)之间的管道上。
本发明所述的吸附剂分散液循环回路由作为主体的第一中空纤维膜组件(D1)，第二动力泵(M2)，第三三通(T3)和第四三通(T4)，第一超声波分散器(B1)以及连接管道构成。所述的吸附剂分散循环回路中第三三通(T3)的三个接口分别与第一中空纤维膜组件(D1)的第二接口(2)，第四三通(T4)的一个接口和吸附剂分散液储罐(A2)连接，第四三通(T4)的三个接口分别与第一中空纤维膜组件(D1)的第三接口(3)、第三三通(T3)和第六三通(T6)的一个接口连接，第三阀门(K3)、第五阀门(K5)和第七阀门(K7)分别位于在吸附剂分散液储罐(A2)与第三三通(T3)、第三三通(T3)3与第四三通(T4)和第四三通(T4)与第六三通(T6)之间的管道上，第一超声波分散器(B1)位于第一中空纤维膜组件(D1)下接口与第四三通(T4)之间的管道上。
本发明所述的污染物脱附系统由待脱附吸附剂分散液循环回路和脱附液循环回路组成。
本发明所述的待脱附吸附剂分散液循环回路由作为主体的第二中空纤维膜组件(D2)，第三动力泵(M3)，第五三通(T5)和第六三通(T6)，超声波分散器(B2)以及连接管道构成;所述的脱附液循环回路中第五三通(T5)的三个接口分别与第二中空纤维膜组件(D2)的第六接口(6)，第六三通(T6)的一个接口与吸附剂分散液储罐(A2)连接;第六三通(T6)的三个接口分别与第二中空纤维膜组件(D2)的第七接口(7)以及第四三通(T4)和第五三通(T5)的一个接口连接，第四阀门(K4)和第六阀门(K6)分别位于吸附剂分散液储罐(A2)与第五三通(T5)，第五三通(T5)与第六三通(T6)管道之间，超声波分散器(B2)位于第二中空纤维膜组件(D2)的第七接口(7)与第六三通(T6)之间。
本发明所述的脱附液循环回路由作为主体的第二中空纤维膜组件(D2)，第四动力泵(M4)，第七三通(T7)和第八三通(T8)，第二污染物浓度在线监测仪(C2) 以及连接管道构成;所述的脱附液循环第七三通(T7)的三个接口分别与第二中空纤维膜组件(D2)的第一接口(1)，与连接第四动力泵(M4)的管道和净化液储罐(A4)连接，第八三通(T8)的中三个接口分别与第二中空纤维膜组件(D2)的第八接口(8)，连接第四动力泵(M4)的管道和富集液储罐(A5)连接，第八阀门(K8)和第九阀门(K9) 分别位于脱附液储罐(A3)与第七三通(T7)，富集液储罐(A5)与第八三通(T8)管道之间，第二污染物浓度在线监测仪(C2)位于第四动力泵(M4)与第八三通(T8)之间。
本发明所述的中空纤维膜上微孔的孔径大小应满足待处理污水中的金属离子和有机小分子能自由穿过中空纤维膜，而吸附剂不能穿过中空纤维膜。
本发明所述的动力泵为普通动力泵，无需采用高压泵。
本发明所述的吸附剂分散液是石墨烯或者氧化石墨烯或者其改性产物在水中的分散液。
本发明所述的从脱附剂上脱附金属离子和有机小分子的脱附液为强酸性水溶液。
本发明所述的第一超声分散装置(B1)和第二超声波分散器(B2)用于分散吸附剂，提高吸附/脱附率，加快附/脱附速度。
本发明所述的第一污染物浓度在线检测仪(C1)和第二污染物浓度在线监测仪(C2)分别用于监测吸附和脱附过程中待处理污水以及脱附液里金属离子和有机小分子污染物浓度的变化。
本发明所述的污染物吸附系统和污染物脱附系统中的吸附剂分散液在中空纤维管外与中空纤维组件外壳内的空间流动，以避免吸附剂吸附金属离子和有机小分子后聚沉导致中空纤维管堵塞，提高了中空纤维组件的工作效率组件，延长其使用寿命。
本发明所述的中空纤维膜组件里中空纤维管内外的两种不同液体采用逆流循环流动，以实现两种液体里离子或有机小分子浓度差最大，提高吸附和脱附效率。
本发明提出一种高效的、无二次污染、可循环吸附分离低浓度金属离子和有机小分子的装置，能解决纳米吸附剂吸附分离低浓度金属离子和有机小分子过程中普遍存在分离困难而导致被处理废水二次污染，当前反渗透膜分离技术处理废水存在的需要外加高压、膜质量要求高、孔径小等导致的运行成本高昂及出水效率低等问题。本发明在中空纤维膜组件辅助下进行吸附剂分散液的吸附和脱附，是基于浓度梯度的扩散吸附过程，在机理上完全不同于反渗透膜分离技术，是其逆过程，本发明所用的中空纤维膜孔径可以增大，对压力性能的要求可以降低，降低高压设备和膜的投入成本，增加了膜通量，同时避免了目前高性能纳米吸附材料在运用中存在的二次污染，本发明吸附了金属离子或者有机小分子分的吸附剂循环再生利用，很好地解决吸附剂利用率低和再生困难等问题。吸附系统中的超声波分散器可以使吸附剂分散液处于最佳分散状态，提高了吸附剂的吸附效率，脱附系统中的超声波分散器将絮凝的吸附剂超声分散，加速脱附过程。采用本吸附分离低浓度金属离子和有机小分子的装置，可以高效无二次污染的降低低浓度金属离子和有机小分子的浓度，达到工业排放甚至饮用水标准，去除水中金属离子和有机小分子含量方面有广阔应用前景。